[논문]열차 내 무배선통신시스템 구축을 위한 통신연결장치 개발

김현식; 박수훈; 강석근

doi:10.6109/jkiice.2015.19.4.877

열차 내 무배선통신시스템 구축을 위한 통신연결장치 개발
Development of Communication Joint Tools for Implementing a Legacy-line Communication System in a Train 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.19 no.4, 2015년, pp.877 - 887

김현식 (Mattron Corp.) , 박수훈 (Gyeongnam TP) , 강석근 (Department of Semiconductor Engineering, Gyeongsang National University)

초록
AI-Helper

본 논문은 열차 내에 산재한 도체 선로를 활용하여 무배선통신시스템 구축할 수 있는 통신연결장치의 설계 방법을 제시한다. 또한 여기서는 기존 선로에 직접 연결되는 전도성 연결장치와 전자기 유도현상을 이용하는 유도성 연결장치를 개발한다. 개발된 통신연결장치를 전력선에 적용하여 데이터 통신 실험한 결과, 목표 성능인 200 m 거리에서 20 Mbps급 이상의 무배선통신시스템의 구축을 실현할 수 있음을 확인하였다. 또한 내환경 시험 결과 개발된 통신연결장치는 열차의 내외부 발생될 수 있는 극심한 환경 변화에서도 안정적으로 동작하는 것으로 측정되었다. 따라서 개발된 장치는 현재 운행되고 있는 열차의 전도성 매체를 활용한 통신네트워크 구축에 유용할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a design of communication joint tools to implement a legacy-line communication (LLC) system, which exploits various conductive lines in a train, is presented. We develop two kinds of joint tools; one is a conductive joint tool (CJT) that is connected directly to the conventional lines and the other is the inductive joint tool (IJT) which connects the conventional lines indirectly using electromagnetic induction. As a result, the practical experiment of data communication confirms that an LLC system with the developed joint tools has a transmission rate more than 20 Mbps in the distance of 200 m away. In addition, an environmental durability test shows that the joint tools operate stably in an extreme environmenal variation. It is, therefore, considered that the developed joint tools are very useful to implement a communication network in the train working currently.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

여기서는 기존 선로에 직접 연결할 수 있는 전도성 연결장치와 직접 연결 없이 전자기 유도현상을 이용하여 연결하는 유도성 연결장치를 개발한다. 그리고 이들을 위한 자심재료와 커플링 변압기의 설계 방법과 삽입손실 특성도 제시된다. 제작된 통신연결장치를 이용한 성능 시험 결과, 구현된 무배선통신시스템은 목표 성능을 상회하는 통신 속도를 가지는 것으로 측정되었다.
무배선통신을 이용하여 열차 내에 데이터 통신네트워크를 구축하기 위해서는 기존 선로에 연결되어 변조된 통신신호를 송수신할 수 있는 통신연결장치가 요구된다[10]. 따라서 본 논문에서는 열차 내 무배선통신시스템 구축을 위한 통신연결장치를 설계한다. 여기서는 기존 선로에 직접 연결할 수 있는 전도성 연결장치와 직접 연결 없이 전자기 유도현상을 이용하여 연결하는 유도성 연결장치를 개발한다.
본 논문에서는 열차 내에 산재한 도체 선로를 활용하여 무배선통신시스템을 구축할 수 있는 통신연결장치의 설계 방법을 제시하였다. 그리고 기존 선로에 직접 연결되는 전도성 연결장치와 전자기 유도현상을 이용하는 유도성 연결장치를 제작하였다.
제작된 유도성 통신연결장치를 위한 자심재료는 충격에 의한 변성으로부터의 보호뿐만 아니라 신호의 입출력 선로 간 결합도 향상과 도체 단면적 증가에 의한 전송효율 상승을 목적으로 금속 케이스에 봉인된다. 이 경우 내장된 자심재료, 통신신호 전송을 위한 전류, 금속 케이스에 의하여 새로운 임피던스가 발생된다.

가설 설정

열차 내부 200 m를 전력선 또는 전화선만으로 네트워크를 구성하는 것으로 가정하고, 서버 측에는 마스터모뎀과 전도성 연결장치를, 클라이언트 측에는 전도성 연결장 또는 유도성 연결장치를 사용한다.

