† 교신저자, 포스코 ICT 정보제어기술연구소 철도교통기술팀 E-mail : [email protected]
무선 메쉬 네트워크를 이용한 열차무선통신망 구축 및 성능시험
Establishment and Performance Test of Wireless Communication Network
for Train Control using Wireless Mesh Network(WMN)
조동래† 유성호* 김자영* 박채정* 이성훈*
Dong-Rae Cho Sung-Ho Yoo Ja-Young Kim Chae-Jung Park Sung-Hoon Lee
ABSTRACT
A mesh node, a component of a mesh network, is connected with the network by dynamic routing using routing protocol and collects the information of adjacent or connected mesh nodes for its self-management and settings. Also, it relays packets between the mesh nodes and provides AP(Access Point) with its corresponding functions based on IEEE 802.11 a/b/g for clients' access to the network. In this paper, the study focused on the design and performance tests of Wireless Mesh Network(WMN) which is applied to the wireless communication network for the CBTC(Communications Based Train Control) system. The WMN was established on a K-AGT test-line (Kyeongsan city, Gyeongsangbuk-do), and to verify the applicability, its operation and performances are checked by measuring the data throughput, delay latency, quality measurements such as transmission loss, radio interference and path recovery and setup between the on-board and wayside.
1. 서론
최근 발전한 정보통신의 기반기술을 토대로 성능이 강화된 다양한 무선통신기술의 표준규격이 등장함 에 따라, 다각적인 방향에서 사업 효율성 검토와 기술 타당성 분석을 위한 조사연구가 폭 넓게 이뤄지 고 있으며, 중∙경량전철의 실 운행노선에 적용하여 성능과 안정성, 신뢰성을 검증하고 있다. 이에 따 라, ‘CBTC열차제어시스템(Communication Based Train Control)’에 무선 Mesh 기술표준규격을 적용 시, 고려되어야 할 설계기술과 구축에 필요한 환경조건을 조사하고 신호전송 시뮬레이터를 이용하여, 열차제어신호정보의 송수신에 따른 성능 데이터를 수집하고 실용성을 확인하여, 향후 예측되는 통신규 격과 소요기술을 탐색하기 위한 연구를 목적으로 한다.
Mesh Network의 구성요소인 Mesh node는 라우팅 프로토콜을 사용하여 동적인 경로를 설정하여 Network와 연결되고 인접 혹은 연결된 Mesh node의 정보들을 수집하여 자가 관리 및 설정을 한다. 또 한, Mesh node간의 패킷을 중계하여 전달하며, 클라이언트의 네트워크 접속을 위해 IEEE 802.11 a/b/g 기반의 AP(Access Point)기능을 제공한다. 본 논문은 IEEE 802.11 기반의 Wireless Mesh Network(WMN) 를 CBTC열차제어시스템의 열차제어무선통신망으로서 설계하여 그 성능을 시험한다. WMN(Wireless Mesh Network)를 이용한 열차제어무선통신망을 시험선(경북 경산)에 구축하여 차상과 지상Mesh 간의 데이터 전송속도, 전송지연, 전송손실 등의 품질 측정, 전파간섭, 경로복구 및 설정 시험 등을 통해 CBTC용 무 선통신시스템으로서의 기능과 성능을 측정하여 그 가능성을 제시한다.
2. 무선 Mesh network의 열차 무선 통신망 구축 및 성능 시험 2.1 시험조건 경산시험선의 직선 및 곡선 선로를 대상으로 Mesh Network를 설치하고, 열차 주행 중에 가상의 신호 정보를 생성하여 지상과 차상간 데이터의 전송과 무결성을 실시간으로 확인하는 시뮬레이터를 구축하여 시험을 하였으며, ‘CBTC열차제어시스템’의 실제 운행환경에 따른 시험조건은 다음과 같다. 도표 1. 시험조건 구분 항목 시험조건 Mesh 통신규격 시험주파수 2.4, 5GHz 무선통신 IEEE 802.11a/b/g 무선보안 IEEE 802.11i 데이터 전송규격 전송방식 UDP 전송주기 10msec 데이터크기 200Byte 열차운행 시험구간 1,270m(경산시험선 A역 - B역 간) 주행속도 5Km, 15Km, 30Km, 60Km 2.2 열차 무선 통신망 구축
지상 무선Mesh는 경산시험에 기 운용 중인 Pole을 이용하여 Mesh간의 유효한 연결거리 범위 내에 분 산 설치하며, B역사에 스위치, 무선제어기, 신호전송시뮬레이터 등을 설치하고 차량에는 AP를 탑재하여 차상과 지상 간의 신호제어정보를 송차상과의 신호정보 데이터의 송∙수신하도록 구성한다.
