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문제 정의
- 열차무선설비는 열차운전 및 시설유지보수 등 업무를 위하여 이동하는 열차와 지상간, 열차와 열차간 또는 지상상호간에 무선 또는 유․무선 결합으로 상호정보를 교환하는 시스템이다. 본 장에서는 기존 열차무선 방식인 VHF(Very High Frequency) 및 TRS(Trunked Radio System)를 LTE-R((LTE based Railway wireless communication system)로 변경하면서, 정부의 주파수 정책에 따라 700 MHz 대역을 공동 사용하는 통합공공 망주파수(LTE-R, PS-LTE: Public Safety LTE, LTE-M: LTE Marine) 사용기관 간 상호간섭 최소화 방안 도출을 위해 원주~강릉구간에 시험선을 구축하고 도출된 시험 측정 결과를 토대로 무간섭 환경조건에서의 링크버짓 시험결과[1,2] 비교분석 및 간섭 최소화 방안중 하나인 RAN-Sharing 시행 결과 등을 통해 통합공공망 주파수 간섭환경에서의 향후 전국철도 LTE-R 기지국 설계 시행 시 고려사항을 제시하고자 한다.
제안 방법
- LTE-R RSRP를 -110 dBm으로 고정 후 PS-LTE 신호 세기별 무부하 및 부하 시 LTE-R 음성 및 영상 시험을 시행하였다.
- 이러한 간섭현상은 LTE-R 신호가 강전계인 경우에도 유사하게 도출되었다. LTE-R 전파세기 가변 시 정보량에 대해 간섭환경별 LTE-R 전파 세기를 강전계(-60 dBm), 약전계(-110 dBm)로 구분하여 시험을 시행하였다. LTE-R 전파세기를 –60 dBm으로 고정하고 PS-LTE 전파세기를 단계별 가변하며 무부하 시험을 시행한 결과, 그림 2과 같이 LTE-R 전파세기와 PS-LTE 전파 세기가 동일한 경우 전송속도는 22 Mbps가 측정 되었다.
- 간섭영향 분석을 위한 시험은 크게 실험실 환경에서의 연구 시험환경 시험과 원주~강릉구간 간섭환경에서의 현장시험으로 나누어 진행하였다. 연구 시험환경 시험은 원주~강릉구간 사업자인 KT 연구개발센터에서 LTE-R과 PS-LTE간 전파간섭에 따른 음성, 영상, 정보량 등 무선통신 품질시험을 시행하였다.
- 구현방안은 MOCN (Multi Operator Core Network) 방식으로 구성하였으며, 동적 자원할당(Resource Block) 시험 및 구현 전·후 품질결과 분석을 시행하였다.
- 연구 시험환경 시험(2016.10월~11월 약 2개월) 시행을 위한 구성 및 절차는 그림 1 및 표 1 에서와 같이 챔버룸에는 각 PS-LTE 기지국 안테나와 LTE-R 안테나를 설치하여 기지국에서 PS-LTE의 간섭신호를 단계별로 조정하면서 간섭영향 테스트를 시행하였다.
- 간섭영향 분석을 위한 시험은 크게 실험실 환경에서의 연구 시험환경 시험과 원주~강릉구간 간섭환경에서의 현장시험으로 나누어 진행하였다. 연구 시험환경 시험은 원주~강릉구간 사업자인 KT 연구개발센터에서 LTE-R과 PS-LTE간 전파간섭에 따른 음성, 영상, 정보량 등 무선통신 품질시험을 시행하였다.
- 음성 및 영상 시험결과는 현장시험의 경우 측정 가능한 신호세기의 범위에 제약이 있으므로 강전계(-60 dBm) 약전계(-110 dBm)로 나누어 시험한 연구 시험환경 시험과는 달리 원주~강릉 구간 시험선에서 측정 가능한 RSRP 범위에서 시험을 진행하였다. LTE-R과 PS-LTE의 전파세기차를 기준으로 원주~강릉 구간 시험선 및 연구 시험환경 시험 시행결과 상호 비교를 통해 실제 전파간섭 환경을 고려한 간섭마진을 예측할 수 있는 의미 있는 결과 값을 도출할 수 있었다.
- 이를 위해 원주~강릉 시험선 구축 및 간섭시험 결과를 통해 링크버짓에 영향을 미칠 수 있는 “간섭여유도” 항목을 도출하였다.
대상 데이터
- 시험선은 그림 6과 같이 강원도 지역 PS-LTE 기지국 (면온기지국)과 원주~강릉 LTE-R기지국이 인접하여 전파간섭이 예상되는 구간(진조터널출구~면온터널 입구)을 선정하여 표 3의 장비를 적용하여 현장시험을 시행(2016.12월~2017.4월 약 4개월)하였다.