제안 방법

200 m 길이의 전력선을 통신선로로 이용하여 데이터 통신 네트워크를 구성하고, 열차 내 통신 네트워크 관련 국제 기술규격에 의한 데이터 포맷에 따라 통신신호를 전송하여 통신 속도를 측정하였다. 시험의 개념적인 구성도와 실제 실험 현장을 그림 14에 나타내었다.
본 논문에서는 열차 내에 산재한 도체 선로를 활용하여 무배선통신시스템을 구축할 수 있는 통신연결장치의 설계 방법을 제시하였다. 그리고 기존 선로에 직접 연결되는 전도성 연결장치와 전자기 유도현상을 이용하는 유도성 연결장치를 제작하였다. 개발된 통신연결장치를 전력선에 적용하여 시험한 결과 목표 성능인 200 m 거리에서 20 Mbps급 이상의 무배선통신시스템을 구축할 수 있음을 확인하였다.
또한 실제 열차에의 적용을 고려하여 온도와 습도 등 운용환경의 변화에 대한 내성도 평가 척도로 활용하였다. 그리고 실제 성능 시험에서는 200 m 길이의 전력선에 개발된 연결장치를 연결하여 통신 속도를 측정하였다. 이와 같은 평가 척도와 성능 목표를 표 1에 나타내었다.
또한 실제 열차에의 적용을 고려하여 온도와 습도 등 운용환경의 변화에 대한 내성도 평가 척도로 활용하였다. 그리고 실제 성능 시험에서는 200 m 길이의 전력선에 개발된 연결장치를 연결하여 통신 속도를 측정하였다.
그리고 1시간에 걸쳐 -25℃까지 선형적으로 냉각한 다음 1시간 동안 유지하고 30분 동안 상온으로 상승시킨다. 습도 환경의 경우 최고 온도가 유지되는 1시간 동안 95%를 유지하여 고습환경에서의 특성 변화를 측정하였다.
따라서 본 논문에서는 열차 내 무배선통신시스템 구축을 위한 통신연결장치를 설계한다. 여기서는 기존 선로에 직접 연결할 수 있는 전도성 연결장치와 직접 연결 없이 전자기 유도현상을 이용하여 연결하는 유도성 연결장치를 개발한다. 그리고 이들을 위한 자심재료와 커플링 변압기의 설계 방법과 삽입손실 특성도 제시된다.
특히, 신조 열차 내에서 테이터통신 속도를 증가시키기 위한 방법 가운데 하나로 차폐된 꼬임쌍케이블(shielded twisted-pair cable)을 이용하여 100 Mbps 이더넷 통신시스템이 소개된 바 있다[3]. 여기서는 전력선과 통신선을 구분하고, 통신선을 위한 새로운 전용 연결장치를 개발하였다. Kim 등은 [4] 통신 전용선으로 플라스틱 광섬유케이블(plastic optical fiber, POF)을 사용하여 광대역 열차통신네트워크를 구성하는 방법을 제안한 바 있다.
개발된 무배선통신시스템 구축을 위한 통신연결장치들은 열차 내외부에 설치하여 운용되므로 다양한 온도/습도 환경에서 안정적인 삽입손실 특성을 유지해야 한다. 이를 위하여 항온항습시험기 내에 제작된 연결장치를 두고 그림 12에 나타낸 환경 조건에 따라 온습도 내환경 시험(environmental durability test)을 실시하고 네트워크 분석기를 이용하여 삽입손실을 측정하였다.
최종 개발된 통신연결장치들을 이용한 무배선통신시스템의 데이터 통신 시험도 수행하였다. 개발품의 전문성과 실제 산업 응용성을 위하여 시험은 공인 기관인 한국정보통신기술협회(Telecommunication Technology Association)를 통하여 진행하였다.

대상 데이터

최종 개발된 통신연결장치들을 이용한 무배선통신시스템의 데이터 통신 시험도 수행하였다. 개발품의 전문성과 실제 산업 응용성을 위하여 시험은 공인 기관인 한국정보통신기술협회(Telecommunication Technology Association)를 통하여 진행하였다.
전도성 연결장치의 특성에 가장 큰 영향을 미치는 커플링 변압기를 설계하기 위하여 서로 다른 변수를 가지는 4개의 토로이달 자심재료를 표 2와 같이 선정하였다. 여기서 S21은 삽입손실을 나타낸다.

