2016 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2016S072 ETCS Level 2 기반열차제어시스템성능확보를위한 LTE-R 성능파라메터분석에관한연구 A study on the Analysis of LTE-R Performance Parameter for Performance Achievement of ETCS Level 2 based Train Control System 이재홍 *, 지정근 *, 김창훈 *, 박주훈 ** Jaehong Lee *, Jeongkun Ji *, Changhun Kim *, Juhun Park * * Abstract Train Control in ETCS(European Train Control System) Application is operated by GSM- R(Global System for Mobile Communications Railway) method, and interface methods between ETCS and GSM-R are described in ETCS Subset specification However, LTE-R(Long Term Evolution-Railway) network is recently being applied on behalf of GSM-R network for radio based communication method of train control in Korea and Foreign Country. In this paper, we analyzed interface method between ETCS and GSM-R described in ETCS subset specification and suggested LTE-R application method in ETCS Level 2 based train control system. Also, analysis of LTE-R performance parameter is performed in order to secure performance of train control system applied to LTE-R method. Keywords : ETCS, GSM-R, LTE-R, Train Control System, Performance Parameter 초록유럽형열차제어시스템 (European Train Control System : ETCS) 은열차제어를위해사용하는무선통신으로 GSM-R(Global System for Mobile Communications Railway) 방식을사용하고, ETCS Subset 사양에서는 ETCS 와 GSM-R 간의인터페이스방식을언급한다. 그러나최근국 내외에서는열차제어용통신방식으로 GSM-R 을대신해서 LTE-R(Long Term Evolution-Railway) 방식을적용하고있는추세이다. 본논문에서는 ETCS Subset 사양에서제시하고있는 ETCS 와 GSM-R 간의인터페이스방식을분석하고, ETCS Level 2 기반열차제어시스템에서 LTE-R 방식을적용할수있는방법을제시하였다. 또한 LTE-R 방식이적용된열차제어시스템의성능확보를위해서 LTE-R 파라메터에대한분석을수행하였다. 주요어 : ETCS, GSM-R, LTE-R, 열차제어시스템, 성능파라메터 1. 서론 유럽에서는 2000년대초반부터열차운행의상호호환성및운행효율을개선하기위해철도전용무선통신기술인 GSM-R을채택하여열차제어분야에적용하고있다. 유럽의철도교통관리시스템 (ERTMS : European Railway Traffic Management System) 은열차제어시스템인 ETCS, 무선통신시스템인 GSM-R, 교통관리시스템인 ETML(European Traffic Management Layer) 로구성된다. 교신저자 : 유경제어 ( 주 ) 기술연구소 (jkji@daum.net) * 유경제어 ( 주 ) 기술연구소 ** 한국철도공사기술연구처
ERA(European Railway Agency) 에서는 ERTMS의구성항목중에하나인 ETCS에대해서 Subset 사양을정의하여배포하고있는데, Subset 037, 039등의사양에서는 ETCS와 GSM-R 간인터페이스사양을제시하여 ETCS Level 2 Application에서 GSM-R을사용하기위한기술적요구사항을언급하고있다. [1-2] 그러나최근유럽을포함한국내 외에서는 GSM-R을대신하여차세대무선통신인 LTE-R을 ETCS Level 2 기반열차제어시스템에적용하기위한노력을기울이고있다. 따라서, GSM-R과관련된 ETCS Subset 사양을사전분석하고, 사전분석된내용을바탕으로 ETCS Level 2 시스템에 LTE-R 방식을적용할수있는방안을도출할필요가있다. 2. 본론 2.1 ETCS Level 2 Application 및인터페이스사양 2.1.1 ETCS Level 2 Application ETCS는열차제어방법및구성장비에따라 Level 1, Level 2, Level 3로구분된다. ETCS Level 1은전방의신호정보를발리스를통해차상장치로전송하여열차를제어하는방식이고, ETCS Level 2는전방의신호정보를무선폐색센터 (Radio Block Center : RBC) 에서이동권한으로생성하고무선통신을활용하여연속적으로열차를제어하는방식이며, ETCS Level 3는 Level 2와구성이동일하지만고정폐색이아닌이동폐색을적용하여완전한무선통신으로열차를제어하는방식이다.[3] 무선통신방식을 GSM-R로사용하는 ETCS Level 2 구성도는다음 Fig. 1과같다. [4] Fig. 1 Schematic overview of ETCS Level 2 architecture 위 Fig. 1에서와같이지상의궤도회로 (Track Circuit) 및선로전환기 (Point machine) 를통해서생성된열차점유정보및진로정보는신호기계실 (Signalling equipment room) 에설치된연동장치 (Interlocking) 로전송되고연동장치는열차의점유정보, 진로정보등을연산하여무선폐색센터로전송한다. 무선폐색센터는연동장치로부터수신된정보와철도교통관제시스템 (Traffic Management System) 에서수신된제어명령, 기타지리적조건등을연산
