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용전 신
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1 ISSN (Print) / ISSN (Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 64, No. 9, pp. 1398~1405, GHz 시험주파수를이용한대불선시험선에서의 LTE-R 망최적화 Optimization of LTE-R Network using 2.6GHz Test Frequency in Daebul Test Line 곽우현 * 김용규 (Woo-Hyun KWAK Yong-Kyu KIM) Abstract - Domestic railway communication in Korea has been introduced for mutual communications among control center, operation staffs, and maintenance staffs. It has been mainly used as railway disaster and safety functions from VHF and UHF from 1980 s and TRS-Astro and TRS-Tetra from the 2000 s. Recently for urban railways communications, 18GHz and 2.4GHz ranges have been utilized for image transmissions and control command communications, respectively. This paper analyzes technical development of LTE-R, LTE communication for Railways, that has been designed as a single integrated railway wireless network in order to merge the current various communication systems. In this paper, we present the details of the examination of the LTE-R test-bed using 2.6GHz test frequency in Daebul test line through CW test and optimization test. Key Words : Electrical railway, Train control system, LTE-R, Wireless network, Railway communication. 1. 서론 국내철도통신은철도재난안전기능을중심으로관제, 운영및유지보수종사자간상호통신의목적으로사용되고있으며, 관련기술은 1980년대의 VHF(Very High Frequency), UHF(Ultra High Frequency) 기술에서 2004년고속철도에도입된국외의존 TRS(Trunked Radio Service)-Astro 방식, 경부고속선 2단계구간에적용된 TRS-Tetra 방식까지다양한기술들이현장에적용되고있다 [1, 2]. 도시철도의경우에는자동열차운영 (ATO : Automatic Train Operation) 기술의도입과함께영상정보취급을위한 18GHz 대역통신기술, 무인운전에서사용하는 2.4GHz ISM(Industrial Scientific and Medical) 대역이열차제어를위한철도무선통신으로추가되었다 [3, 4]. 일반철도및고속철도가철도재난안전기능측면의단순한철도통신기능을위해 VHF, UHF, TRS와같은통신기술을사용하는데비해, 도시철도는열차제어정보취급과함께일반, 고속철도에서사용하는 VHF, UHF, TRS 관련재난안전통신기술과승강장및역사고예방을위한 18GHz 영상통신기술까지복잡하게혼용되고있으며, 2003년의대구지하철사고이후철도분야가재난안전권고기관으로재난망과의연계를필요로함에따라철도전용무선통 Corresponding Author : ICT convergence research team, Korea Railroad Research Institute, Korea ygkim1@krri.re.kr * Railroad Electrical system Engineering Dept. Woosong Univerity, Korea Received : June 16, 2015; Accepted : August 12, 2015 신에대한필요성및시급성은더욱증가하게되었다 [5, 6]. 이는현재다중시스템으로운영중인철도통신망을모두통합할수있는과거또는국외기술이아닌국내의신기술을접목한철도전용무선통신망의구축을추진하는계기가되었으며, 미래의철도전용통합무선망관련통신기술의개발방향은국외기술에의존하지않고현재사용중인철도재난안전기능, 제어기능은물론영상및멀티미디어가가능한기술을기반으로통합된철도무선통신망을구축하는방향으로결정되었다 [7, 8]. 이를위해철도관련유관기관은국토교통부를중심으로 2010년부터철도통합무선망기술개발을위한조사및분석을시작하였고, 2012년에는철도에서요구하는기능을수용하면서세계화및재난망과의연계가가능한 LTE(Long Term Evolution) 방식의철도통합무선망개발및구축을확정하였다. 관련기술개발은철도전용주파수확보와철도에특화된 LTE 기술을의미하는 LTE-R(LTE for railway) 로정의되었다 [9]. 본논문은이러한국가철도통합무선망구축의필요성에따라기존의철도통신기술분석, LTE를사용한철도통합무선망구축에적용할기술개발을위한시험선구축, 구축된시험선의무선특성최적화등을위해시험선 LTE-R 무선망에대한지속파 (CW : Continuous Wave) 시험과기지국설비에대한최적화시험을실시하였다. 관련시험결과는철도에서필요로하는철도전용통합무선망필수조건및철도통신기능및기술개발로주어지는철도재난안전기능, 서비스품질 (QoS : Quality of Service) 및열차제어기술의개발에적용될수있으며, 본논문에서제시된최적화관련분석결과는이러한기능을안전하게실행할수있는핵심데이터로 LTE-R 지상설비및차상설비를포함한통합시스템구축의기본인프라로활용될수있다 Copyright c The Korean Institute of Electrical Engineers This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Trans. KIEE. Vol. 64, No. 9, SEP, 2015 2. 철도통신기술국내에서사용중인철도통신은철도재난안전기능측면에서는도시철도, 일반철도, 고속철도가대부분유사한방법을사용하지만, 도시철도의경우에는짧은역간거리와운전시격등으로인해다양한통신방식을사용한안전활동이추가로주어지며, 신분당선등일부노선에서는무인운전을위한추가통신방식이활용되고있다 [3].

