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[국내논문] LTE-R 시스템에서 열차제어를 위한 핸드오버 지연 안정화 방안
Handover Delay Stability Method for Train Control on LTE Railway System 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.24 no.12, 2020년, pp.1646 - 1653  

오상철 (Future Mobile Communication Research Laboratory, Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI)) ,  윤병식 (Future Mobile Communication Research Laboratory, Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI)) ,  이숙진 (Future Mobile Communication Research Laboratory, Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI)) ,  최민석 (Future Mobile Communication Research Laboratory, Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI)) ,  김동준 (Technology Research Division, Korea National Railway (KNR)) ,  성동일 (Technology Research Division, Korea National Railway (KNR))

초록
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잦은 핸드오버가 발생하는 LTE-R 시스템에서 다양한 속도로 고속 주행하는 열차를 실시간으로 원격제어하는 경우 열차제어 메시지의 안정된 실시간 송수신은 열차운행에 중요한 요소이다. 본 논문에서는 이러한 LTE-R 환경에서 실시간 원격 열차제어의 안정성을 높이기 위해 열차 속도에 무관한 핸드오버 지연시간 안정화 방안을 제시하였다. 또한, 시뮬레이션의 정확도를 높이기 위해 실제 구간별 가변속도, 고도 등을 반영한 실측 데이터를 시뮬레이션에 반영하였다. 시뮬레이션 결과에 따라, A3 오프셋 값에 따라 평균 핸드오버 지연시간이 불안정한 영역과 안정한 영역이 존재한다는 것을 알았으며, 최적값은 불안정한 영역에 존재한다는 것 또한 알 수 있었다. 그러나, 열차 속도에 관련 없이 예측 가능한 핸드오버 지연시간을 얻기 위해서는 불안정한 영역에 있는 A3 오프셋 값을 통한 Early 핸드오버 보다는, 지연이 조금 더 있더라도 안정적 영역에 있는 A3 오프셋 값을 이용한 Late 핸드오버가 안정성을 최우선시 하는 국내 LTE-R 망에 더 적합하다는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In case that the train driving with diverse high-speeds is manipulates by real-time remote control in long-term evolution-railway (LTE-R) system with frequent handovers, the real-time safe transmission of train control messages is important element. The handover delay time stability method regardles...

Keyword

#핸드오버 지연   #핸드오버 안정성   #열차 제어   #고속철도   #오피넷  

표/그림 (11)

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 면이 있다. 본 논문에서는 A3 오프셋 (Offset) 제어를 통한 안정적인 핸드오버 지연시간 제어를 위해 실측기반 시뮬레이션을 수행하였고, 실제 고속 및 구간별 가변속도를 반영하여 국내 KTX 강릉선 철도통합 무선통신망인 LTE-R 환경에서 핸드오버 지연시간의 안정성을 높일 수 있는 핸드오버 제어를 목표로 하였다.
  • 이는 기존 3GPP LTE 규격에 영향이 없으며, 이미 통신망 운영측면에서 사용하고 있는 방식이다. 본 논문에서는 기존 3GPP LTE 규격에 절차 변경없이 이미 정의되어 있는 핸드오버 파라미터인 표 1의 Off 파라미터 값을 조절하여 속도에 무관하면서 예측 가능하고 안정된 핸드오버 지연시간을 확보하고자 하였다. 잦은 핸드오버가 발생하는 LTE-R 시스템에서 다양한 속도로 고속 주행하는 열차를 실시간으로 원격제어하는 경우 열차제어 메시지의 안정된 실시간 송수신은 열차 운행에 중요한 요소이다.
  • OPNET 네트워크 시뮬레이터의 LTE 패키지 기본설정 파라미터에 참고 [1]과 실측된 파라미터를 최대한 반영하고자 하였다. system bandwidth per carrier, number of physical resource block (PRB), hysteresis (RSRP, RSRQ)는 실측된 파라미터를 사용하였으며, carrier frequency, eNodeB/UE Tx power, MIMO는 참고 [1] 의파라미터를 인용하였다.
  • 실시간 원격 열차 제어 설계시 예측 불가능하고 불안한 통신 지연은 열차제어 설계의 복잡도를 증가시키는 원인이 된다. 따라서 본 논문에서는 열차 속도에 관계없이 예측 가능하고 안정된 핸드오버 지연시간을 확보할 수 있는 관점에서 성능평가를 하였다.
  • 본 논문에서는 철도통합무선망인 LTE-R 망에서 국내 고속철도인 KTX 강릉선을 대상으로 예측 가능하고 안정적인 핸드오버를 수행할 수 있는 방안에 대해 논의하였다. 또한, 좀 더 현실적인 성능 시뮬레이션을 위해 KTX 강릉선의 만종역~강릉역구간을 실측하여 얻은 데이터를 바탕으로 OPNET 네트워크 시뮬레이션 환경을 구축한 후 시뮬레이션을 수행하였다.
  • 이는 OPNET 시뮬레이션 결과에서 보는 바와 같이 평균 핸드오버 지연시간에 영향을 미친다. 본 논문에서는 A3 오프셋 값에 따라 평균 핸드오버 지연시간이 불안정한 영역과 안정한 영역이 존재한다는 것을 밝혔으며, Early 핸드오버에 해당하는 최적값은 불안정한 영역에 존재한다는 것 또한 알아내었다. 본 논문의 연구결과는 국내 철도통합무선망인 LTE-R 망에서 안정적인 핸드오버를 위해서는 불안정한 영역에 있는 A3 오프셋 값을 통한 Early 핸드오버 보다는, 안정적 영역에 있는 A3 오프셋을 이용한 Late 핸드오버가 안정성을 최우선시 하는 국내 철도통합무선망인 LTE-R 망에 더 적합하다는 것을 보여주고 있다.

