국토교통부는 2012년부터 주요 철도 정책으로 철도전용의 통합무선망 기술 확산에 노력했다. 그 결과, 2017년 세계 최초로 LTE 기반 철도통합무선망(LTE-R)을 강릉선 KTX 노선에 (만종역-강릉역) 구축 완료하였으며, 현재 해당 구간에서 LTE-R 통신 시스템을 상용 운영 중이다. 안전하고 효율적인 열차 운행을 위하여 철도통합무선망은 그룹통화, 긴급통화, 철도전용 호처리, 무선통신 기반 열차제어를 수행함에 따라 통상적인 무선통신과 차별화된 철도전용의 통신 기능과 성능요구사항이 존재한다. 본 논문에서는 철도통합무선망이 갖춰야 하는 기능 및 성능 요구사항을 유럽 철도통합 무선망의 분석을 통하여 제시하고, 아울러 강릉선 KTX에서 실제 측정한 LTE-R 무선통신의 특성과 성능을 기반으로 현재 구축된 통신망의 적정성과 안정성에 대한 분석을 수행하였다. 해당 노선의 평균적 전파품질이 열차제어를 위한 통신 요구사항을 만족하더라도 일부 구간에서 RLF(Radio LinkFailure)와 같은 급격한 통신 성능저하를 확인하였다. 본 논문에서는 필드 테스트를 기반으로 하는 LTE-R 무선통신 분석을 바탕으로 향후 열차제어를 위한 네트워크 구축과 성능개선 방향을 제시한다.
국토교통부는 2012년부터 주요 철도 정책으로 철도전용의 통합무선망 기술 확산에 노력했다. 그 결과, 2017년 세계 최초로 LTE 기반 철도통합무선망(LTE-R)을 강릉선 KTX 노선에 (만종역-강릉역) 구축 완료하였으며, 현재 해당 구간에서 LTE-R 통신 시스템을 상용 운영 중이다. 안전하고 효율적인 열차 운행을 위하여 철도통합무선망은 그룹통화, 긴급통화, 철도전용 호처리, 무선통신 기반 열차제어를 수행함에 따라 통상적인 무선통신과 차별화된 철도전용의 통신 기능과 성능요구사항이 존재한다. 본 논문에서는 철도통합무선망이 갖춰야 하는 기능 및 성능 요구사항을 유럽 철도통합 무선망의 분석을 통하여 제시하고, 아울러 강릉선 KTX에서 실제 측정한 LTE-R 무선통신의 특성과 성능을 기반으로 현재 구축된 통신망의 적정성과 안정성에 대한 분석을 수행하였다. 해당 노선의 평균적 전파품질이 열차제어를 위한 통신 요구사항을 만족하더라도 일부 구간에서 RLF(Radio Link Failure)와 같은 급격한 통신 성능저하를 확인하였다. 본 논문에서는 필드 테스트를 기반으로 하는 LTE-R 무선통신 분석을 바탕으로 향후 열차제어를 위한 네트워크 구축과 성능개선 방향을 제시한다.
The Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korea has been trying to spread integrated railway communication network technologies based on a major railway policy since 2012. As a result, the world's first commercial Long-Term Evolution - Railway (LTE-R) network was established on the Gangn...
The Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korea has been trying to spread integrated railway communication network technologies based on a major railway policy since 2012. As a result, the world's first commercial Long-Term Evolution - Railway (LTE-R) network was established on the Gangneung line (Manjong station - Gangneung station) and has been commercially operating as a railway communication system since 2017. Special function and performance requirements are needed for safe and efficient railway operations, such as group calls, emergency calls, functional addressing, and train control based on wireless communications. In this paper, we present functional and performance railway communications requirements that are based on European wireless railway communications systems. In addition, we measured communications characteristics and performance using a KTX field test on the Gangneung line to analyze the validity and reliability of the LTE-R network. Although the average Radio Frequency (RF) conditions were satisfied in the requirements, we found sudden communications quality degradation, such as Radio Link Failure (RLF) in some railway sections. We propose a way to improve performance and network installations based on in-depth analysis of LTE-R communications field-test results.
