[논문]철도전용 통합무선망 개발

송용수; 김용규; 백종현

doi:10.7782/jksr.2013.16.6.551

철도전용 통합무선망 개발
Development of Integrated Wireless Network for Railway 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.16 no.6 = no.79, 2013년, pp.551 - 557

송용수 (Korea Railroad Research Institute) , 김용규 (Korea Railroad Research Institute) , 백종현 (Korea Railroad Research Institute)

초록
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본 연구는 철도전용 통합무선망 개발을 위한 LTE 통신 방식의 적용타당성 연구를 목적으로 하며, 호남선 일로역에서 대불역 사이 약 12km 구간에 걸쳐 철도전용 통합무선망을 구축하여 실증 분석하였다. 한국의 철도 안전 무선통신은 노선 별로 방식이 상이하여 각 철도 종사자간 협업이 어려워 다양한 문제점이 발생하고 있으며 무선통신 시스템간 통화 단절 및 상용 무선망과의 주파수 간섭 및 혼신에 따른 사고 발생 위험이 상존하고 있다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 대두되고 있는 철도전용 통합무선망에 4세대 통신방식인 LTE를 적용하는 것이 타당한지를 살펴보았다. 열차 선로라는 기지국 설치 위치의 제약이 있었음에도 모든 시험 항목에서 기존 유럽의 GSM-R의 성능 기준을 상회하는 결과를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research aims to conduct a study on the feasibility of the LTE communication method for developing a dedicated integrated railway wireless network. An empirical analysis was carried out by establishing a dedicated integrated railway wireless network in an approximately 12km section between Illo station and Daebul station on the Honam line. Korean wireless communication methods for railway safety are different depending on each line, which makes it difficult for railway workers to cooperate with. This causes various problems. There is the ever-present risk of accidents due to call disconnection between wireless communication systems, frequency interference from commercial networks, and crosstalk. This study verified the feasibility of the 4th generation communication system, LTE, over the dedicated integrated railway wireless network as a solution for the above mentioned problems. The result shows this communication system exceeded existing performance standards of Europe GSM-R in every test item despite the location constraint of train tracks on the base station establishment.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 호남선(일로-대불) 구간에서 구축된 Long Term Evolution-Railway(LTE-R) 시스템의 무선망, 지상서비스, 차상 서비스 시스템 개발에 대해 기술하고, 총 6개 항목의 GSM-R 서비스 품질 기준과 비교하기 위한 시험 방법과 결과를 서술하였다. 6개 시험을 통해 LTE 방식 철도전용 서비스의 타당성을 실증하고자 한다.
현재 한국철도기술연구원(KRRI)이 관련 국가 R&D 과제를 수행 중이며, LTE-R은 상용망을 이용하는 것이 아니라 철도전용 자가망 구축으로 추진될 예정이다. LTE-R 상용기술 개발 시점은 2016년 250km이하 속도 지원, 2019년에 300km 이상 고속철도를 지원하는 것을 목표로 한다. 유럽의 모든 국가들은 차세대 통합 무선망 시스템을 요구 하고 있고 이에 개발 하려는 계획을 세우고 있으며, 유럽의 철도전용 통합무선망은 GSM-R에서 LTE-R에로 변화되는 과도기에 있고, 2015년부터 LTE-R 개발을 통한 GSM-R과 LTE-R의 병행운영을 추진 중에 있으며 점진적으로 2025년까지 LTE-R로 완전히 진화될 예정이다[5-8].
따라서 본 연구에서는 LTE 방식이 GSM 방식보다 우위에 있는지가 아닌 GSM-R의 서비스 품질 기준을 만족하여 이를 대체할 수 있는지 적용타당성을 살펴보았다. 통화 요청으로부터 호가 연결될 때까지 걸리는 시간인 연결 설정 지연 시간은 GSM-R의 2초의 절반 수준인 평균 1초의 지연 시간을 나타내어, 실제 적용 시점에 사용자가 크게 체감하게 될 부분이다.
본 논문에서는 호남선(일로-대불) 구간에서 구축된 Long Term Evolution-Railway(LTE-R) 시스템의 무선망, 지상서비스, 차상 서비스 시스템 개발에 대해 기술하고, 총 6개 항목의 GSM-R 서비스 품질 기준과 비교하기 위한 시험 방법과 결과를 서술하였다. 6개 시험을 통해 LTE 방식 철도전용 서비스의 타당성을 실증하고자 한다.