2 Trans. KIEE. Vol. 64, No. 9, SEP, 철도통신기술국내에서사용중인철도통신은철도재난안전기능측면에서는도시철도, 일반철도, 고속철도가대부분유사한방법을사용하지만, 도시철도의경우에는짧은역간거리와운전시격등으로인해다양한통신방식을사용한안전활동이추가로주어지며, 신분당선등일부노선에서는무인운전을위한추가통신방식이활용되고있다 [3]. 일반철도는 1980년부터 VHF 시스템을사용하고있지만, 이는단순히열차안전운행을위해운영센터의관제사와기관사간의음성통신만을실행한다. VHF를활용한열차무선통신방식은무전기와같은 Point-to-Point 방식으로, 데이터통신이불가능함은물론많은음영지역으로인한통신의장애가빈번히발생함으로서상호혼신및간섭의영향이매우크며, 153MHz 대역에서 1채널당 25KHz로, 약 200KHz 정도가철도에서사용되고있다 [2]. 고속철도는일반선통과구간의 VHF와고속선구간의 TRS가혼용된시스템을사용한다. TRS 방식은고속철도개통시에국내철도에적용된통신시스템으로고속철도운행및유지보수관련열차와관제센터간의송수신을목적으로도입되었으며, 송신 MHz, 수신 MHz, 송 수신주파수간격 45MHz, 채널폭 25KHz이며, 기지국간핸드오버를고려한채널간격은 50KHz로약 1.5MHz가철도에서사용되고있다. TRS 방식도음성통화이외에는데이터통신과영상통화가불가능한특징을갖는다 [10]. 도시철도는일반철도및고속철도에적용된 VHF, TRS 이외에도무인열차제어용으로무선국개설허가가필요없는 2.4GHz ISM Band의소출력 (10mW/MHz) 기지국을이용하고있다. 이는간섭과혼신및해킹사고의위험성으로인해 방송해상항공전기통신사업용외의기타업무용무선설비기준고시 [ 전파연구소고시제 호 ] 에인명안전과관련된서비스에는사용하지말것을권고하였다 [11]. 또한영상을이용한다양한운영및유지보수를위해 18GHz 대역또는 5.8GHz ISM 대역을추가로이용하는것으로확인되었다. 따라서철도무선통신망구축을위한기술조사는이러한기존의기술적문제점과현존하는통신방식, 그리고미래에적용가능한통신방식등에대한검토를다음과같이추진하였다 [12] : WiFi 방식은북미기준으로열차제어용무선통신으로사용하지만, 속도제약, 작은커버리지문제, 전용음성통화기능부재, ISM 밴드사용에따른혼선, 안전성문제등으로주로지하철혹은도시철도영역에서만한정적인용도로적용되고있다. 반면유럽의일반및고속철도에서사용중인 GSM(Global System for Mobile) 방식은유럽열차제어시스템에사용되고있지만, 20년전에규격화된 2세대통신방식으로주파수이용효율성이낮고, 철도서비스고도화를위한각종어플리케이션적용불가능이주요문제점으로제기되었다. TRS 방식은음성통화는문제가없지만, 열차제어신호전송시의지연시간과고속데이터전송, 영상및멀티미디어적용불가능의문제점이확인되었다. 국내기술로개발된 WiBro (Wireless Broadband) 방식은철도전용통합무선망의요구조건대부분을수용함으로서철도통신망구축을위한최적의통신방식으로검토되었지만, 세계화의측면에서기술고립을피할수없는현실에직면하였다. 이러한분석결과를기반으로 LTE 방식을최종적으로철도통합무선망에가장적합한무선통신방식으로 결정하였다 [13]. 이는철도환경에대응하기위하여필요한추가기능을포함한 LTE라는의미의 LTE-R (Railway) 을정의하고 [14], 미래창조과학부에서할당한 2.6GHz 시험주파수를활용하여철도공사의대불선 12km 구간에서시험망구축을 2012년 4월부터착수하였다 [15]. 시험망구축은시험주파수인 2.6GHz 주파수분할다중화방식 (FDD : Frequency Division Duplexing) 10MHz 주파수폭을사용하였으며, 이를바탕으로전국주요거점을연결해하나의도시권으로철도를통합하기위해국토해양부에서추진중인제2차국가철도망구축계획의기반인미래의무선기반철도통신사전연구의성격으로추진되었다 [16]. 그림 1 철도통신기술의진화 Fig. 1 The evolution of railway communication technology GHz LTE-R 망구축및 CW 시험 철도전용통합무선망개발및시험을위해 도시철도용무선통신기반열차제어시스템성능평가및표준화 국가연구개발사업과차세대전동차성능시험연구에사용중인한국철도공사의대불선을 LTE-R 시험선으로선정하였다 [17, 18]. 관련시험선에대한특성과적용예정인 LTE-R 시험주파수는아래의 [ 표 1] 과 표 1 LTE-R 대불시험선및시험주파수특성 Table. 1 Characteristics of Daebul test line and frequency 선 로 노선명 대불선 ( 일로역 대불역 ) 최대곡선반경 R 400m 최대구배 12/1,000 [ ] 터널길이 2.264m 교량길이 3.296m 최대운영속도 90km/h LTE-R 주파수 시험국승인 무선국유형 실용화시험국 ( 실험국용 ) 주파수대역 대역폭공중선전력통신방식 Tx : MHz Rx : MHz 상하각각 5MHz 20W LTE-FDD 2.6GHz 시험주파수를이용한대불선시험선에서의 LTE-R 망최적화 1399

