김선교
(Seon-Kyo Kim)
1iD
박동훈
(Dong-Hoon Park)
1iD
한호현
(Ho-Hyun Han)
1iD
강정원
(Jeong-Won Kang)
†iD
-
(Dept. of SMART Railway System, Korea National University of Transportation, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
VHF, LTE-R, Complex Communication Facilities, RFCL
1. 서 론
국가적인 대규모 재난·재해 발생 시 관련 대응기관 간에 원활한 업무 협조 체계 지원을 위한 일원화된 무선통신 지휘체계 개선의 필요성이 제기되었다.
정부 과학기술정통부의 주파수 정책 또한 변화로 현재 운영 중인 VHF (Very High Frequency), TRS (Trucked Radio System)
시스템은 2029년 이후 사용할 수 없으므로 철도 분야에서도 LTE 기반의 LTE-R (Long Term Evolution-Railway) 시스템이
구축되고 있다.
이에 따라 일부 노선이 신규 연장된 도시철도 터널 및 지하 구간 무선통신시스템의 VHF, LTE-R 혼용으로 상이한 운용에 따라 발생하는 비효율성과
더불어 관제실↔기관사↔현장직원 간 효율적인 협업이 어려운 문제가 있으며, 상이한 도시철도 무선통신시스템 간 통신단절, 재난 및 긴급 구조를 위해 필요한
열차 내 방송, 비상호출, 그룹호출, 전체호출 등 열차안전운행을 위한 신속한 대처가 어려운 문제점이 발생할 수 있다(1).
본 논문에서는 신규 연장구간의 복합통신설비를 이용하여 VHF 열차무선시스템의 통화 서비스 구간을 확장하기 위한 방법을 시험을 통해 검증하고 효율적인
모델을 제시하고자 한다.
2. 본 론
2.1 철도무선통신 기술
2.1.1 VHF
30∼300 MHz 대역의 초단파를 이용하는 공중선 설비로 철도 무선에서는 160 MHz 지정주파수 대역으로 안테나는 누설동축케이블을 포설하여 지하
및 터널 구간에 일정한 전계 강도를 유지 시키는 SR (Space Radio System) 방식으로 도시철도에서 주로 적용하고 있는 방식이다(2).
2.1.2 LTE-R
제4세대 고속 데이터 이동통신규격인 LTE를 철도에 적합하게 개발한 규격으로 열차운전 및 시설유지보수 업무를 위하여 이동하는 열차와 열차 간, 열차와
지상 간, 지상 상호 간, 유·무선 결합 또는 무선으로 상호 정보를 교환하는 시스템이며, 음성통신, 데이터, 영상 전송 및 열차신호 제어가 가능한
철도 무선통신 시스템이다(3).
2.1.3 복합통신설비
지하철 구간 내에서 평상시에는 FM (Frequency Modulation), DMB (Digital Multimedia Broadcasting)
방송중계, 비상시에는 FM, DMB 방송주파수로 긴급재난방송을 시행하여 지하철 이용자가 비상사태에 신속히 대응할 수 있도록 돕는 설비이다(4).
2.1.4 누설동축케이블
안테나를 설치하기 어려운 지하 공간 및 터널에 설치하며 누설동축케이블 외부도체에 신호 누설용 Slot이 형성되도록 가공하여 케이블 자체가 안테나 역할을
하며 특징은 표 1과 같다(5).