하여주행중인열차가이동할수있는거리인이동권한 (Movement Authority : MA) 정보를생성한다. 이렇게생성된이동권한정보는 GSM-R 무선네트워크를통해서차상의 OBU(On- Board Unit) 에전송되고 OBU는무선폐색센터로부터수신된이동권한정보와차량고유의특성정보, 지상의유로발리스 (Euro Balise) 로부터수신된위치정보, 지리적정보등을연산하여열차속도를제어한다. 2.1.2 ETCS Architecture 에서의인터페이스사양 ETCS Subset 026 System Requirements Specification의 2장 Basic System Description에서는아래의 Fig. 2와같이 ETCS On-board의 EURORADIO와 GSM-R Mobile 간인터페이스, ETCS Trackside의 RBC내 EURORADIO와 GSM-R network 간인터페이스를제시한다. [3] Fig. 2 ERTMS/ETCS system and its interfaces(baseline 3) 위 Fig. 2에서와같이 ETCS On-board의 EURORADIO와 GSM-R Mobile 간인터페이스는 Subset-037 사양과 A11T6001 사양을제시하고, ETCS Trackside의 RBC내 EURORADIO와 GSM-R network 간인터페이스는 Subset-037 사양을제시한다. ETCS Application과 GSM-R 설비간의인터페이스사양인 Subset-037 사양과 A11T6001 사양은다음 Table 1과같다. Table 1 Subset-037 & A11T6001 specification(baseline 3) Reference Title Version Subset-037 EuroRadio FIS 3.1.0 A11T6001 (MORANE) Radio Transmission FFFIS for EuroRadio 12.4
위 Table 1에서제시하는 Subset-037 Euro Radio FIS(Functional Interface Specification) 에서는 ETCS Level 2/3 Application에서지상과차상간안전-관련 (Safetyrelated) 프로세스가적용된메시지교환에대한내용을언급한다. A11T6001 Radio Transmission FFFIS(Form Fit Functional Interface Specification) for Euro Radio에서는 Euro Radio와 GSM-R 네트워크망간의인터페이스요구사항, 물리적또는전기적특성, 프로토콜및절차등에대한내용을언급한다. [5] 2.2 ETCS Application 과 GSM-R 간의인터페이스요구사항분석 2.1.2절에언급된 Baseline 3 기반 Subset-037 & A11T6001 사양에서는다음 Fig. 3과같이OBU와 RBC 간통신에서요구되는 GSM-R 인터페이스및프로토콜에대해정의한다. [5] Fig. 3 OBU-RBC communication based on the GSM-R network Fig.3에서와같이, ETCS Application 계층과 GSM-R 계층사이에는 Euroradio 프로토콜계층이존재한다. Euroradio 프로토콜계층은메시지의인증, 데이터영역화, 재조합, 에러- 체크, 데이터손실, 데이터재전송기능을제공한다. 그러므로 Euroradio 프로토콜계층은무선네트워크에서발생하는모든에러에대해서신뢰성을보장하는데이터전송메커니즘을포함해야한다. OBU-RBC 간인터페이스사양은 GSM-R과 ISDN(Integrated Services Digital Network] 방식으로정의되기때문에데이터전송은패킷방식을사용한다. [4] 2.3 ETCS Application 에서의 LTE-R 방식의적용방안 현재의 GSM-R 기반 ETCS Application은통신프로토콜 (Communication Protocol) 을 OSI Open System Interconnection] 을사용한다. 그러나 LTE-R 방식에서통신프로토콜은다음 Fig. 4와같이 IP 프로토콜을사용한다. [6]