전기학회논문지 64 권 9 호 2015 년 9 월 같다. 대불선에 LTE-R 시험망을구축하기위해서는철도에서요구하는철도통신요구조건을수행할수있도록전파의끊김없이망을구성해야하며, 이를위해서는우선적으로전파의연속성을측정하기위한 CW 시험을실시한후, 이에부합하는기지국을구축해야한다. 표 2 CW 시험용장비 Table.

5 dbi Loss : 3.3 db 수신기 Frequency : 2.5 2.7GHz Coyote GPS - Rx(Receiver) antenna(omni) Cable & connector Frequency : 2.5 2.7GHz Gain : 4 dbi Loss : 2 db Received Signal Strength Indication) 를측정하였다.

83 126.46 3 Yagi Can_5 RRU 34.81 126.47 4 2 Sector Can_6 RRU 34.81 126.47 8 2 Sector Can_7 RRU 34.80 126.46 8 2 Sector Can_8 RRU 34.78 126.45 8 2 Sector Can_9 RRU 34.77 126.

2 Test road amp for CW 대불선의 CW 시험은무인운전열차제어시험용으로임대, 개조하여운행중인경의선전동차를이용하여사전시험망조사시에파악된터널, 교량, 역구간, 직선구간, 곡선구간, 등선로의지형관련데이터에대해각각진행하였다. 위의 [ 표 2] 와 [ 그림 2] 는각각의 CW 시험관련장비및측정위치를나타낸다.