표 1. 누설동축 케이블 특징 비교.(6)
Table 1. Comparison of Leaky Coaxial Cable Features.(6)
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구 분
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RFCX (Radiated High Foamed Coaxial Cable)
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RFCL (Radiated Foamed Coaxial Cable Light)
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모 드
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∎Coupled mode(결합모드)
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∎Radiated mode(방사모드)
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용 도
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∎지하 주차장과 같은 건물 내
∎짧은 길이의 터널에 적합
|
∎지하철, 긴 터널 환경에 적합
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주파수
대 역
|
∎광대역 주파수에 적합
(광범위 주파수대역)
|
∎특정 주파수에 적합
(한정된 주파수에 대역)
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특 징
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∎Slot 간의 형상 및 간격이 일정
∎외부도체 두께가 두꺼움
∎기계적 강도 우수
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∎사용 주파수 범위와 감쇄량 및 결합손실 최적화한 Slot 설계 가능
∎RFCX 대비 넓은 수신 거리
∎Slot 가공을 위해 Slot 설계
별 금형이 필요함
|
2.2 VHF와 복합통신설비 통합운영
터널 및 지하 구간에 누설동축케이블로 무선신호를 전송하는 방식은 전송 품질이 균일하고 타 주파수 간섭이 적어 시스템의 신뢰성이 높다(7). 따라서, 표 2와 같이 주파수대역이 유사한 누설동축케이블을 사용하는 VHF와 복합통신설비는 통합운영이 가능할 것으로 여겨진다.
표 2. 누설동축케이블 설치현황
Table 2. Leaky coaxial cable installation status
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구 분
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VHF
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복합통신설비
(FM, DMB)
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비 고
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Type
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RFCL-42D
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RFCL-33D
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주파수
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160MHz 대역
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88MHz~900MHz
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2.3 VHF와 복합통신설비 통합장치
열차무선통신시스템을 VHF와 LTE-R로 혼용 운영하는 운영 구성도는 그림1과 같다.
그림. 1. VHF와 LTE-R 열차무선통신시스템 구성도
Fig. 1. VHF and LTE-R train wireless communication system configuration diagram
복합통신설비(FM, DMB)와 VHF 출력신호를 하나의 누설동축케이블로 송출할 수 있도록 시스템을 그림2와 같이 설계하였다. VHF 기지국의 RF Signal→Optical Signal 변환 후 인접역 FDF을 통해 신규 연장역으로 전달된 Optical
Signal→RF VHF 출력신호를 양방향증폭기로 증폭 후 2분배기로 대합실과 승강장 및 본선터널 분기하고 복합통신설비 COMBINER와 결합하여
누설동축케이블(RFCL)로 방사하여 전 구간 일원화된 VHF 시스템을 구축하는 것이다.
그림. 2. VHF와 복합통신설비 통합장치 구성도
Fig. 2. VHF and complex communication facility integration device configuration diagram
이러한 통합운영을 위해서는 VHF 출력신호 합성으로 인한 복합통신설비(FM, DMB) 운영에 영향이 없어야 한다. 이것을 확인하기 위하여 복합통신설비
COMBINER와 통합 후 출력된 VHF 출력신호로 인하여 복합통신설비 신호 Level 변동에 영향이 발생하는지를 시험을 통해 확인하였다.
2.4 VHF와 복합통신설비 통합검증 결과
복합통신설비 COMBINER를 통해 출력된 VHF 신호 발생 전·후를 비교하여 신호 Level에 영향을 발생시키는지 확인하기 위하여 복합통신설비(FM,
DMB) 신호 Level 변동 영향시험을 하였다. 시험장소는 신규 연장 역사로 하였다.
2.3.1 VHF ↔ 복합통신설비 신호 Level 변동 영향시험
1) 구성도 및 시험방법
그림. 3. 복합통신설비 신호 Level 변동 영향시험 방법
Fig. 3. Signal level change effect test method for complex communication facilities
그림 3과 같이 복합통신설비 신호 Level 변동 영향시험을 구성하고 ①∼③ 순서대로 측정한다. 복합통신설비 COMBINER를 통해 송출된 FM, DMB,
FM+DMB 출력신호를 spectrum analyzer(제조사 : Anritus, 모델명 : MS2720T)로 VHF 출력신호 발생 전‧후를 비교하여
신호 Level이 변동이 발생하는지 측정한다. 측정은 FM 주파수대역(89.1∼107.7MHz, 14CH), DMB 주파수대역(183∼207MHz,
2CH)에서 순차적으로 설정하고 확인한다.