The Ministry of Land, Infrastructure and Transport of Korea has been trying to spread integrated railway communication network technologies based on a major railway policy since 2012. As a result, the world's first commercial Long-Term Evolution - Railway (LTE-R) network was established on the Gangneung line (Manjong station - Gangneung station) and has been commercially operating as a railway communication system since 2017. Special function and performance requirements are needed for safe and efficient railway operations, such as group calls, emergency calls, functional addressing, and train control based on wireless communications. In this paper, we present functional and performance railway communications requirements that are based on European wireless railway communications systems. In addition, we measured communications characteristics and performance using a KTX field test on the Gangneung line to analyze the validity and reliability of the LTE-R network. Although the average Radio Frequency (RF) conditions were satisfied in the requirements, we found sudden communications quality degradation, such as Radio Link Failure (RLF) in some railway sections. We propose a way to improve performance and network installations based on in-depth analysis of LTE-R communications field-test results.
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문제 정의
성능 요구사항 항목 중 연결 설정 지연 시간, 연결 설정 오류율, 데이터 전달 지연 시간, 등록 지연 시간은 서킷스위칭 시스템인 2세대 이동통신 방식의 GSM-R 기준으로 규격이 제정되어 있어 패킷 스위칭 시스템인 LTE-R 에서는 해당 요구사항을 쉽게 만족함을 선행 연구를 통하여 확인하였다[2]. 따라서 본 논문에서는 해당 요구사항들의 분석을 생략한다.
본 연구에서는 LTE-R 시험선이 아닌 세계 최초로 상용 운행되는 강릉선 LTE-R을 기준으로 무선통신 특성을 수집하였고, 유럽 열차제어 무선통신시스템 연구를 통하여 도출된 성능 요구사항의 만족 여부를 측정된 LTE 무선 파라메터와 제어 메시지 분석을 통하여 수행하였다. 수집된 LTE-R의 평균적 전파특성은 양호 혹은 매우 양호한 것으로 나타났으며, 수신 전계 강도는 철도통합무선망의 요구사항을 만족하는 것으로 판단된다.
현재 강릉선에는 LTE-R을 활용하여 실시간으로 열차를 제어하는 무선통신 기반 열차제어 서비스를 수행하지 않고 관제 음성통화 서비스만을 이용하고 있다. 본 연구의 목적은 현재 강릉선의 LTE-R 무선통신특성이 높은 성능을 요구하는 열차제어서비스를 수용할 수 있을지를 검증하는 데 있다. 이를 위하여 KTX 차상 장치를 통하여 무선특성과 관련된 각종 데이터를 수집해야 한다.
철도통합무선망은 철도전용 관제통화, 철도전용 호처리, 사고 시 긴급통화, 무선통신기반 열차제어, 건널목제어 등과 같은 특수 통신 기능을 수행함에 따라, 일반적인 무선통신과 차별화된 특수한 통신 요구사항이 존재한다. 본 절에서는 철도통합무선망이 갖춰야 할 기능 및 성능 요구사항에 대하여 설명한다.
제안 방법
측정횟수가 많을수록 신뢰성 높은 데이터 분석이 가능하나, 제반 여건 미비로 인하여 본 연구에서는 1회 측정 결과를 기반으로 분석하였다. 그림 4는 강릉역에서 만종역까지 KTX 열차를 타고 왕복하면서 측정한 무선통신특성 데이터의 평균값 (Average)와 표준편차 (Standard deviation)을 표시한다.
철도통합무선망은 350Km/h의 열차 이동속도에서도 안정적이고 신뢰성 높은 통신 환경을 지속적으로 제공해야 한다. 특히 열차제어를 위한 높은 수준의 성능 요구사항이 필요한데, 이는 여타의 무선통신 시스템과 차별화되는 핵심 요구사항으로써 본 논문에서는 유럽의 열차제어 통신 시스템을 분석 정리하여 그 내용을 표 1에 담았다.
대상 데이터
본 논문에서는 현실적인 제약사항과 차상 장치가 휴대단말보다 고성능임을 고려하여 차선책으로 LTE-R 휴대단말을 통하여 무선통신특성과 관련된 데이터를 수집하였다. LTE-R 휴대단말은 삼성전자에서 제작한 SM-G888NO 단말기를 이용하였다. LTE-R 망이 폐쇄망임에 따라 코어망의 특정서버에 접속하거나 혹은 외부망과 연동된 통신서비스를 이용하는 것은 불가하다.