3 전기학회논문지 64 권 9 호 2015 년 9 월 같다. 대불선에 LTE-R 시험망을구축하기위해서는철도에서요구하는철도통신요구조건을수행할수있도록전파의끊김없이망을구성해야하며, 이를위해서는우선적으로전파의연속성을측정하기위한 CW 시험을실시한후, 이에부합하는기지국을구축해야한다. 표 2 CW 시험용장비 Table. 2 Test equipment for CW 송신기 CW generator Frequency : GHz Power : 40 dbm Power reflection meter - Tx(Transmitter) antenna(omni) Cable & connector Frequency : GHz Gain : 10.5 dbi Loss : 3.3 db 수신기 Frequency : GHz Coyote GPS - Rx(Receiver) antenna(omni) Cable & connector Frequency : GHz Gain : 4 dbi Loss : 2 db Received Signal Strength Indication) 를측정하였다. 표 3 CW 시험위치 Table. 3 Test location for CW Site Type 위도경도 안테나높이 (m) 안테나 Type Can_1 RRU Sector Can_2 RRU Sector Can_3 RRU Sector Can_4 RRU Yagi Can_5 RRU Sector Can_6 RRU Sector Can_7 RRU Sector Can_8 RRU Sector Can_9 RRU Sector (a) Measurement location (b) Measurement RSSI 그림 2 CW 시험구성도 Fig. 2 Test road amp for CW 대불선의 CW 시험은무인운전열차제어시험용으로임대, 개조하여운행중인경의선전동차를이용하여사전시험망조사시에파악된터널, 교량, 역구간, 직선구간, 곡선구간, 등선로의지형관련데이터에대해각각진행하였다. 위의 [ 표 2] 와 [ 그림 2] 는각각의 CW 시험관련장비및측정위치를나타낸다. 수신기 (Rx) 는시험열차의후미운전석에, 송신기 (Tx) 는사전조사된시험선의각각의측정위치에설치하여수신신호강도지수 (RSSI : (c) Measured results 그림 3 대불역에서의시험예 Fig. 3 Test case in Daebul station 대불선전체의측정결과에따라 [ 표 3] 에서제시한 CW 시험측정위치는망구축에필요한전파의연속성, 강도, 세기등을고려하여 [ 표 4] 와같이수정되었다. 이는대불선시험선이열차운행영업선이라는특수한환경에따른접근성, 안전성, 그리고전차선주와선로변지지물등에따른전파의방향등을고려하였으며, 특히전차선주의최대높이가 7m로제한됨에따라모든 1400

Trans. KIEE. Vol. 64, No. 9, SEP, 2015 표 4 수정된안테나위치및방향 Table. 4 Modified location and orientation of antenna Site Type 위도경도 안테나높이 (m) 안테나 Type Can_1 RRU 34.84 126.47 7 2 Sector Can_2 RRU 34.83 126.

45 4 2 Sector Can_9 RRU 34.77 126.43 7 2 Sector (a) Deployment of LTE-R network 가제시한 LTE-R 구축시의고비용화문제를해결하기위한대안으로제시되었다.

