1. 서 론

국내 철도통신은 철도재난안전기능을 중심으로 관제, 운영 및 유지보수 종사자간 상호통신의 목적으로 사용되고 있으며, 관련 기술은 1980년대의 VHF(Very High Frequency), UHF(Ultra High Frequency) 기술에서 2004년 고속철도에 도입된 국외 의존 TRS(Trunked Radio Service)-Astro 방식, 경부고속선 2단계 구간에 적용된 TRS-Tetra 방식까지 다양한 기술들이 현장에 적용되고 있다[1, 2]. 도시철도의 경우에는 자동열차운영(ATO : Automatic Train Operation) 기술의 도입과 함께 영상 정보 취급을 위한 18GHz 대역 통신 기술, 무인운전에서 사용하는 2.4GHz ISM(Industrial Scientific and Medical) 대역이 열차제어를 위한 철도무선통신으로 추가되었다[3, 4]. 일반철도 및 고속철도가 철도재난안전기능 측면의 단순한 철도통신기능을 위해 VHF, UHF, TRS와 같은 통신 기술을 사용하는데 비해, 도시철도는 열차제어 정보 취급과 함께 일반, 고속철도에서 사용하는 VHF, UHF, TRS 관련 재난안전통신 기술과 승강장 및 역 사고 예방을 위한 18GHz 영상 통신기술까지 복잡하게 혼용되고 있으며, 2003년의 대구지하철 사고 이후 철도 분야가 재난안전 권고 기관으로 재난망과의 연계를 필요로 함에 따라 철도전용 무선통신에 대한 필요성 및 시급성은 더욱 증가하게 되었다[5, 6]. 이는 현재 다중시스템으로 운영중인 철도통신망을 모두 통합할 수 있는 과거 또는 국외 기술이 아닌 국내의 신기술을 접목한 철도 전용 무선통신망의 구축을 추진하는 계기가 되었으며, 미래의 철도전용 통합무선망 관련 통신 기술의 개발 방향은 국외기술에 의존하지 않고 현재 사용중인 철도 재난안전기능, 제어 기능은 물론 영상 및 멀티미디어가 가능한 기술을 기반으로 통합된 철도무선통신망을 구축하는 방향으로 결정되었다[7, 8]. 이를 위해 철도 관련 유관기관은 국토교통부를 중심으로 2010년부터 철도통합무선망 기술 개발을 위한 조사 및 분석을 시작하였고, 2012년에는 철도에서 요구하는 기능을 수용하면서 세계화 및 재난망과의 연계가 가능한 LTE(Long Term Evolution) 방식의 철도통합무선망 개발 및 구축을 확정하였다. 관련 기술 개발은 철도전용 주파수 확보와 철도에 특화된 LTE 기술을 의미하는 LTE-R(LTE for railway)로 정의되었다[9].

본 논문은 이러한 국가 철도통합무선망 구축의 필요성에 따라 기존의 철도통신 기술 분석, LTE를 사용한 철도통합무선망 구축에 적용할 기술 개발을 위한 시험선 구축, 구축된 시험선의 무선 특성 최적화 등을 위해 시험선 LTE-R 무선망에 대한 지속파(CW : Continuous Wave) 시험과 기지국 설비에 대한 최적화 시험을 실시하였다. 관련 시험 결과는 철도에서 필요로 하는 철도전용 통합무선망 필수 조건 및 철도통신 기능 및 기술 개발로 주어지는 철도재난안전기능, 서비스 품질(QoS : Quality of Service) 및 열차제어 기술의 개발에 적용될 수 있으며, 본 논문에서 제시된 최적화 관련 분석 결과는 이러한 기능을 안전하게 실행할 수 있는 핵심 데이터로 LTE-R 지상설비 및 차상설비를 포함한 통합 시스템 구축의 기본 인프라로 활용될 수 있다.