강릉선 LTE-R 무선통신특성을 분석하기 위하여 다음과 같은 데이터를 LTE-R 단말로부터 수집하였다. RSRP는 단말이 기지국으로부터 수신하는 참조 무선신호의 수신전력을 나타낸다.
LTE-R 망이 폐쇄망임에 따라 코어망의 특정서버에 접속하거나 혹은 외부망과 연동된 통신서비스를 이용하는 것은 불가하다. 따라서 단말의 지속적 양방향 데이터 통신 설정을 위하여 LTE-R 단말 2대를 VoLTE(Voice over LTE) 기반 고화질 비디오 통신으로 연결한 후 관련 데이터를 수집하였다. 무선통신특성을 연구하기 위한 데이터 수집 및 분석장치는 네티마이 저(Netimizer)를 활용하였다.
본 논문에서는 현실적인 제약사항과 차상 장치가 휴대단말보다 고성능임을 고려하여 차선책으로 LTE-R 휴대단말을 통하여 무선통신특성과 관련된 데이터를 수집하였다. LTE-R 휴대단말은 삼성전자에서 제작한 SM-G888NO 단말기를 이용하였다.
성능/효과
이에 국토부는 2012년 철도통합무선망 구축을 위한 기본계획을 수립하였고, 철도 주파수 연구반을 구성하여 철도전용 주파수 확보를 추진하였다. 그 결과, 4세대 이동통신 시스템인 LTE (Long Term Evolution)를 철도통합무선통신 방식으로 선정하였고, 철도통신주파수로는 700MHz 대역 (상향 718~728 MHz, 하향 773~783 MHz), 대역폭 20MHz를 할당받았다. 할당받은 주파수 대역은 재난 발생 시 재난 관련 기관의 지휘통제를 위한 국가재난안전 통신망의 주파수와 동일한 주파수 대역이다.
수집된 LTE-R의 평균적 전파특성은 양호 혹은 매우 양호한 것으로 나타났으며, 수신 전계 강도는 철도통합무선망의 요구사항을 만족하는 것으로 판단된다. 또한, 100% 핸드오버 성공률이 확인되어 핸드오버 관련된 요구사항도 충족함을 확인하였다.
RSSI신호는 트래픽 신호, 간섭 신호, 잡음 신호 모두를 포함하기 때문에 이 구간에서 간섭 혹은 잡음이 발생하여 RSRP값과 비교하여 큰 편차가 발생하였고 이로 인하여 SINR값이 크게 저하되었으리라 유추된다. 또한, 해당 구간 상/하향 BLER을 분석해보면, 그림 6과 같이 하향링크의 BLER에 비하여 상향링크 BLER이 70%까지 증가함을 알 수 있었다. 이는 해당 시점에 상향링크의 무선통신특성이 급격히 악화하였음을 알 수 있다.
본 연구에서는 LTE-R 시험선이 아닌 세계 최초로 상용 운행되는 강릉선 LTE-R을 기준으로 무선통신 특성을 수집하였고, 유럽 열차제어 무선통신시스템 연구를 통하여 도출된 성능 요구사항의 만족 여부를 측정된 LTE 무선 파라메터와 제어 메시지 분석을 통하여 수행하였다. 수집된 LTE-R의 평균적 전파특성은 양호 혹은 매우 양호한 것으로 나타났으며, 수신 전계 강도는 철도통합무선망의 요구사항을 만족하는 것으로 판단된다. 또한, 100% 핸드오버 성공률이 확인되어 핸드오버 관련된 요구사항도 충족함을 확인하였다.
5초 간격으로 지상에서 송신되는 열차제어 메시지를 단말에서 3번 이상 수신하지 못할 경우, 비상제동을 수행하는 ETCS 열차제어시스템에 큰 영향을 줄 수 있으므로 빠른 시간 내에 전송간섭을 극복하지 못한 원인 분석이 필요하다. 에러 미발생시간과 관련하여 RLF가 20초 이내에 연속적으로 발생하지 않았음을 확인하였다. 그러나 전송장애와 관련된 수집사례가 너무 적음에 따라 전송간섭시간과 에러 미발생시간과 관련되는 요구사항의 만족 여부는 장시간 테스트에 따른 추가적 관련 자료가 수집되어야 판단할 수 있다.