4 Trans. KIEE. Vol. 64, No. 9, SEP, 2015 표 4 수정된안테나위치및방향 Table. 4 Modified location and orientation of antenna Site Type 위도경도 안테나높이 (m) 안테나 Type Can_1 RRU Sector Can_2 RRU Sector Can_3 RRU Sector Can_4 RRU Yagi Can_5 RRU Sector Can_6 RRU Sector Can_7 RRU Sector Can_8 RRU Sector Can_9 RRU Sector (a) Deployment of LTE-R network 가제시한 LTE-R 구축시의고비용화문제를해결하기위한대안으로제시되었다. LTE-R 망은관련데이터를네트워크장비로송신하는역할을하는 DU(Digital Unit) 와단말기로부터전파를수신하여무선을처리하는안테나역할을하는 RU(Radio Unit) 가완전히분리되어있으며, 한개의 DU당 3 9개의 RU를수용한다. 대불선시험선에서는 [ 그림 4] 와같이 DU(Digital Unit) 2 대와 RRU(Remote Radio Unit) 9대를선로변에설치하였다 [19,20]. 여기서 RRU는전차선주에설치된 RU의방향을원격에서조정하여열차운행시의전차선주접근에따른인명안전을보장하기위한원격제어기능을갖는 RU로철도의특수한환경을고려하여일반적인 RU와의차별화를시도하였다 GHz LTE-R 망최적화 LTE-R 시험망최적화는측정용컴퓨터, DM(Netimizer DML) 및 GCT사와삼성전자의 USB(Universal Serial Bus) Dongle을이용하여아래표와같은품질지표를적용하여최적화를진행하였다 [21. 22]. 본논문은삼성전자의 USB Dongle을이용한측정결과와 GCT사의 USB Dongle을이용한측정결과가유사하게제시됨에따라, GCT사의 USB Dongle을이용한측정결과로최적화관련분석을실시하였다 [21]. 아래의 [ 표 5] 는상용망에서사용되는 LTE의무선품질지표및허용값을나타낸다. LTE-R이세계에서처음으로개발, 시험됨으로서관련기준이없기때문에본논문에서는 [ 표 5] 와같은상용망의 LTE 기준을적용하였다. 이는철도분야의특성을고려하여향후영업선시운전시험을통해구체적으로확정되어야할것을예상된다. 여기서 RSSI, RSRP, RSRQ, SNR, 및 CQI는각각수신신호강도지수 (RSSI : Received Signal Strength Indication), 단말에수신되는 reference 신호전력 (RSRP : Reference Signals Received Power), 단말에수신되는전력대비 reference 신호전력비 (RSRQ : Reference Signals Received Quality), 신호대잡음비 (SNR : Signal to Noise ratio), 채널품질표시기 (CQI : Channel quality Indicator) 를의미한다. 표 5 무선품질지표및허용값 Table. 5 Mobile quality index and allowable value (b) Installation Drawings of DU and RRU 그림 4 대불선의 LTE-R 망구성도 Fig. 4 LTE-R network diagram in Daebul line 안테나의높이는 7m를초과하지않도록수정하였다. CW 시험결과를기반으로철도전용통합무선망 LTE-R의기술개발을위한대불선시험선구축은미래창조과학부에서분배한 2.6GHz 시험용주파수와연관된부품을제외한대부분은이미국내의이동통신에서상용화된범용 LTE 망장비를이용하여연구개발을추진하였다. 이는중복적인기술개발의방지와철도통합무선망의시급성에따라조기에 LTE-R 기술개발완료와 Alcatel lucent 허용값 지표 강전계 약전계 RSSI -65 db 이상 -100 db 이하 RSRP -80 db 이상 -100 db 이하 RSRQ -5 db 이상 -15 db 이하 SNR 15 db 이상 0 db 이하 CQI 10 db 이상 5 db 이하 1차최적화시험은대불선 12km 시험선구간전반에설치된 RRU #1 #9에대해실시하였다. 모든구간의양방향에서핸드 오프시험결과가정상적으로확인되었지만, 4개구간에서는부 분적인약전계가확인되었다 [22] : 첫번째는 RRU #3 #4번핸 드오프시에 RRU #3 무선주파수환경이열화되고 (SNR 0), 파일 2.6GHz 시험주파수를이용한대불선시험선에서의 LTE-R 망최적화 1401

전기학회논문지 64권 9호 2015년 9월 (a) Measured results in radio shadow area 간에서 무선주파수 환경(RSRP, SNR,

첫 번째로, RRU #4를 터널에 적 용할 목적으로 터널 입구의 야기 안테나를 터널 방향으로만 서비 스하도록 함에 따라 RRU #3 신호와 Back loop 신호가

이에 따 라, RRU #4가 터널쪽의 RRU #5 #6 방향으로만 서비스하므로 RRU #3의 방향을 터널 입구쪽으로 좌우 변경(190도 180도) 한 후 측정한

두 번째로 RRU #6 #7 구간의 핸드오 프 ping pong 구간은 RRU #6 2도 13도로 변경, RRU #7 2 도 6도로 변경한 결과, 핸드오버 구간

마지막으로 영산강 교량구간의 무선환 (b) Measurement of RF environment (a) Third optimization test results