Fig. 4 ETCS over GSM-R & LTE communication technologies ETCS Application에 LTE-R을적용하기위한하부장치들로는크게 User Equipment(UE), E- UTRAN NodeB(eNodeB), EPC(Evolved Packet Core) 로구성된다. UE는철도시스템에서열차에설치된무선모듈을제어하는장치이고, enodeb는무선커버리지를제공하고, 무선자원을관리하며패킷을스케줄링하는기지국이다. 마지막으로 EPC는 LTE-R 망에서코어장비로써높은데이터전송률과낮은지연시간을갖는엑세스망을지원하는장비이다. EPC는 S- GW(Serving Gateway), P-GW(PDN Gateway), MME(Mobility Management Entity), HSS(Home Subscriber Server) 로구성되는데, S-GW는데이터패킷을전송하고 enodeb간또는 LTE 망과다른 3GPP망간의핸드오버시기준점 (anchor point) 을제공하고, P-GW는단말과외부데이터망사이의연결성 (connectivity) 를제공하며 LTE 망과 non-3gpp 망간의핸드오버시기준점을제공한다. 이러한 LTE-R 하부장치를활용하여 ETCS Level 2 기반 OBU-RBC 간통신구성 ( 안 ) 은다음과같다. [7-9] Fig. 5 Proposed OBU-RBC communication based on the LTE network
Fig. 5에서는 OBU-RBC 간 LTE-R 방식의통신을위해새로운프로토콜스택 (Protocol Stack) 을적용하였다. OBU/UE의프로토콜스택및 RBC의프로토콜스택에서 UDP(User Datagram Protocol) 을적용하였는데, UDP 방식은 TCP(Transmission Control Protocol) 에비해열차의운용이빈번한 ETCS Application 노선에서유용하게사용된다. LTE-Uu는 UE와 enodeb 간인터페이스이며 Packet Data Convergence Protocol(PDCP), Radio Link Control (RLC), Medium Access Control(MAC), Physical Layer(PHY) 의프로토콜을사용한다. S1-U는 enodeb와 S-GW/P-GW 간인터페이스이며프로토콜스택은 GTP(GPRS Tunnelling Protocol), UDP, IP로구성된다. SGi는 S-GW/P-GW와 RBC 간외부인터페이스이며 Ethernet 통신을사용한다. [7-9] 2.4 ETCS 전송요구사항에따른 LTE-R 성능파라메터분석 ETCS 전송요구사항은크게무선커버리지 (Radio coverage), 사용자속도 (User speed), 전송지연 (Transfer delay), 통신두절 (Communication disruption), 통신설정 (communication establishment) 등의요소를고려하여수립된다. 이러한 5가지 ETCS의전송요구사항중의하나인무선커버리지에대한요구사항은 ETCS Subset-093에서 Table 2와같이제시한다. [10] Table 2 Minimum received signal power of ETCS transmission requirement Parameter Minimum received signal power Value -92dB Table 2에서와같이 ETCS 전송요구사항중무선커버리지와관련된최소수신신호파워 (Minimum received signal power) 로서 -92dB를요구하고있다. 이러한요구사항을 LTE-R 방식에적용하기위해서는 enodeb의수신파워 (received power) 에대한파라메터를분석해야한다. enodeb의송신파워 (Transmission power) 를 P t, enodeb 송신기의안테나이득을 G enb, 송신기의급전선손실을 L enb, UE 수신기의안테나이득을 G ue, 침투손실 (Penetration loss) 에의한수신기파워손실의합을 L ue, 간섭및페이딩을위한마진을 M, 신호경로손실 (Signal path loss) 을 L이라고하면 enodeb의수신파워 P r 은다음식 (1) 과같다. [4] Pr [ dbm ] Pt Genb Lenb Gue Lue M L (1) 식 (1) 에서신호경로손실인 L의산출은다양한모델이적용되어산출되지만, 본논문에서는 COST231 Hata 모델을적용하면다음식 (2) 와같다. [11]
d L[ dbm ] [44.9 6.55 log10 ( henb )] log10 ( ) 1000 45.5 (35.46 1.1 henb ) log10 ( fc ) 13.82 log10 ( hue ) 0.7 hue C (2) 식 (2) 에서 d는 enodeb와 UE 간거리 [m] 이고, H enb 는 enodeb 안테나의높이 [m], H ue 는 UE 안테나의높이 [m], f c 는캐리어주파수 [MHz], C는도심구간에서는 3dB, 교외구간에서는 0dB가적용되는상수인자 (Contant factor) 이다. enodeb의수신파워 P r 가 enodeb의최소수신파워 P min 라고가정하면, 셀범위 (Cell range) 는 enodeb와 UE 간거리인 d r 에의해평가된다. 따라서 P min 은식 (3) 과같이계산되고, 셀범위 d r 은식 (5) 의결과값 (x) 을반영하여식 (4) 와같이계산된다. [4] P min [ dbm ] Pr L (3) x 3 44.9 6.55 log 10 ( henb ) d [ ] 10 r m (4) x Pt Genb Lenb Gue Lue M 45.5 (35.46 1.1 hue ) log10 ( fc ) (5) 13.82 log10 ( hue ) 0.7 hue C 2.5 성능파라메터의시뮬레이션 2.4절의식 (2) 를활용하여경로손실 L에대한시뮬레이션을수행하였고, 식 (1) 을활용하여 enodeb의수신파워 P r 에대한시뮬레이션을수행하였다. 시뮬레이션을수행하기전식 (1) 및식 (2) 에서사용된파라메터들은다음 Table 3과같이가정하였다. [4] Table 3 Parameters and assumptions used in the simulations Parameter Value f c G enb L enb H enb G ue L ue H ue M C 2110 MHz 15 dbi -9 db 45 m 0 dbi -2 db 4 m 8 db 0 db