이번 강릉선 필드 테스트에서 모두 4번의 RLF를 확인하였는데, 모두 동일하게 하향링크 SINR은 감소하고 상향링크의 BLER은 증가함을 알 수 있었다. 이 구간 무선 채널의 품질이 악화된 구체적 원인을 파악하기 위해서는 기지국 통신 로그 기록 분석, 전파 패이딩 분석, 재난통신망과의 전파 간섭 등에 관한 추가적인 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
그림 5는 만종역에서 평창역간 무선특성을 파악하기 위하여 수집된 파라메터들의 변동을 보여준다. 특히 주목할만한 사실은 횡성역과 평창역 중간지점에서 LTE-R 단말은 RRC(Radio Resource Control) Connection Reestablishment 절차를 수행하였는데, 해당 메시지를 분석한 결과 Random access 문제로 인한 RLF(Radio Link Failure)가 발생되었음을 확인하였다. 이 구간의 무선통신특성을 분석하면, 단말에서 수신한 RSSI값과 RSRP값의 편차(53dB)가 다른지역 편차(평균 25dB)와 비교하여 큰 변화가 있었음을 알 수 있다.
평균적인 전파환경이 좋다 하더라도 측정 중 4건의 RLF가 발생하였으며, 이때 상향 및 하향 무선통신특성이 급격히 악화됨을 확인하였다. 전송간섭 시간, 에러 미발생시간, 접속손실률, 네트워크 가용성과 관련된 철도통신망 요구사항 충족 여부는 장애 관련 수집사례가 너무 적고 열차제어통신 측면에서 고려해야 할 사항 등이 많은 관계로 향후 연구과제로 남긴다.
RSRP 신호의 표준편차는 약 12 dBm으로, 수신 신호의 변동성은 조금큰 것으로 파악된다. 핸드오버는 왕복 측정구간에서 총 212번의 핸드오버를 수행하였으며, 핸드오버 성공률은 100%임을 확인하였다.
후속연구
에러 미발생시간과 관련하여 RLF가 20초 이내에 연속적으로 발생하지 않았음을 확인하였다. 그러나 전송장애와 관련된 수집사례가 너무 적음에 따라 전송간섭시간과 에러 미발생시간과 관련되는 요구사항의 만족 여부는 장시간 테스트에 따른 추가적 관련 자료가 수집되어야 판단할 수 있다.
향후 연구에서는 차선책으로 선택한 휴대용 단말이 아닌 이보다 무선 수신 성능이 뛰어난 차상 장치에 각종 검측 장비를 설치한 후 열차제어 통신서비스에 대한 장시간 무선통신특성 필드 테스트를 수행하여 통신장애요인을 선제적으로 파악하고 제거할 필요가 있다. 또한, 불가피하게 장애가 발생하더라도 추가적 무선망을 활용하여 전송경로를 효율적으로 이중화하여 장애를 극복할 수 있는 연구도 진행해야 한다.
이 결과를 바탕으로 LTE-R 통신망의 안정성을 높이고 가용성을 향상한다면 빠르고 효율적이며 안전한 철도 운송 인프라 구축에 기여할 수 있으리라 판단된다.
이번 강릉선 필드 테스트에서 모두 4번의 RLF를 확인하였는데, 모두 동일하게 하향링크 SINR은 감소하고 상향링크의 BLER은 증가함을 알 수 있었다. 이 구간 무선 채널의 품질이 악화된 구체적 원인을 파악하기 위해서는 기지국 통신 로그 기록 분석, 전파 패이딩 분석, 재난통신망과의 전파 간섭 등에 관한 추가적인 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
열차제어를 수행하는 RBC(Radio Block Center)에서 TCI까지 모든 장비를 이중화하여 통신 경로상에 장비 혹은 무선채널 장애가 발생하더라도 예비 장비로 즉각 전환되어 다양한 유형의 장애에도 대처할 수 있다. 이와 관련하여, 네트워크 가용성을 극대화하기 위하여 LTE-R망과 상용 LTE망 간 효율적 이중화 방안을 위한 후속 연구를 현재 진행 중이다.