5 전기학회논문지 64권 9호 2015년 9월 (a) Measured results in radio shadow area 간에서 무선주파수 환경(RSRP, SNR, CQI)이 약전계 구간으로 측 정되었다. 관련 내용은 [그림 5]와 같다. 2차 최적화는 1차 최적화 시험시 문제가 된 4개의 지역에 대 한 해결 방안으로 추진되었다. 첫 번째로, RRU #4를 터널에 적 용할 목적으로 터널 입구의 야기 안테나를 터널 방향으로만 서비 스하도록 함에 따라 RRU #3 신호와 Back loop 신호가 핸드오프 되어 무선 주파수 환경이 급변하는 것으로 추정되었다. 이에 따 라, RRU #4가 터널쪽의 RRU #5 #6 방향으로만 서비스하므로 RRU #3의 방향을 터널 입구쪽으로 좌우 변경(190도 180도) 한 후 측정한 결과, RRU #3 핸드오버시의 데이터 저하구간 거리 가 단축됨을 확인하였다. 두 번째로 RRU #6 #7 구간의 핸드오 프 ping pong 구간은 RRU #6 2도 13도로 변경, RRU #7 2 도 6도로 변경한 결과, 핸드오버 구간 통화중 절단율(Call drop) 현상이 발생하였다. 마지막으로 영산강 교량구간의 무선환 (b) Measurement of RF environment (a) Third optimization test results (c) Measurement of RSSI (b) Fourth optimization test results (d) Measurement of RSRP 그림 5 1차 최적화 시험 결과 Fig. 5 First optimization test results 전송규약(FTP: File Transfer Protocol) 다운링크 속도가 저하되 다가 RRU #4 핸드오프가 성공한 이후에 FTP 다운링크 속도가 복구되었다. 두 번째는 터널구간 FTP 다운링크 스루풋이 Mbps로 측정되었고, 세 번째는 RRU #6 #7 구간에서 핸드오프 Ping Pong이 발생되어 스루풋이 저하되었다. 마지막으로 교량구 1402 (c) Measured results of Data Throughput 그림 6 LTE-R 망 최적화 결과 Fig. 6 Optimization results of LTE-R network

Trans. KIEE. Vol. 64, No. 9, SEP, 2015 경개선을위해 RRU #7은교량방향상하 3도 0도로, RRU #8은교량방향좌우 35도 0도로조정하였다. 그러나, RRU #7의측정결과, 음영구간과통화중절단율현상이발생하였지만, 전압정재파비 (VSWR : Voltage Standing Wave Ratio) 은이상이없음을확인하였다.

RRU #7 #8 핸드오버구간에서단락사고가발생하였다. 분석결과, 단락사고발생구간에서 RSSI 환경은양호하나핸드오버실패로인한단락사고현상이 Optic delay에의한것으로추정되어지연보상파라메타를확인하였지만, 이상이없음을확인하였다. 4차최적화는 RRU #7 #8 간의 2.