2) 시험결과
① VHF 신호 발생 전·후 FM 신호 Level
VHF 신호 발생 전·후 FM 신호 측정값(89.1∼107.7MHz)은 표 3과 같이 VHF 출력신호 발생 전·후 FM 신호 출력 측정값은 –1.7∼3.0 dBm 범위이며 전파 환경 및 매질 특성 등에서 발생하는 일반적인 변동
범위에 해당하는 것으로 VHF 출력신호로 인한 FM 출력신호에 영향은 발생하지 않았다. 또한, “터널형 재난방송용 중계장치 평가기준(FM)”을 만족하는
–85 dBm 이상으로 FM 채널별 수신 품질이 양호한 것을 알 수 있다(8).
표 3. VHF 신호 발생 전·후 FM 신호 측정값
Table 3. FM signal measurements before and after VHF signal generation
|
frequency
(MHz)
|
measurements(-dBm)
|
Measurement value fluctuation range
|
|
VHF Before Signal
|
VHF After Signal
|
|
89.1
|
75.5
|
72.5
|
3.0
|
|
90.7
|
76.0
|
74.3
|
1.7
|
|
91.9
|
79.8
|
77.8
|
2.0
|
|
93.1
|
74.9
|
75.3
|
-0.4
|
|
93.9
|
79.4
|
77.7
|
1.7
|
|
95.1
|
74.0
|
73.2
|
0.8
|
|
95.9
|
75.8
|
74.6
|
1.2
|
|
97.3
|
74.1
|
74.3
|
-0.2
|
|
100.5
|
71.1
|
72.2
|
-1.1
|
|
101.9
|
72.6
|
74.3
|
-1.7
|
|
103.5
|
75.4
|
74.1
|
1.3
|
|
104.5
|
74.8
|
73.1
|
1.7
|
|
105.3
|
74.1
|
75.2
|
-1.1
|
|
107.7
|
70.9
|
68.2
|
2.7
|
② VHF 신호 발생 전·후 DMB 신호 Level
측정값은 표 4와 같이 VHF 출력신호 발생 전·후 DMB 신호 측정값은 –0.8 dBm, -7.4 dBm이며 전파 환경 및 매질 특성 등에서 발생하는 일반적인
변동 범위에 해당하는 것으로 VHF 출력신호로 인한 DMB 출력신호에 영향은 발생하지 않았다. 또한, “터널형 재난방송용 중계장치 평가기준(T-DMB)”을
만족하는 –85 dBm 이상으로 DMB 수신 품질이 양호한 것으로 판단된다(8).
표 4. VHF 신호 발생 전·후 DMB 신호 측정값
Table 4. DMB signal measurement values before and after VHF signal generation
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frequency
(MHz)
|
measurements(-dBm)
|
Measurement value fluctuation range
|
|
VHF Before Signal
|
VHF After Signal
|
|
183
|
78.3
|
79.1
|
-0.8
|
|
207
|
63.1
|
70.5
|
-7.4
|
③ VHF 신호 발생 전·후 FM+DMB 신호 Level
FM+DMB 신호 방송 후 VHF 출력신호를 측정한 결과, 표 5와 같이 VHF 출력신호로 인한 신호 FM, DMB 출력신호 Level 변동 영향은 없으며 FM, DMB, VHF 출력신호는–85dBm 이상으로 통화상태가
양호하였다. 또한, FM, DMB, VHF 간 주파수 간섭도 발생하지 않았다.
표 5. FM+DMB+VHF 신호 측정
Table 5. FM+DMB+VHF signal measurement
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구 분
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측정 Data(dBm)
|
|
FM
+
DMB
|
|
|
FM
+
DMB
+
VHF
|
|
2.5 결과 및 기대효과
도시철도 신규 연장구간의 복합통신설비(FM, DMB)와 VHF를 통합하기 위하여, 복합통신설비 FM, DMB 주파수대역에서 VHF 출력신호로 인한
복합통신설비 운영에 영향을 발생하는지에 대한 신호 Level 변동 영향시험 결과, 신호 Level 변동 영향이 없는 결과를 얻었으며 VHF와 복합통신설비의
통합운영이 가능함을 확인하였다.