성능/효과
- LTE-R 약전계(–110 dBm)시 PS-LTE 전파세기 가변 시험결과 무부하 시험 시행결과는 그림 4와 같이 LTE-R 전파세기가 PS-LTE 전파 세기보다 10 dB 이상 낮지 않을 경우 속도는 23 Mbps 이상 측정되었다.
- LTE-R 음성 및 영상 품질을 확보하고 하향(DL: Down Link) 및 상향(UL: Up Link) 속도 기준인 20 Mbps 이상 정보량 확보를 위해서는 연구 시험환경 시험에서 도출된 PS-LTE 최대 부하 기준대비 LTE-R 신호세기가 4 dB이상 확보되어야 함을 알 수 있었다.
- Packet Delay 시험결과는 위 시험조건을 기준으로 음성 및 영상이 깨지지 않는 조건에서의 지연시간을 측정한 결과 10~100 ms를 유지하여 설계품질 요구조건인 300 ms이하를 만족하였다. LTE-R 음성 및 영상 품질확보를 위해서는 PS-LTE 최대 부하 기준 대비 LTE-R 신호세기가 10 dB 보다 작지 않아야 하며 정보량 시험에서는 하향(DL: Down Link) 속도 기준 20 Mbps 이상을 유지하기 위해서는 PS-LTE 최대 부하 기준대비 LTE-R 신호세기가 4 dB가 커야함을 알 수 있었다.
- LTE-R 전파세기를 –60 dBm으로 고정하고 PS-LTE 전파세기를 단계별 가변하며 무부하 시험을 시행한 결과, 그림 2과 같이 LTE-R 전파세기와 PS-LTE 전파 세기가 동일한 경우 전송속도는 22 Mbps가 측정 되었다.
- 음성 및 영상 시험결과는 현장시험의 경우 측정 가능한 신호세기의 범위에 제약이 있으므로 강전계(-60 dBm) 약전계(-110 dBm)로 나누어 시험한 연구 시험환경 시험과는 달리 원주~강릉 구간 시험선에서 측정 가능한 RSRP 범위에서 시험을 진행하였다. LTE-R과 PS-LTE의 전파세기차를 기준으로 원주~강릉 구간 시험선 및 연구 시험환경 시험 시행결과 상호 비교를 통해 실제 전파간섭 환경을 고려한 간섭마진을 예측할 수 있는 의미 있는 결과 값을 도출할 수 있었다.
- PS-LTE 면온 기지국과 LTE-R 기지국간RAN-Sharing을 구성하여 전·후 성능 변화를 측정한 결과 그림 7과 같이 LTE-R 성능향상 뿐 아니라, PS-LTE에 비해 상대적으로 강전계인 LTE-R 간섭으로 인한 PS-LTE 품질저하 현상도 크게 개선되어 정보량의 경우 약 10배(4.1 Mbps→46.1 Mbps) 향상 되었고, RSRP 및 SINR도 현저히 개선되었다.
- 또한 LTE-R 신호가 PS-LTE 신호보다 13 dB 이상 낮을 경우 전송이 중단되었다. Packet Delay 시험결과는 위 시험조건을 기준으로 음성 및 영상이 깨지지 않는 조건에서의 지연시간을 측정한 결과 10~100 ms를 유지하여 설계품질 요구조건인 300 ms이하를 만족하였다. LTE-R 음성 및 영상 품질확보를 위해서는 PS-LTE 최대 부하 기준 대비 LTE-R 신호세기가 10 dB 보다 작지 않아야 하며 정보량 시험에서는 하향(DL: Down Link) 속도 기준 20 Mbps 이상을 유지하기 위해서는 PS-LTE 최대 부하 기준대비 LTE-R 신호세기가 4 dB가 커야함을 알 수 있었다.