6 Trans. KIEE. Vol. 64, No. 9, SEP, 2015 경개선을위해 RRU #7은교량방향상하 3도 0도로, RRU #8은교량방향좌우 35도 0도로조정하였다. 그러나, RRU #7의측정결과, 음영구간과통화중절단율현상이발생하였지만, 전압정재파비 (VSWR : Voltage Standing Wave Ratio) 은이상이없음을확인하였다. 3차최적화는 RRU #6 #7 구간핸드오버 ping pong 및음영구간개선목적으로 RRU #6(248) V2 13도 4도로변경, V2 좌우 210도 220도로변경, RRU #7(392) V2 교량방향상하 0도 3도로변경하고, V1,2를 20cm 상향조정한후, 측정한결과, 다운링크스루풋 5 9Mbps로핸드오버 ping pong 및음영구간개선됨을확인하였지만, RRU #7 #8 핸드오버구간에서단락사고가발생하였다. 분석결과, 단락사고발생구간에서 RSSI 환경은양호하나핸드오버실패로인한단락사고현상이 Optic delay에의한것으로추정되어지연보상파라메타를확인하였지만, 이상이없음을확인하였다. 4차최적화는 RRU #7 #8 간의 2.8Km로 RSRP dB인교량구간약전계구간이며단락사고가발생하였다 (GCT사의 USB Dongle 80%, 삼성전자의 USB Dongle 10% 단락사고발생 ). 이구간은무선환경이열악하지만유독 GCT사의 USB Dongle에서자주단락사고가발생하여 GCT사에분석을요청하였다. 그리고 RRU #7 셀적용범위가열약하게측정되어 RRU #7은 V2 교체및 40cm 상향조정과 RRU #8 3.5m 상향조정하였다. RRU 조정작업후 RSRP는 -100 초반에서 -90후반으로조금개선되었고, 10회반복측정한결과 (a) Additional installation of RRU (b) Deployment of modified LTE-R network 그림 7 대불선 LTE-R 망의최적화결과 Fig. 7 Optimization results of LTE-R network in Daebul line 보류중인데이터스루풋구간은있으나단락사고는발생하지않았다. 이러한최적화결과를기반으로 LTE-R 종단단말간연결설정지연시험판정기준인철도긴급전화와동일구역내기관사간의그룹통화는물론향후열차제어용무선통신정보송수신필수조건을만족하기위해서는추가적인 RRU의설치가필요함을확인하였다. 초기에는 2.2km의긴터널구간에서문제점이발생할것으로예상되었지만, 측정결과는영산강위에설치된교량에서전파의전파간섭현상이발생한다는것을확인하였다. 따라서안정성을갖는철도통신의성능보장을위해 [ 그림 7] 과같이추가로 RRU를설치한후, 관련 LTE-R 망구성을수정하였다. 5. 결론본논문은국내에서사용중인다중의철도통신방식을음성, 영상, 멀티미디어는물론열차제어및고용량데이터전송이가능한단일화한철도전용통합무선망구축에필요한철도통신방식의분석을통해 LTE 방식을철도에적용한 LTE-R의기술검토를실행하였다. LTE-R 기술의영업선적용은현재까지세계적으로전무한상태에서관련기술의활용가능성및철도특화기술개발을위한성능검증의필요성에따라한국철도공사의대불선영업선 12km을시험선으로선정한후, LTE-R 망구축을위한설계를실시하였다. 설계값은철도의선로를따라곡선구간, 교량구간, 터널구간등으로전파의연속성및약전계등다양한변수에대해항상최적의전파특성을보장하기위해관련망의전파특성분석및최적화시험을통해완전한기지국구축을필요로하였다. 본논문에서는이러한전파특성을위해 CW 시험과최적화를연구, 분석하였다. CW 시험결과는설계에서주어진값이시험선열차운행환경에서접근성, 안전성, 전차선주와선로변지지물등에따른전파의방향등이고려되지않음으로서발생된약전계를해소하기위해설계를수정하였고, 전차선주의최대높이가 7m 로제한됨에따라모든안테나의높이는초기의설계높이최대 10m를전차선주높이에부합하는 7m 이하로수정하였다. 이를기반으로한최적화특성분석은총 4차에걸쳐실시되었다. 1차에서는 4개영역에서약전계가발생하였고, 관련원인분석을통해 2차, 3차최적화작업을실행한결과는핸드오버구간통화중절단율현상이발생하였지만, VSWR은이상이없음을확인하였다. 이후 4차최적화에서 10회반복측정한결과보류데이터스루풋구간은있으나 Drop Events는발생하지않았다. 이는열차제어측면의안정적인전파특성을유지하기위해보류중인데이터스루풋이발생하는지역에추가적으로기지국을설치함으로서완전한전파특성을갖는 2.6GHz LTE-R 무선망을구축하는데성공하였다. 결론적으로철도통신망구축은철도노선의특성으로주어지는특수한환경으로인해각각의노선에부합하는전파특성의시험및최적화작업이필수적이며, 이러한분석을통해열차운행시의철도전용통합무선망에서요구하는열차제어, 음성, 영상, 멀티미디어및고속, 고용량데이터전송등의시험및연구개 2.6GHz 시험주파수를이용한대불선시험선에서의 LTE-R 망최적화 1403