복합통신설비 COMBINER와 주파수대역이 유사한 누설동축케이블을 이용하여 터널 및 지하 구간에 VHF를 통합운영한다면 LTE-R 시스템이 전체 도시철도에
구축되기 전까지 효율적인 대안으로 운영자의 효율성 향상과 열차안전운행을 확보할 수 있을 것이다.
3. 결 론
본 논문에서는 도시철도 열차무선통신시스템의 운영 효율성과 안전성을 향상시키기 위하여 복합통신설비의 COMBINER와 주파수대역이 유사한 누설동축케이블을
이용해서 통합운영하는 방법을 연구하였다.
VHF와 복합통신설비 통합운영 후 VHF 출력신호 발생 전·후 FM 신호 측정값은 –1.7∼3.0 dBm, DMB 신호 측정값은 –0.8 dBm,
-7.4 dBm 차이가 발생하였으나, 전파 환경 및 매질 특성 등에서 발생하는 일반적인 변동 범위 내로 수신 품질이 양호함을 확인할 수 있었다. 본
연구의 결과는 VHF와 LTE-R을 혼용 운영하는 터널 및 지하 구간에 일원화된 철도무선통신시스템 구현이 가능하고 관제, 기관사, 유지보수자, 안전요원
간에 정보교환이 원활하게 이루어져 열차의 안전운행을 한 단계 강화할 수 있는 효율적인 운영 대안이 될 것으로 기대된다.
References
Mun Jin Bang, 2016, A study on the optimization and application of LTE-R (Long Term
Evolution-Railway) for domestic and foreign railway systems, pp. 7
Hyungu Lee, 2019, Study on LTE-R network propagation characteristics in urban railway
tunnel section, Seoul National University of Science and Technology Graduate School
of Railway Master's thesis, pp. 3
Gilsoo Jeong, 2018, Research on dualization of integrated wireless network (LTE-R),
Master’s thesis at Korea National University of Transportation Graduate School of
Railways, pp. 13
Incheon Urban Railway Line 1 Songdo Landmark City Extension Construction Complex Communication
Facility Instruction Manual, pp. 1, 2, 7-9
Fire Agency National, 2020, National Fire Safety Standard Manual (5 Volumes), pp.
534-536
Information and Communication Industry Research Institute Korea, 2018, Standard construction
method for information and communication construction (railway information and communication
facilities), pp. 84-86
Jong-Pil Kim, 2008, A Study on Improvement of Operation Efficiency for Fringing Area
Solution at Railraod Tunnel, pp. 36-37
Radio Promotion Association (RAPA) Korea, 2017, Evaluation standards for tunnel-type
disaster broadcasting relay devices, pp. 11-27
저자소개
2005년 2월 국민대학교 정보통신공학과 졸업.
2023년 한국교통대학교 교통대학원 SMART철도시스템공학과 졸업(석사).
현재 한국교통대학교 교통대학원 SMART철도시스템공학과 박사과정,
2005년-현재 인천교통공사 근무
E-mail : suni07170@naver.com
1999년 2월 인제대학교 전자공학과 졸업.
2016년 한국교통대학교 일반대학원 철도전기전자공학과 졸업(석사).
현재 한국교통대학교 교통대학원 SMART 철도시스템공학과 박사과정,
1999년-현재 인천교통공사 근무
E-mail : pdhhek@naver.com
1999년 아주대학교 전자공학과 졸업.
현재 한국교통대학교 교통대학원 SMART철도시스템학과 재학(석사과정).
1999년-현재 인천교통공사 근무
E-mail : dasaromi@gmail.com
2002년 02월 중앙대학교 졸업(공박).
2006년 02월 ~2007년 02월 University of California at Riverside 박사 후 과정.
2007년 10월~2008년 02월 LG Siltron 선임연구원.
2008년 03월~2013년 08월 한국교통대학교 컴퓨터공학과 교수.
2013년 09월~현재 한국교통대학교 교통대학원 교통시스템공학과, SMART 철도시스템학과 교수
E-mail : jwkang@ut.ac.kr