2. 철도 통신 기술

국내에서 사용중인 철도통신은 철도재난안전기능 측면에서는 도시철도, 일반철도, 고속철도가 대부분 유사한 방법을 사용하지만, 도시철도의 경우에는 짧은 역간거리와 운전시격 등으로 인해 다양한 통신방식을 사용한 안전 활동이 추가로 주어지며, 신분당선 등 일부 노선에서는 무인운전을 위한 추가 통신방식이 활용되고 있다[3]. 일반철도는 1980년부터 VHF 시스템을 사용하고 있지만, 이는 단순히 열차안전운행을 위해 운영센터의 관제사와 기관사간의 음성통신만을 실행한다. VHF를 활용한 열차무선통신방식은 무전기와 같은 Point-to-Point 방식으로, 데이터 통신이 불가능함은 물론 많은 음영지역으로 인한 통신의 장애가 빈번히 발생함으로서 상호 혼신 및 간섭의 영향이 매우 크며, 153MHz 대역에서 1채널당 25KHz로, 약 200KHz 정도가 철도에서 사용되고있다[2]. 고속철도는 일반선 통과구간의 VHF와 고속선 구간의 TRS가 혼용된 시스템을 사용한다. TRS 방식은 고속철도 개통시에 국내 철도에 적용된 통신시스템으로 고속철도 운행 및 유지보수 관련 열차와 관제센터간의 송수신을 목적으로 도입되었으며, 송신 851∼856MHz, 수신 806∼811MHz, 송·수신 주파수 간격 45MHz, 채널폭 25KHz이며, 기지국간 핸드오버를 고려한 채널간격은 50KHz로 약 1.5MHz가 철도에서 사용되고 있다. TRS 방식도 음성통화 이외에는 데이터 통신과 영상 통화가 불가능한 특징을 갖는다[10]. 도시철도는 일반철도 및 고속철도에 적용된 VHF, TRS 이외에도 무인열차제어용으로 무선국 개설 허가가 필요없는 2.4GHz ISM Band의 소출력(10mW/MHz) 기지국을 이용하고 있다. 이는 간섭과 혼신 및 해킹 사고의 위험성으로 인해 “방송해상항공전기통신사업용 외의 기타업무용 무선 설비기준 고시[전파연구소고시 제2005-50호]”에 인명 안전과 관련된 서비스에는 사용하지 말 것을 권고하였다[11]. 또한 영상을 이용한 다양한 운영 및 유지보수를 위해 18GHz 대역 또는 5.8GHz ISM 대역을 추가로 이용하는 것으로 확인되었다. 따라서 철도무선통신망 구축을 위한 기술 조사는 이러한 기존의 기술적 문제점과 현존하는 통신방식, 그리고 미래에 적용 가능한 통신 방식 등에 대한 검토를 다음과 같이 추진하였다[12] : WiFi 방식은 북미 기준으로 열차제어용 무선통신으로 사용하지만, 속도 제약, 작은 커버리지 문제, 전용 음성 통화 기능 부재, ISM 밴드 사용에 따른 혼선, 안전성 문제 등으로 주로 지하철 혹은 도시철도 영역에서만 한정적인 용도로 적용되고 있다. 반면 유럽의 일반 및 고속철도에서 사용중인 GSM(Global System for Mobile) 방식은 유럽열차제어시스템에 사용되고 있지만, 20년전에 규격화된 2세대 통신 방식으로 주파수 이용 효율성이 낮고, 철도 서비스 고도화를 위한 각종 어플리케이션 적용 불가능이 주요 문제점으로 제기되었다. TRS 방식은 음성 통화는 문제가 없지만, 열차제어 신호 전송시의 지연시간과 고속 데이터 전송, 영상 및 멀티미디어 적용 불가능의 문제점이 확인되었다. 국내 기술로 개발된 WiBro(Wireless Broadband) 방식은 철도전용 통합무선망의 요구조건 대부분을 수용함으로서 철도통신망 구축을 위한 최적의 통신방식으로 검토되었지만, 세계화의 측면에서 기술 고립을 피할 수 없는 현실에 직면하였다. 이러한 분석 결과를 기반으로 LTE 방식을 최종적으로 철도통합무선망에 가장 적합한 무선통신방식으로 결정하였다[13]. 이는 철도환경에 대응하기 위하여 필요한 추가 기능을 포함한 LTE라는 의미의 LTE-R (Railway)을 정의하고[14], 미래창조과학부에서 할당한 2.6GHz 시험주파수를 활용하여 철도공사의 대불선 12km 구간에서 시험망 구축을 2012년 4월부터 착수하였다[15]. 시험망 구축은 시험 주파수인 2.6GHz 주파수 분할다중화방식(FDD : Frequency Division Duplexing) 10MHz 주파수 폭을 사용하였으며, 이를 바탕으로 전국 주요거점을 연결해 하나의 도시권으로 철도를 통합하기 위해 국토해양부에서 추진중인 제2차 국가철도망 구축계획의 기반인 미래의 무선기반 철도통신 사전 연구의 성격으로 추진되었다[16].