제안 방법

GSM-R 연결 설정 실패율 시험 항목은 LTE-R의 eNB의 호 처리 시험 항목 중 ‘호 접속 성공률’ 시험 항목과 동일하다. eNB의 LSM Client에서 RRC Connection Reconfiguration Complete 메시지를 수신하여 attach 성공을 확인한 후 detach 하는 과정을 반복하였다. 이 시험 항목은 패킷망인 LTE-R 에서 특별한 장애가 발생하지 않는 한 실패하지 않는 항목으로써 시험 결과는 100%를 기록하였다.
GSM-R 연결 설정 지연 시험 항목은 LTE-R의 eNB 호 처리 시험 항목 중 ‘호 접속 시간’ 시험 항목과 동일하다. 단말 DM에서 RRC Connection Request 메시지를 수신한 시간부터 RRC Connection Reconfiguration Complete 메시지를 수신한 시간까지를 측정하였다. 총 100회 반복 측정을 수행하였다.
P-GW는 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) Client 및 Server 기능을 포함하고 있어, UE에 대해 IP 주소 및 관련 설정 정보를 관리하고 할당해주는 기능도 수행한다. 또한 CDMA2000을 포함한 Non-3GPP system 과 PMIP(Proxy MIP) 연동을 제공하는 역할을 수행함으로써 Non-3GPP간 및 Non-3GPP와 3GPP간 핸드오버를 제공해준다.
LTE-R 시험망은 크게 지상무선망과 차상무선장치로 구분 되어 개발되었다. 지상무선망 시험은 구성 장비에 따라 EPC, LSM-C, eNB, LSM-R 및 필드 테스트로 나뉘어 총 179개 항목으로 진행되었다.
차상무선장치의 시험은 장비 성능이 아닌 단말 대 단말간, 즉 복수의 차상 단말기와 지상 지령대 단말기들간의 종단사용자간(End-to-End) 기능 테스트로 진행하였다. Table 2는 시험항목 중 일부로, 현재 VHF, TRS-Tetra 방식 등의 통신 시스템으로 운영중인 철도 안전 통신 기능들을 대부분 포함하고 있다.
단말 DM에서 RRC Connection Request 메시지를 수신한 시간부터 RRC Connection Reconfiguration Complete 메시지를 수신한 시간까지를 측정하였다. 총 100회 반복 측정을 수행하였다. 시험 결과의 평균은 최소 0.
Table 1은 EPC 장비의 Handover 시험 항목 및 판정 기준을 요약한 것으로 Handover 시험의 경우 필드 테스트를 별도의 시험 항목으로 구성하여 시험을 진행하였다. 필드 시험 경로를 선정하고 시험 경로에 있는 eNB들의 Source 및 Target Cell을 확인하고 양방향의 Intra/Inter eNB Neighbor를 구성하였다. 호 접속 이후 DL FTP traffic 인가 후 시험 경로를 이동하여 Intra/Inter eNB Handover를 발생 시키며 정상적으로 실행되는지 확인하였다.
필드 시험 경로를 선정하고 시험 경로에 있는 eNB들의 Source 및 Target Cell을 확인하고 양방향의 Intra/Inter eNB Neighbor를 구성하였다. 호 접속 이후 DL FTP traffic 인가 후 시험 경로를 이동하여 Intra/Inter eNB Handover를 발생 시키며 정상적으로 실행되는지 확인하였다. Handover시 RRC Connection Reconfiguration 메시지부터 RRC Connection Reconfiguration Complete 메세지까지의 지연 시간을 측정하여 평균값을 계산하였다.

대상 데이터

본 시험의 경우 GSM-R 망 구성 특유의 프로토콜 스택 Layer 2 High level Data Link Control (HDLC)를 기준으로 하는 시험인데, 3세대 통신망 규격부터 HDLC를 사용하지 않아 LTE-R에서는 시험하지 않았다.
본 연구는 2012년 4월부터 호남선(일로~대불 약 12km) 구간에서 DU(Digital Unit) 2대와 RRH(Remote Radio Head) 9대로 구성된 LTE-R 망을 구축 하였다. 이는 아직은 시험 주파수인 2.