성능/효과

개발된 연결장치들이 적용된 무배선통신시스템을 이용하여 데이터 전송 실험을 수행한 결과, 개발된 두 종류의 통신연결장치 모두 데이터 손실 없이 통신에 성공하였으며 속도는 26 Mbps 이상으로 나타났다. 이러한 결과를 표 3에 자세히 비교하여 나타내었다.
그리고 기존 선로에 직접 연결되는 전도성 연결장치와 전자기 유도현상을 이용하는 유도성 연결장치를 제작하였다. 개발된 통신연결장치를 전력선에 적용하여 시험한 결과 목표 성능인 200 m 거리에서 20 Mbps급 이상의 무배선통신시스템을 구축할 수 있음을 확인하였다. 또한 내환경 시험 결과 개발된 통신연결장치는 열차의 내외부에서 발생될 수 있는 극심한 온습도 환경 변화 속에서도 안정적으로 동작하는 것으로 확인되었다.
하지만 권선 수는 자심재료의 투자율을 감소시키는 원인이 된다. 따라서 광대역 특성과 저주파 대역 특성을 동시에 만족시키는 최소 권선 수로는 6회가 가장 적절한 것으로 분석된다.
이에 대한 추가적인 분석 결과 전력선 통신에 사용된 단상 전원 케이블의 열화 현상에 의한 인덕턴스의 변화가 원인인 것으로 자체 시험결과 판명되었다. 따라서 제작된 통신연결장치들은 저온, 고온 및 고습 환경에서도 무배선통신시스템을 구현/운용할 수 있는 안정성을 가지는 것으로 판단된다.
개발된 통신연결장치를 전력선에 적용하여 시험한 결과 목표 성능인 200 m 거리에서 20 Mbps급 이상의 무배선통신시스템을 구축할 수 있음을 확인하였다. 또한 내환경 시험 결과 개발된 통신연결장치는 열차의 내외부에서 발생될 수 있는 극심한 온습도 환경 변화 속에서도 안정적으로 동작하는 것으로 확인되었다. 따라서 본 논문에서 개발된 통신연결장치는 특히 현재 운행되고 있는 열차의 내외부에 이미 가설된 전도성 매체를 이용한 통신네트워크 구축에 매우 유용할 것으로 판단된다.
제작된 통신연결장치를 이용한 성능 시험 결과, 구현된 무배선통신시스템은 목표 성능을 상회하는 통신 속도를 가지는 것으로 측정되었다. 또한 다양한 온습도 환경에서 실시한 내환경 시험 결과, 제작된 연결장치들은 실제 열차의 내외부에 설치/운용할 수 있을 정도의 동작 안정성을 갖춘 것으로 확인되었다.
1 ~ 40 MHz 대역에서는 비교적 높은 특성을 가지는 것으로 나타났다. 이들 가운데 1번 자심재료는 가장 우수한 저주파 삽입손실 특성을 보였으며, 고주파 대역에서도 목표 성능에 비교적 근접하면서도 평탄한 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이를 근거로 1번 자심재료를 전도성 통신연결장치의 제작에 사용하였다.
하지만 여기서는 고온과 습도가 매우 높은 경우 고주파 대역의 일부에서 삽입손실이 목표 성능 이하로 저하될 수 있는 것으로 나타났다. 이에 대한 추가적인 분석 결과 전력선 통신에 사용된 단상 전원 케이블의 열화 현상에 의한 인덕턴스의 변화가 원인인 것으로 자체 시험결과 판명되었다. 따라서 제작된 통신연결장치들은 저온, 고온 및 고습 환경에서도 무배선통신시스템을 구현/운용할 수 있는 안정성을 가지는 것으로 판단된다.
일반적으로 전자기부품에는 우레탄계 에폭시와 일반 투명 에폭시가 경화제로 사용되므로 그림 8에는 이에 대한 결과를 나타내었다. 자심재료의 삽입손실은 절연함침의 경우보다 몰딩에 의하여 약 0.5 ~ 1 dB 정도 추가적으로 감소되는 것으로 나타났다. 또한 투명 에폭시보다는 우레탄 몰딩된 커플러
그리고 이들을 위한 자심재료와 커플링 변압기의 설계 방법과 삽입손실 특성도 제시된다. 제작된 통신연결장치를 이용한 성능 시험 결과, 구현된 무배선통신시스템은 목표 성능을 상회하는 통신 속도를 가지는 것으로 측정되었다. 또한 다양한 온습도 환경에서 실시한 내환경 시험 결과, 제작된 연결장치들은 실제 열차의 내외부에 설치/운용할 수 있을 정도의 동작 안정성을 갖춘 것으로 확인되었다.
측정 결과 대부분의 자심재료들이 10 kHz 이하의 대역에서는 매우 낮은 삽입손실을 가지며 0.1 ~ 40 MHz 대역에서는 비교적 높은 특성을 가지는 것으로 나타났다. 이들 가운데 1번 자심재료는 가장 우수한 저주파 삽입손실 특성을 보였으며, 고주파 대역에서도 목표 성능에 비교적 근접하면서도 평탄한 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