그림 1철도통신기술의 진화 Fig. 1 The evolution of railway communication technology

3. 2.6GHz LTE-R 망 구축 및 CW 시험

철도전용 통합무선망 개발 및 시험을 위해 “도시철도용 무선 통신기반 열차제어시스템 성능평가 및 표준화” 국가 연구개발사업과 차세대전동차 성능시험 연구에 사용중인 한국철도공사의 대불선을 LTE-R 시험선으로 선정하였다[17, 18]. 관련 시험선에 대한 특성과 적용 예정인 LTE-R 시험주파수는 아래의 [표 1]과 같다.

표 1LTE-R 대불시험선 및 시험 주파수 특성 Table. 1 Characteristics of Daebul test line and frequency

대불선에 LTE-R 시험망을 구축하기 위해서는 철도에서 요구하는 철도통신 요구조건을 수행할 수 있도록 전파의 끊김없이 망을 구성해야 하며, 이를 위해서는 우선적으로 전파의 연속성을 측정하기 위한 CW 시험을 실시한 후, 이에 부합하는 기지국을 구축해야 한다.

대불선의 CW 시험은 무인운전 열차제어 시험용으로 임대, 개조하여 운행중인 경의선 전동차를 이용하여 사전 시험망 조사시에 파악된 터널, 교량, 역 구간, 직선 구간, 곡선 구간, 등 선로의 지형 관련 데이터에 대해 각각 진행하였다. 위의 [표 2]와 [그림 2]는 각각의 CW 시험 관련 장비 및 측정 위치를 나타낸다. 수신기(Rx)는 시험 열차의 후미 운전석에, 송신기(Tx)는 사전 조사된 시험선의 각각의 측정 위치에 설치하여 수신신호강도지수(RSSI : Received Signal Strength Indication)를 측정하였다.