평균적인 전파환경이 좋다 하더라도 측정 중 4건의 RLF가 발생하였으며, 이때 상향 및 하향 무선통신특성이 급격히 악화됨을 확인하였다. 전송간섭 시간, 에러 미발생시간, 접속손실률, 네트워크 가용성과 관련된 철도통신망 요구사항 충족 여부는 장애 관련 수집사례가 너무 적고 열차제어통신 측면에서 고려해야 할 사항 등이 많은 관계로 향후 연구과제로 남긴다.
즉 RLF가 반드시 통신의 접속 손실을 의미하지 않는다. 철도통합무선망의 접속손실률은 열차제어 측면에서는 손실을 고려하여야 하므로 추후 LTE-R 통신망에 열차제어 통신서비스를 적용한 후 통신 접속손실률을 추가로 분석할 필요가 있다.
향후 연구에서는 차선책으로 선택한 휴대용 단말이 아닌 이보다 무선 수신 성능이 뛰어난 차상 장치에 각종 검측 장비를 설치한 후 열차제어 통신서비스에 대한 장시간 무선통신특성 필드 테스트를 수행하여 통신장애요인을 선제적으로 파악하고 제거할 필요가 있다. 또한, 불가피하게 장애가 발생하더라도 추가적 무선망을 활용하여 전송경로를 효율적으로 이중화하여 장애를 극복할 수 있는 연구도 진행해야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GSM-R을 출범시켰으나, 현재 유럽 연합, 중국, 인도, 호주 등 일부 국가에서만 한정적으로 운영 중인 이유는?
1990년에 세계 철도연맹(UIC: Union Internationale des Chemins de fer)은 세계 최초의 철도통합무선망인 GSM-R(Global System for Mobile Communications – Railway)을 출범시켰으나, 현재 유럽 연합, 중국, 인도, 호주 등 일부 국가에서만 한정적으로 운영 중이다. 다양한 장점에도 불구하고 철도통합무선망이 특정 국가에서만 한정적으로 운영되는 이유는 기존 노선에 막대한 통신 인프라 구축비용이 든다는 점이다. 또한, 주파수 효용성이 높으며 통신영역으로 특화된 넓은 대역폭의 황금주파수를 철도용으로만 사용할 수 있도록 하는 전용 주파수 할당이 선행되어야 하는 이유도 철도통합무선망 도입에 난관이라 할 수 있다. 다양한 철도 서비스가 고도화되는 시점에 현재까지 철도통합무선망 구축을 위한 유일한 대안인 GSM-R이 2세대 이동통신 방식으로 낙후되어 있다는 사실도 여타 국가들이 신규 인프라 구축에 쉽게 나서지 못하는 이유이기도 하다.
철도통합무선망은 일반 전화번호와 다른 점은?
또한, 비상사태 시 철도 긴급통화를 통하여 특정 지역 내 모든 단말에 그 상황을 즉시 전달해야 한다. 철도통합무선망은 일반 전화번호와 달리 기능과 위치에 따라 장비에 할당된 번호를 사용하는 어드레싱 체계가 제공되어야 한다. 이는 기능 어드레싱(Functional Addressing)이라고 불리며, 주 용도는 철도 관제사가 운행 중인 열차의 번호를 이용하여 해당 열차 기관사와 통화 설정을 할 수 있게 한다.
국내 철도통신은 노선에 따라 상이한 무선통신 방식을 적용해왔는데 발생한 문제점은?
국내 철도통신은 관제통화만을 위한 음성 통신서비스를제공해왔으며, 노선에 따라 VHF(Very High Frequency), TRS(Trunked Radio System)-ASTRO, TRS-TETRA와 같은 상이한 무선통신 방식을 적용해왔다. 이는 서로 다른 망간의 연계뿐만 아니라 망의 증설, 대체, 유지보수의 어려움을 가져왔고, 대부분이 외산 장비임에 따라 통신과 신호 장비의 국외 의존도를 심화하여왔다. 이에 국토부는 2012년 철도통합무선망 구축을 위한 기본계획을 수립하였고, 철도 주파수 연구반을 구성하여 철도전용 주파수 확보를 추진하였다.
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