- 표 4와 같이 시험결과 연구 시험환경 품질저하 임계값(LTE-R과 PS-LTE 신호 세기차)인 10 dB와는 다르게 0 dB부터 음성 및 영상 데이터가 손실되기 시작하였다. 또한 원주~강릉구간에서 PS-LTE 기지국이 LTE-R에 미치는 간섭환경별 정보량 시험을 시행한 결과, 표 5와 같이 하향(DL: Down Link) 정보량 시험에서는 LTE-R 전계강도가 PS-LTE의 +3 dB이하일 경우 하향(DL: Down Link) 전송속도 저하 현상이 현저하게 발생함을 알 수 있었다. 상향(UL: Up Link) 정보량 시험에서는 표 6과 같이 LTE-R 전계강도가 PS-LTE 간섭신호보다 5 dB 이상 작지 않으면 20 Mbps전송속도를 유지하였고, 그 이상의 간섭 신호차가 발생할 경우 전송속도가 0으로 현저하게 저하됨을 알 수 있었다
- 링크버짓 산정을 위한 요구사항[3-6]을 기준으로 도출된 원주~강릉 구간 LTE-R 링크버짓 기준은 표 7 및 표 8과 같으며 국가 연구과제로 추진한 “철도 전용 무선통신시스템 기술개발 및 성능평가” 결과를 토대로 철도 선로변개활지 및 터널 내 기지국 간격은 1 km로 산정하였으며, 통합 공공망 주파수 상호간섭 영향은 배제 되었다[7]. 본 연구결과를 반영한 통합공공망간 전파간섭 환경에서의 링크버짓 재산출 결과 원주~강릉구간 LTE-R 설계기준인 철도 선로변개활지 및 터널내 기지국 간격 1 km는 간섭여유도 4 dB를 고려 할 경우 표 9 와 같이 다운링크의 경우 커버리지가 당초 1 km에서 540 m로 약 50% 감소하고, 표 10과 같이 업링크의 경우는 330 m로 약 70% 감소하는 등 현저한 성능저하 예측 값이 도출되었다. 연구 시험환경 시험 및 현장시험 시행결과 통합 공공망 주파수를 공동 사용하는 LTE-R과 PS-LTE 전파간섭 영향 여유도를 4 dB로 정의할 경우 설계단계부터 개정된 LTE-R 링크버짓 적용이 필요할 수 있다.
- 부하시험 시행결과, 그림 3과 같이 LTE-R 전파세기가 PS-LTE 전파 세기보다 4 dB 이상 높을 경우 속도는 27 Mbps가 측정되었고, LTE-R 신호가 PS-LTE 신호보다 13 dB 이상 낮을 경우 전송이 중단되었다.
- 또한 원주~강릉구간에서 PS-LTE 기지국이 LTE-R에 미치는 간섭환경별 정보량 시험을 시행한 결과, 표 5와 같이 하향(DL: Down Link) 정보량 시험에서는 LTE-R 전계강도가 PS-LTE의 +3 dB이하일 경우 하향(DL: Down Link) 전송속도 저하 현상이 현저하게 발생함을 알 수 있었다. 상향(UL: Up Link) 정보량 시험에서는 표 6과 같이 LTE-R 전계강도가 PS-LTE 간섭신호보다 5 dB 이상 작지 않으면 20 Mbps전송속도를 유지하였고, 그 이상의 간섭 신호차가 발생할 경우 전송속도가 0으로 현저하게 저하됨을 알 수 있었다
- 시험결과 표 2와 같이 무부하 조건에서는 PS-LTE 신호가 LTE-R 신호에 비해 22 dB 높을 경우 음성 및 영상 데이터가 손실되기 시작하였고, 28 dB이상인 경우 에는 Call-Drop이 발생하였다. 부하 조건에서는 PS-LTE 신호가 LTE-R 신호보다 10 dB 높을 경우 Call-Drop이 발생했다.
- 본 연구결과를 반영한 통합공공망간 전파간섭 환경에서의 링크버짓 재산출 결과 원주~강릉구간 LTE-R 설계기준인 철도 선로변개활지 및 터널내 기지국 간격 1 km는 간섭여유도 4 dB를 고려 할 경우 표 9 와 같이 다운링크의 경우 커버리지가 당초 1 km에서 540 m로 약 50% 감소하고, 표 10과 같이 업링크의 경우는 330 m로 약 70% 감소하는 등 현저한 성능저하 예측 값이 도출되었다. 연구 시험환경 시험 및 현장시험 시행결과 통합 공공망 주파수를 공동 사용하는 LTE-R과 PS-LTE 전파간섭 영향 여유도를 4 dB로 정의할 경우 설계단계부터 개정된 LTE-R 링크버짓 적용이 필요할 수 있다.
후속연구
- 본 연구결과를 토대로 향후 250km/h 고속철도급 운영환경을 고려한 LTE-R 셀 최적화 방안 수립 및 기지국 이중화시 고려할 기준치 수립 등의 추가적인 연구가 필요하며 국내 축적된 기술자료 등을 토대로 3GPP에서 추진중인 stage1 work item인 MONASTERY2의 기술 규격에 국내 기술구현 기준을 반영하기 위한 노력도 추진하여야 할 것으로 생각된다.
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