표 2CW 시험용 장비 Table. 2 Test equipment for CW

그림 2CW 시험 구성도 Fig. 2 Test road amp for CW

대불선 전체의 측정 결과에 따라 [표 3]에서 제시한 CW 시험 측정 위치는 망 구축에 필요한 전파의 연속성, 강도, 세기 등을 고려하여 [표 4]와 같이 수정되었다. 이는 대불선 시험선이 열차운행 영업선이라는 특수한 환경에 따른 접근성, 안전성, 그리고 전차선주와 선로변 지지물 등에 따른 전파의 방향 등을 고려하였으며, 특히 전차선주의 최대 높이가 7m로 제한됨에 따라 모든 안테나의 높이는 7m를 초과하지 않도록 수정하였다. CW 시험 결과를 기반으로 철도전용 통합무선망 LTE-R의 기술 개발을 위한 대불선 시험선 구축은 미래창조과학부에서 분배한 2.6GHz 시험용 주파수와 연관된 부품을 제외한 대부분은 이미 국내의 이동 통신에서 상용화된 범용 LTE 망 장비를 이용하여 연구개발을 추진하였다. 이는 중복적인 기술개발의 방지와 철도통합무선망의 시급성에 따라 조기에 LTE-R 기술 개발 완료와 Alcatel lucent가 제시한 LTE-R 구축시의 고비용화 문제를 해결하기 위한 대안으로 제시되었다. LTE-R 망은 관련 데이터를 네트워크 장비로 송신하는 역할을 하는 DU(Digital Unit)와 단말기로부터 전파를 수신하여 무선을 처리하는 안테나 역할을 하는 RU(Radio Unit)가 완전히 분리되어 있으며, 한 개의 DU당 3∼9개의 RU를 수용한다. 대불선 시험선에서는 [그림 4]와 같이 DU(Digital Unit) 2대와 RRU(Remote Radio Unit) 9대를 선로변에 설치하였다[19 ,20]. 여기서 RRU는 전차선주에 설치된 RU의 방향을 원격에서 조정하여 열차 운행시의 전차선주 접근에 따른 인명 안전을 보장하기 위한 원격 제어 기능을 갖는 RU로 철도의 특수한 환경을 고려하여 일반적인 RU와의 차별화를 시도하였다.

표 3CW 시험 위치 Table. 3 Test location for CW

그림 3대불역에서의 시험 예 Fig. 3 Test case in Daebul station

표 4수정된 안테나 위치 및 방향 Table. 4 Modified location and orientation of antenna

그림 4대불선의 LTE-R 망 구성도 Fig. 4 LTE-R network diagram in Daebul line

4. 2.6GHz LTE-R 망 최적화

LTE-R 시험망 최적화는 측정용 컴퓨터, DM(Netimizer DML) 및 GCT사와 삼성전자의 USB(Universal Serial Bus) Dongle을 이용하여 아래 표와 같은 품질 지표를 적용하여 최적화를 진행하였다[21. 22]. 본 논문은 삼성전자의 USB Dongle을 이용한 측정 결과와 GCT사의 USB Dongle을 이용한 측정 결과가 유사하게 제시됨에 따라, GCT사의 USB Dongle을 이용한 측정 결과로 최적화 관련 분석을 실시하였다[21]. 아래의 [표 5]는 상용망에서 사용되는 LTE의 무선품질 지표 및 허용값을 나타낸다. LTE-R이 세계에서 처음으로 개발, 시험됨으로서 관련 기준이 없기 때문에 본 논문에서는 [표 5]와 같은 상용망의 LTE 기준을 적용하였다. 이는 철도 분야의 특성을 고려하여 향후 영업선 시운전 시험을 통해 구체적으로 확정되어야 할 것을 예상된다. 여기서 RSSI, RSRP, RSRQ, SNR, 및 CQI는 각각 수신신호강도지수(RSSI : Received Signal Strength Indication), 단말에 수신되는 reference 신호 전력(RSRP : Reference Signals Received Power), 단말에 수신되는 전력 대비 reference 신호전력비(RSRQ : Reference Signals Received Quality), 신호대 잡음비(SNR : Signal to Noise ratio), 채널 품질 표시기(CQI : Channel quality Indicator) 를 의미한다.

표 5무선품질 지표 및 허용값 Table. 5 Mobile quality index and allowable value

1차 최적화 시험은 대불선 12km 시험선 구간 전반에 설치된 RRU #1∼#9에 대해 실시하였다. 모든 구간의 양방향에서 핸드오프 시험 결과가 정상적으로 확인되었지만, 4개 구간에서는 부분적인 약전계가 확인되었다[22] : 첫 번째는 RRU #3∼#4번 핸드오프시에 RRU #3 무선주파수 환경이 열화되고(SNR 0), 파일 전송규약(FTP: File Transfer Protocol) 다운링크 속도가 저하되다가 RRU #4 핸드오프가 성공한 이후에 FTP 다운링크 속도가 복구되었다. 두 번째는 터널구간 FTP 다운링크 스루풋이 14∼16 Mbps로 측정되었고, 세 번째는 RRU #6∼#7 구간에서 핸드오프 Ping Pong이 발생되어 스루풋이 저하되었다. 마지막으로 교량구간에서 무선주파수 환경(RSRP, SNR, CQI)이 약전계 구간으로 측정되었다. 관련 내용은 [그림 5]와 같다.