데이터처리

호 접속 이후 DL FTP traffic 인가 후 시험 경로를 이동하여 Intra/Inter eNB Handover를 발생 시키며 정상적으로 실행되는지 확인하였다. Handover시 RRC Connection Reconfiguration 메시지부터 RRC Connection Reconfiguration Complete 메세지까지의 지연 시간을 측정하여 평균값을 계산하였다. 이렇게 이동이 필요한 시험 항목의 경우 철도라는 특수성을 고려하여 통신 칩이 장착된 USB 동글 단말기와 차상에 설치된 단말기를 동시에 이용하여 실제 열차를 운행하여 진행되었으며, 이로 인해 차량 외부 안테나와 연결 되어 신호 이득이 약 20dB 가량 더 높은 차상 단말기와 차폐된 차량 내부라는 불리한 조건의 동글 단말기간의 비교 시험 연구가 가능하였다.

성능/효과

LTE-R에서는 eNB의 호 처리 시험 항목 중 ‘User Plane 설정 지연 시간’ 항목으로, 차상 단말과 기계실 지령서버 간에 32Byte Ping의 처리 지연시간을 확인하였다. GSM-R의 판정 기준은 500ms이나 LTE-R의 시험 결과는 최소 29ms, 최대 46ms, 평균 30ms로 현격한 차이를 보였다.
GSM-R은 각종 서비스 시스템이 추가된 상태를 가정한 것이나 LTE부터는 시스템이 추가된다고 해서 해당 시험의 결과에 크게 영향을 미칠 수 없는 구조로 되어 있다. 결론적으로 LTE는 GSM-R과 같은 철도전용 무선통신 서비스에 적용하기에 타당하다 할 수 있다.
통화 요청으로부터 호가 연결될 때까지 걸리는 시간인 연결 설정 지연 시간은 GSM-R의 2초의 절반 수준인 평균 1초의 지연 시간을 나타내어, 실제 적용 시점에 사용자가 크게 체감하게 될 부분이다. 데이터 블록의 전송지연 속도는 GSM-R의 경우 500ms이나 LTE-R은 평균 30ms로 사용자가 인지 하기 어려울 정도로 빨랐다. GSM-R은 각종 서비스 시스템이 추가된 상태를 가정한 것이나 LTE부터는 시스템이 추가된다고 해서 해당 시험의 결과에 크게 영향을 미칠 수 없는 구조로 되어 있다.
총 100회 반복 측정을 수행하였다. 시험 결과의 평균은 최소 0.386초, 최대 1.224초, 평균 0.611초로 해당 GSM-R의 판정 기준 중 가장 빠른 철도 긴급전화(Table 4)의 2초와 비교하여 2배에 가까운 우위를 보였다.
eNB의 LSM Client에서 RRC Connection Reconfiguration Complete 메시지를 수신하여 attach 성공을 확인한 후 detach 하는 과정을 반복하였다. 이 시험 항목은 패킷망인 LTE-R 에서 특별한 장애가 발생하지 않는 한 실패하지 않는 항목으로써 시험 결과는 100%를 기록하였다.
필드 이동성 시험 항목의 ‘호 접속 성공률’은 eNB의 동일 시험 항목과는 다르게 호 attach 후 5MByte의 파일을 FTP로 반복 전송하면서 임의로 detach 되는지를 기록하는 시험이다. 호 접속 성공률은 단말기당 각 100회씩 수행하였고, 결과는 1% 였으나 1시간당 기준으로 하면 그 이하의 손실률을 보였다.