Table 3의파라메터가정값을적용하여 enodeb와 UE 간거리 d에따른경로손실 L의시뮬레이션결과는 Fig. 6과같고, 셀범위 d r 에따른 enodeb의수신파워 P r 의시뮬레이션결과는 Fig. 7과같다. Fig. 6 Signal path loss in relation to the distance from the enodeb Fig. 7 enodeb transmission power in relation to the Cell range Fig. 6에서의경로손실 L의시뮬레이션결과값을활용하여 Fig. 7의 enodeb의수신파워 P r 의시뮬레이션에적용하였다. Fig. 7에서와같이셀범위 d r 에따른 enodeb의수신파워 P r 의결과값은 d r 이 1.75km에서최대 48dBm까지도출되었다. 이러한결과값은 1대의 enodeb 의결과값이며, 이러한결과값을활용하여특정노선에서의 N대의 enodeb의수신파워 P r 값을 ETCS 전송요구사항인 -92dB 이상으로설정해야한다.
3. 결론본논문은 ETCS Level 2 기반열차제어시스템에서 LTE-R 방식을적용할수있는방안을제시하였다. 또한 ETCS Subset 사양에서제시하는성능요구사항을 LTE-R 방식에서구현하기위해서, ETCS 성능요구사항중의하나인최소수신파워에대한요구사항을 LTE-R의하부장치인 enodeb에서의최소수신파워 P r 로입증할수있는파라메터의분석방법을제시하였다. 향후 ETCS 성능요구사항중의하나인최소수신파워이외에도사용자속도, 전송지연, 통신두절, 통신설정등에대한파라메터도추가로분석되어야하며 ETCS Level 2 Application과 LTE-R 설비가구축된특정노선에서이러한파라메터에서제시하는인자들의실제값을적용하여시뮬레이션을수행해야할것이다. 후기 본논문은국토교통부에서지원한철도기술연구사업인 일반및고속철도용무선통신및제어시스템실용화 과제수행의일환으로작성되었습니다. 참고문헌 [1] UNISIG (2015) ERTMS/ETCS Subset-037 EuroRadio FIS version 3.2.0, pp. 5-89. [2] UNISIG (2015) ERTMS/ETCS Subset-039 FIS for the RBC/RBC handover 3.1.0, pp. 23-57. [3] UNISIG (2014) ERTMS/ETCS Subset-026 System Requirements Specification, Chapter 2 Basic System Description. 3.4.0, pp. 5-24 [4] Sniady, Aleksander; Soler, José; Dittmann, Lars. (2015) Communication Technologies Support to Railway Infrastructure and Operations, Technical University of Denmark, pp. 10-150. [5] EuroRadio Interface Group (2003) Radio Transmission FFFIS for EuroRadio, pp. 3-45 [6] Christian Pinedo,Marina Aguado, Igor Lopez (2015) Modelling and Simulation of ERTMS for Current and Future Mobile Technologies, International Journal of Vehicular Technology Volume 2015, pp. 1-4 [7] D. Taylor, N. Lofmark, and M. McKavanagh (2014) Survey on operational communications (study for the evolution of the railway communications system), Final report for the European Railway Agency 37760-496v04, Analysys Mason, pp. 47-52. [8] P. Stanley, ed.(2011) ETCS for Engineers. Germany: Eurailpress, first ed., ISBN 978-3-7771-0416-4. pp. 2-164. [9] I. Lopez, M. Aguado, and E. Jacob (2014) End-to-End Multipath Technology: Enhancing Availability and Reliability in Next-Generation Packet-Switched Train Signaling Systems, IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 9(1), pp. 28 35 [10] UNISIG (2003) ERTMS/ETCS Subset-093 GSM-R Interfaces 2.2.6, pp. 1-20. [11] 3GPP(2008) Spatial channel model for Multiple Input Multiple Output (MIMO) simulations, TS 25.996, v 8.0.0, pp. 1-29.