그림 51차 최적화 시험 결과 Fig. 5 First optimization test results

2차 최적화는 1차 최적화 시험시 문제가 된 4개의 지역에 대한 해결 방안으로 추진되었다. 첫 번째로, RRU #4를 터널에 적용할 목적으로 터널 입구의 야기 안테나를 터널 방향으로만 서비스하도록 함에 따라 RRU #3 신호와 Back loop 신호가 핸드오프되어 무선 주파수 환경이 급변하는 것으로 추정되었다. 이에 따라, 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 거리가 단축됨을 확인하였다. 두 번째로 RRU #6∼#7 구간의 핸드오프 ping pong 구간은 RRU #6 2도 → 13도로 변경, RRU #7 2도 → 6도로 변경한 결과, 핸드오버 구간 통화중 절단율(Call drop) 현상이 발생하였다. 마지막으로 영산강 교량구간의 무선환경 개선을 위해 RRU #7은 교량방향 상하 3도 → 0도로, RRU #8은 교량방향 좌우 35도 → 0도로 조정하였다. 그러나, RRU #7의 측정 결과, 음영구간과 통화중 절단율 현상이 발생하였지만, 전압정재파비(VSWR : Voltage Standing Wave Ratio)은 이상이 없음을 확인하였다.

그림 6LTE-R 망 최적화 결과 Fig. 6 Optimization results of LTE-R network

3차 최적화는 RRU #6∼#7 구간 핸드오버 ping pong 및 음영구간 개선목적으로 RRU #6(248) V2 13도 → 4도로 변경, V2 좌우 210도 → 220도로 변경, RRU #7(392) V2 교량방향 상하 0도 → 3도로 변경하고, V1,2를 20cm 상향 조정한 후, 측정한 결과, 다운링크 스루풋 5∼9Mbps로 핸드오버 ping pong 및 음영구간 개선됨을 확인하였지만, RRU #7∼#8 핸드오버 구간에서 단락 사고가 발생하였다. 분석 결과, 단락 사고 발생 구간에서 RSSI 환경은 양호하나 핸드오버 실패로 인한 단락 사고 현상이 Optic delay에 의한 것으로 추정되어 지연 보상 파라메타를 확인하였지만, 이상이 없음을 확인하였다. 4차 최적화는 RRU #7∼#8 간의 2.8Km로 RSRP -100∼-120dB인 교량구간 약전계 구간이며 단락 사고가 발생하였다(GCT사의 USB Dongle 80% ,삼성전자의 USB Dongle 10% 단락 사고 발생). 이 구간은 무선 환경이 열악하지만 유독 GCT사의 USB Dongle에서 자주 단락 사고가 발생하여 GCT사에 분석을 요청하였다. 그리고 RRU #7 셀 적용범위가 열약하게 측정되어 RRU #7은 V2 교체 및 40cm 상향 조정과 RRU #8 3.5m 상향 조정하였다. RRU 조정 작업후 RSRP는 -100 초반에서 -90후반으로 조금 개선되었고, 10회 반복 측정한 결과 보류중인 데이터 스루풋 구간은 있으나 단락 사고는 발생하지 않았다

이러한 최적화 결과를 기반으로 LTE-R 종단 단말간 연결 설정 지연 시험 판정 기준인 철도 긴급전화와 동일구역내 기관사간의 그룹통화는 물론 향후 열차제어용 무선통신정보 송수신 필수 조건을 만족하기 위해서는 추가적인 RRU의 설치가 필요함을 확인하였다. 초기에는 2.2km의 긴 터널 구간에서 문제점이 발생할 것으로 예상되었지만, 측정 결과는 영산강 위에 설치된 교량에서 전파의 전파간섭 현상이 발생한다는 것을 확인하였다. 따라서 안정성을 갖는 철도통신의 성능 보장을 위해 [그림 7]과 같이 추가로 RRU를 설치한 후, 관련 LTE-R 망 구성을 수정하였다.