가설 설정

  • 라우터 또한 최대 4개의 광 링크만을 지원하여 총 7개의 라우터가 사용되었다. KTX 강릉선 열차는 만종역에서 강릉역 방향으로 운행되는 것을 가정하였고, 실측된 결과에 따라 기지국은 철로 변 좌측에 배치되었다. 기지국과 열차에 LTE-R 관련 파라미터는 실측에서 Netimizer tool을 이용하여 획득한 데이터를 반영하여 구축하였다.
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참고문헌 (14)

  1. TTA TR 06.0205, Configuration of base station for lte-r system of railway communications, Telecommunications Technology Association (TTA), 2019. 

  2. R. He, B. Ai, G. Wang, K. Guan, Z. Zhong, A. F. Molisch, C. Briso Rodriguez, and C. P. Oestges, "High-speed railway communications: From GSM-R to LTE-R," IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 11, no. 3, pp. 49-58, 2016. 

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  3. S. Barbera, K. I. Pedersen, C. Rosa, P. H. Michaelsen, F. Frederiksen, E. Shah, and A. Baumgartner, "Synchronized RACHless Handover Solution for LTE Heterogeneous Networks," in Proceeding of the International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS), IEEE, Aug. 2015. 

  4. J. H. Choi and D. J. Shin, "Generalized RACH-Less Handover for Seamless Mobility in 5G and Beyond Mobile Networks," IEEE Wireless Communications Letters, vol. 8, no. 4, pp. 1264-1267. 2019. 

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  5. A. A. M. K. Abuelgasim and K. M. Yusof, "High Speed Mobility Management Performance in a Real LTE Scenario," Engineering, Technology & Applied Science Research, vol. 10, no. 1, pp. 5175-5179. 2020. 

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  6. F. H. Khan and M. Portmann, "Joint QoS-control and handover optimization in backhaul aware SDN-based LTE networks," Wireless Networks, vol. 26, no. 4, pp. 2707-2729. 2020. 

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  7. I. Shayea, M. Ismail, R. Nordin, M. Ergen, N. Ahmad, N. F. Abdullah, A. Alhammadi and H. Mohamad, "New weight function for adapting handover margin level over contiguous carrier aggregation deployment scenarios in LTE-advanced system," Wireless Personal Communications, vol. 108, no. 2, pp. 1179-1199. 2019. 

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  8. W. Kim and D. Kim, "High-Throughput Primary Cell Frequency Switching for Multi-RAT Carrier Aggregation," IEICE Transactions on Information and Systems, vol. 102, no. 6, pp. 1210-1214. 2019. 

    상세보기

  9. E. A. Ibrahim, E. F. Badran, and M. R. M. Rizk, "A Power-distance based Handover Triggering Algorithm for LTE-R using WINNERIID2a Channel Model," in Proceeding of the Asia-Pacific Conference on Communications (APCC), IEEE, Aug. 2016. 

  10. H. J. Cho, S. J. Shin, G. E. Lim, C. S. Lee, and J. M. Chung, "LTE-R Handover Point Control Scheme for High-Speed Railways," IEEE Wireless Communications, vol. 24, no. 6, pp. 112-119, Dec. 2017. 

    상세보기 crossref

  11. 3GPP Std. TS 36.331, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC), 3GPP, 2018. 

  12. K. Saputra, N. Nazaruddin, D. H. Yunardi, and R. Andriyani, "Implementation of haversine formula on location based mobile application in Syiah Kuala University," in Proceeding of the International Conference on Cybernetics and Computational Intelligence (CyberneticsCom), IEEE, 2019. 

  13. H. Alkan, and H. Celebi, "The Implementation of Positioning System with TriLateration of Haversine Distance," in Proceeding of the 30th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), IEEE, 2019. 

  14. A. Sofwan, Y. A. A. Soetrisno, N. P. Ramadhani, A. Rahmayani, E. Handoyo, and M. Arfan, "Vehicle Distance Measurement Tuning using Haversine and Micro-Segmentation," in Proceeding of the International Seminar on Intelligent Technology and Its Applications (ISITIA). IEEE, 2019. 

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