후속연구

GSM-R QoS 시험 항목들은 본 연구의 eNB의 호처리 시험 및 Field 시험의 호 접속 성공률 시험에 모두 포함되어 있고 이미 GSM-R 기준 이상의 품질 수준을 보이고 있으며 해당 시험 데이터는 향후 LTE-R 표준규격에 반영될 예정이다.
본 연구는 2012년 4월부터 호남선(일로~대불 약 12km) 구간에서 DU(Digital Unit) 2대와 RRH(Remote Radio Head) 9대로 구성된 LTE-R 망을 구축 하였다. 이는 아직은 시험 주파수인 2.6GHz Frequency Division Duplex(FDD) 방식 10MHz 주파수 폭(5Mhz*2)을 사용하였으며 향후 철도전용주파수 확보 시 변경할 예정으로 진행되고 있다. LTE-R 시험망은 크게 지상무선망과 차상무선장치로 구분되어 개발되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도 통합무선망 지상 시스템의 P-GW에서 담당하는 역할은 무엇인가?	P-GW는 S-GW와 PDN 사이에 있는 시스템으로서, 여러 대의 S-GW를 IP 네트워크에 정합하며 외부 망과 UE간에 트래픽을 송수신하고, QoS를 제어(DSCP marking, rate limiting), 과금 처리를 담당한다. P-GW는 운용/사업자 망 내에 있는 여러 서버들(PCRF, AAA(Authentication, Authorization and Accounting) 서버, DNS(Domain Name Service) 서버및 OFCS, OCS(Online Charging System))에 대한 인터페이스를 제공한다.
	국내 철도 관련 무선통신 방식이 노선별로 상이하게 때문에 어떤 어려움을 겪고 있는가?	구축된 시기에 따라 Very High Frequency(VHF), Trunked Radio System(TRS)-Tetra, TRS-Astro, WiFi 방식이 무선통신 및 무선열차제어에 사용 되고 있다. 각 방식에 따라 통신용 단말기도 모두 다르기 때문에, 다른 방식이 만나는 선로 지점에서는 실제로 관제요원, 열차운전자, 현장 유지보수 요원 간 통신을 통한 협업이 어려워 다양한 문제점이 발생하고 있으며, 상이한 철도 무선통신 시스템 간 단절 및 불통 현상, WiFi가 사용하는 ISM 2.4GHz 비면허 대역의 경우 상용 무선망과 기존철도무선통신시스템과의 주파수 간섭 및 혼신 등에 따른 철도 운행 중단 및 철도 사고 발생 위험이 존재하고 있다. 이에 미래 철도의 안전 확보 및 수송 효율성 향상을 위한 국가철도 통합무선망 구축 관련 연구가 크게 부각되고 있으며, 이러한 요구에 맞추어 2012년 4월부터 본 연구를 착수하여 현재는 통합무선망에 대한 개발 및 시험을 호남선(대불~일로) 에서 2013년 4월부터 실시하고 있다.
	철도통합무선망이란 무엇인가?	여기에서는 유럽 각국의 철도통신기술 변화에 따른 시장의 요구, 철도 무선통신의 기술과 동향을제시하였으며, 특히 현재 운용 중인 GSM-R의 처리 방안과 문제점, 영상 감시, 실시간 열차 성능 모니터링 등의 새로운 서비스 증가에 따른 GSM-R의 위기에 대해 언급하였다[1]. 철도통합무선망은 무선을 이용한 정보통신의 안정성과 열차라는 이동체를 제어하는 안전성이 결합한 혁신적인 시스템의 개발 및 적용이 가능한 시스템이다[2]. 정보통신기술을 철도시스템에 이용하여 지상과 차상의 제어장치 역할을 서로 분담함으로써, 무선을 이용한 안전하고 단순한 구조의 열차제어시스템이 일부 국가에서 실용화 되고 있는 상황이다.

참고문헌 (8)

Jason Durk (2012) How to better utilise rail communications to improve the on-board customer experience, Special pre-conference LTE workshop, Vienna: RAILTEL, p.2
Iku Watanabe (2011) Trends of Radio Based Train Control Systems, RTRI Report, 25(5), p.1
ERTMS/GSM-R QoS(Quality of Service) Test Specification v10
UIC Project EIRENE FRS(Functional Requirements Specification) v7
Huawei GSM-R Customer Reference, enterprise.huawei.com
Jan Richard (2012) How to deliver effective signalling at dense traffic centres, Special pre-conference LTE workshop, Vienna: RAILTEL, 1
Jean CELLMER (2012) The French GSM-R project: implementing and operating a GSM-R network through a PPP, Special pre-conference LTE workshop, Vienna: RAILTEL, p.3
Johann Garstenauer (2010) GSM-R evolution towards LTE, IRSE, New Delhi, p.4

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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