그림 7대불선 LTE-R 망의 최적화 결과 Fig. 7 Optimization results of LTE-R network in Daebul line

5. 결 론

본 논문은 국내에서 사용중인 다중의 철도통신 방식을 음성, 영상, 멀티미디어는 물론 열차제어 및 고용량 데이터 전송이 가능한 단일화한 철도전용 통합무선망 구축에 필요한 철도통신 방식의 분석을 통해 LTE 방식을 철도에 적용한 LTE-R의 기술 검토를 실행하였다. LTE-R 기술의 영업선 적용은 현재까지 세계적으로 전무한 상태에서 관련 기술의 활용 가능성 및 철도 특화 기술 개발을 위한 성능 검증의 필요성에 따라 한국철도공사의 대불선 영업선 12km을 시험선으로 선정한 후, LTE-R 망 구축을 위한 설계를 실시하였다. 설계값은 철도의 선로를 따라 곡선 구간, 교량구간, 터널 구간 등으로 전파의 연속성 및 약전계 등 다양한 변수에 대해 항상 최적의 전파특성을 보장하기 위해 관련망의 전파 특성 분석 및 최적화 시험을 통해 완전한 기지국 구축을 필요로 하였다.

본 논문에서는 이러한 전파 특성을 위해 CW 시험과 최적화를 연구, 분석하였다. CW 시험 결과는 설계에서 주어진 값이 시험선 열차운행 환경에서 접근성, 안전성, 전차선주와 선로변 지지물 등에 따른 전파의 방향 등이 고려되지 않음으로서 발생된 약전계를 해소하기 위해 설계를 수정하였고, 전차선주의 최대 높이가 7m로 제한됨에 따라 모든 안테나의 높이는 초기의 설계 높이 최대 10m를 전차선주 높이에 부합하는 7m 이하로 수정하였다. 이를 기반으로 한 최적화 특성 분석은 총 4차에 걸쳐 실시되었다. 1차에서는 4개 영역에서 약전계가 발생하였고, 관련 원인 분석을 통해 2차, 3차 최적화 작업을 실행한 결과는 핸드오버 구간 통화중 절단율 현상이 발생하였지만, VSWR은 이상이 없음을 확인하였다. 이후 4차 최적화에서 10회 반복 측정한 결과 보류 데이터 스루풋 구간은 있으나 Drop Events는 발생하지 않았다. 이는 열차 제어 측면의 안정적인 전파 특성을 유지하기 위해 보류중인 데이터 스루풋이 발생하는 지역에 추가적으로 기지국을 설치함으로서 완전한 전파특성을 갖는 2.6GHz LTE-R 무선망을 구축하는데 성공하였다.

결론적으로 철도 통신망 구축은 철도 노선의 특성으로 주어지는 특수한 환경으로 인해 각각의 노선에 부합하는 전파 특성의 시험 및 최적화 작업이 필수적이며, 이러한 분석을 통해 열차 운행시의 철도전용 통합무선망에서 요구하는 열차제어, 음성, 영상, 멀티미디어 및 고속, 고용량 데이터 전송 등의 시험 및 연구 개발이 추진될 수 있을 것으로 예상된다. 이는 향후 주파수 대역 변경, 대역폭의 확장, 기타 공공주파수 관련 정책 변화와 함께 철도, 재난, 해양 등 다부처가 공동 주파수를 이용하는 경우에도 철도의 안전 관련 핵심 요구 기능을 안정적으로 실행하는 핵심 데이터로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.