7 전기학회논문지 64 권 9 호 2015 년 9 월 발이추진될수있을것으로예상된다. 이는향후주파수대역변경, 대역폭의확장, 기타공공주파수관련정책변화와함께철도, 재난, 해양등다부처가공동주파수를이용하는경우에도철도의안전관련핵심요구기능을안정적으로실행하는핵심데이터로활용될수있을것으로기대된다. 감사의글본연구는국토교통부미래도시철도기술개발사업과한국철도기술연구원주요사업 ICT 기반열차운행안전성및운영효율화향상기술개발 의연구비지원으로수행되었습니다. References [1] J.Y. Choi, K.H. Kim, Y.K. Kim, S.H. Kim, Y.S. Choi, Review of Domestic and Foreign Integrated Wireless Network for Railways, 2012 Spring conference of the korean society for railway, Mokpo, korea, pp , [2] S.H Lee, S.G. Kim, A Study of Wireless Communication Network Constructing Policy Plan for an Efficient Railroad System Infrastructure, Journal of the Korean Society for Railway, Vol 16, No 4, pp , [3] Y.K. Yoon, Y.K. Kim, Meeting of Wireless information communication technologies and train control technology and development of future train control system, Railway journal, Vol 12, No 4, pp 21-29, [4] Pascoe. R, & Eichom, What is communication based train control, IEEE Vehicular Technology magazine, Vol 4, pp 16-21, 2009 [5] D.K. Park, Report of the study on the frequency allocation for the future railway Integrated Wireless Network constructing, Korea Communication Agency, [6] Y.K. Kim, Review of current and future technology for train control system, The korean institute of electrical engineers, Vol 57, No 7, pp 20-26, [7] Y.K. Kim, K.H. Kim, D.K. Park, "A Study on the Problem Analyses and Improvement Plan for the Korean Railways Communication Networks", Journal of the Korean Society for Railway, Vol 16, No 6, pp , [8] O. Andre, "LTE and its application in railways", Cambridge workshop, [9] K.H. Kim, Y.K. Kim, Y.K. Yoon, E.K. Chae, "A Study on the Utilization Plans of Integrated Wireless Network for Railways", Journal of the Korean Society for Railway, Vol 16, No 5, pp 20-26, [10] D.K. Park, S.Y. Lee, B.S Yoon, Y.K. Kim, "Proposal of Wireless Communication Method and Candidate Frequency Band for Constructing the Integrated Radio Networks for Railroads", Journal of the Korean Society for Railway, Vol 16, No 6, pp , [11] Y.S. Choi. "Report of the study on the national Integrated Wireless Network constructing for railway", Moon Engineering, , [12] B.S Yoon, J.S. Kim, S.J Lee, K.H. Kim, Y.K. Kim, D.K. Park, "Technologies and Standards of Future Railway Mobile Telecommunication", Journal of the Korean Society for Railway, Vol 16, No 6, pp , [13] P. HAUSKEN, 'On board internet connecting non-safety critical systems", special pre-conference LTE workshop, RAILTEL, Vienna, [14] Y.S. Song, G.Y. Kim, Y.K. Kim, "UIC standardization of future railway wireless communication", Korea Railroad Technology, pp 22-28, [15] Y.S. Song, Y.K. Kim, J.H. Baek, Development of LTE-R for Unifying National Railroad Wireless Communication, Journal of the Korean Society for Railway, Vol 16, No 6, pp , [16]Y.K. Kim, Y.S. Song, A.R. Cho, "Standardization of next generation railroad wireless communication", KICS Summer conference 2013, Jeju, Korea, pp , [17] W.S. Jeong, Y.S. Song, Y.K. Kim. A.R. Cho, "A study on the feasibility test of LTE-R for unifying national railroad wireless communication", KICS Summer conference 2013, Jeju, Korea, pp , [18] J.Y. Kim, Y.S. Song, H.Y. Cchoi, W.S. Jeong, Y.K. Kim, 'Study on quality of service requirement and verification methodology for railway-dedicated wireless communication system", KICS Winter conference 2014, Yongpyong, Korea, pp , [19] J.Y. Choi, A study on the optimization of antenna installation for national railroad wireless communication network(lte-r), Ph.D thesis, WooSong Univsersity, [20]Y.K. Kim, "Report of Standard system and performance assessment for radio based train control system of urban transit system", The Ministry of Construction and Transportation, [21] W.S. Jeong, Y.S. Song, Y.K. Kim, B.K. Shim, "A syudy on decreasing radio shadow area and handover between 3GPP and Non-3GPP network in the integrated wireless network for railways", KICS Winter conference 2014, Yongpyong, Korea, pp ,

2014년우송대학교대학원철도시스템학과박사과정현재국토교통부철도안전정책관실안전감독관 E-mail : kwau3716@korea.

8 Trans. KIEE. Vol. 64, No. 9, SEP, 2015 저자소개 곽우현 (Woo-Hyun KWAK) 2007년서울과학기술대학교철도대학원전기철도신호공학과졸업 ( 석사 ) 2014년우송대학교대학원철도시스템학과박사과정현재국토교통부철도안전정책관실안전감독관 kwau3716@korea.kr 김용규 (Yong-Kyu KIM) 1987년단국대학교대학원전자공학과졸업 ( 석사 ) 1993년프랑스로렌국립공학원 (INPL) 제어공학과졸업 (DEA) 1997년프랑스로렌국립공학원 (INPL) 제어공학과졸업 ( 박사 ) 현재한국철도기술연구원수석연구원 ygkim1@krri.re.kr 2.6GHz 시험주파수를이용한대불선시험선에서의 LTE-R 망최적화 1405

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method