또한 내환경 시험 결과 개발된 통신연결장치는 열차의 내외부에서 발생될 수 있는 극심한 온습도 환경 변화 속에서도 안정적으로 동작하는 것으로 확인되었다. 따라서 본 논문에서 개발된 통신연결장치는 특히 현재 운행되고 있는 열차의 내외부에 이미 가설된 전도성 매체를 이용한 통신네트워크 구축에 매우 유용할 것으로 판단된다.
이를 고려하면 다수의 감시카메라가 동시에 촬영한 동영상 데이터를 끊김이나 지연 없이 전송할 수 있는 무배선통신시스템과 이를 지원하는 복합통신연결장치의 개발이 필요하다. 또한 열차 환경에서는 다수의 감지 센서들이 사용되고 있으므로 이종 선로를 기반으로 열차 내 무배선통신시스템을 구축하는 방안에 대한 추가 연구도 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무배선통신이란 무엇입니까?	또한 네트워크 구축 시간의 과다한 소요, 누수 및 진동, 전동차 간 접속 문제 등 네트워크 장비의 운용상 애로사항뿐만 아니라 열차의 안전성을 저해하는 요인이 발생될 수 있다. 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법으로 전력선, 스피커선, 비상 인터폰선, 동축 케이블 등 이미 설치된 도체선로를 통신자원으로 활용하는 무배선통신(legacy-line communication, LLC) 기술을 적용할 수 있다[7]. 여기서 무배선은 통신선로가 없는 것이 아니라 데이터 전송을 위한 선로의 추가적인 설치가 요구되지 않음을 의미하는 것으로 전력선통신(powerline communication, PLC) 기술이 대표적인 예가 된다[8-10].
	본 연구에서 개발한 유도성 연결장치가 현재 운행되고 있는 열차의 전도성 매체를 활용한 통신네트워크 구축에 유용한 이유는?	또한 여기서는 기존 선로에 직접 연결되는 전도성 연결장치와 전자기 유도현상을 이용하는 유도성 연결장치를 개발한다. 개발된 통신연결장치를 전력선에 적용하여 데이터 통신 실험한 결과, 목표 성능인 200 m 거리에서 20 Mbps급 이상의 무배선통신시스템의 구축을 실현할 수 있음을 확인하였다. 또한 내환경 시험 결과 개발된 통신연결장치는 열차의 내외부 발생될 수 있는 극심한 환경 변화에서도 안정적으로 동작하는 것으로 측정되었다. 따라서 개발된 장치는 현재 운행되고 있는 열차의 전도성 매체를 활용한 통신네트워크 구축에 유용할 것으로 판단된다.
	열차 내 통신 네트워크에 의존하는 경향이 큰 요소들은?	이에 따라 고속화 및 광역화와 온/오프라인 감시체계에 의한 무인화 및 실시간 제어는 차세대 철도시스템의 주요 특징이 되고 있다. 특히, 온라인 감시 및 실시간 제어, 자기 진단, 안전한 철도망 유지/운용 서비스 등은 열차 내 통신 네트워크(train communication network, TCN)에 의존하는 경향이 크다. 이를 위하여 국제전기기술위원회(international electrical committee, IEC)는 객차 내 및 객차 간 데이터 통신을 위한 국제 규격을 제정한 바 있다[1].

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