그림 1.지상 무선Mesh 설치위치
차상 무선Mesh는 열차 운행방향을 기준으로 운전석 전면에 설치하며, 전파의 빔(Beam) 주사방향은 열 차의 운행방향을 지향하도록 거치한다.
그림 2. 차상 무선Mesh 설치위치
Mesh Network은 열차의 차상과 지상 무선Mesh의 접속구간과 지상 무선Mesh간 중계구간으로 식별할 수 있으며, 각 구간이 전파를 이용한 무선으로 데이터를 전송하며 전파의 신호세기 와 품질에 따라 유효한 통신통달거리가 가변할 수 있기에 이에 따른, 설계 기준의 설정이 필요하다. 지상 무선Mesh는 신호품질에 따라 구간별 최장 4Km 이상의 연결이 가능하며, 경산시험선의 신호품질 에 따른 유효한 연결구간은 다음 도표와 같다. 도표 2. 지상 무선Mesh 유효한 연결구간의 SNR값 단위 : dbm 선로변 Mesh 설치위치 150m 300m 460m 680m 900m 1195m MP5 MP1-2 MP4 MP3 MP2 MP1-1 1195m MP1-1 × × × 12 < 20 < 900m MP2 × × 14 < 25 < 12 < 680m MP3 25 < 24 < 25 < 25 < 12 < 460m MP4 25 < 24 < 25 < 14 < 10 < 300m MP1-2 25 < 15 < 25 < × × 150m MP5 25 < 11 < 25 < × × ×: 신호품질 미달구간
차상 무선Mesh는 지상 무선Mesh와의 접속 시 전파를 수신하는 신호세기(RSSI)에 따라 유효한 통신통 달거리와 범위가 설정된다. 본 시험은 지상 무선Mesh로부터 수신하는 신호세기(RSSI)가 분석기의 측정 값을 기준으로 75~80dBm 범위 내에서 구축하며 기존 경산시험선의 Pole을 이용한 설치조건에 의해 최대 85dBm ~ 90dBm 범위에서 통신이 이뤄졌다. 저주파는 고주파 대비 회절, 반사, 굴절 등을 통한 원거리 송신이 가능하며 이에 따라, 2.4GHz는 5GHz 대비하며 지상 무선Mesh와의 유효한 접속거리가 상대적으로 길다. 경산시험선에서는 기존 pole의 위치에 의해 평균 180m, 최대 250 ~ 300m 범위에서 데이터 통신 이 이뤄졌다.
2.3 무선 Mesh roaming 시험
차상 무선Mesh는 열차의 고속 주행에 따라 접속한 지상 무선Mesh의 유효한 통신통달 범위를 이탈하여 인접한 타 지상 무선Mesh와 접속하여 신호정보 데이터를 전송한다. 이 때, 차상과 지상 무선Mesh 간에 고속 roaming이 이뤄지지 않을 경우, 차상과 지상간 통신이 두절되거나 packet이 손실될 수 있다. 또 한, 외부의 비 인가된 침입자로부터 무선Mesh망을 보호하고 침입시도를 차단하기 위하여 IEEE 802.11i 무선보안의 설정은 필수적이며, 강화된 무선보안 설정 시에도 고속 Roaming이 원활히 이뤄져야 한다. 다음 도표는 IEEE 802.11i에 규정한 지상과 차상 무선Mesh간에 Roaming이 발생될 때 상호 전송하는 Packet의 송신시점과 완료시점을 기준으로 측정하였다. 도표 3. 2.4GHz대역 열차 주행시 Roaming 시간 단위:msec Mesh 열차속도 MP5 MP1-2 MP4 MP3 MP2 150m 300m 460m 680m 900m 15Km 25.912 36.179 25.120 32.266 207.058 30Km 19.274 33.522 28.982 27.768 347.297 60Km 29.004 27.462 23.159 21.179 347.297 도표 4. 5GHz대 주행시 roaming 시간 단위:msec Mesh 열차속도 MP5 MP1-2 MP4 MP3 MP2 150m 300m 460m 680m 900m 15Km 30.068 16.946 17.605 137.428 246.3095 30Km 16.355 17.852 27.139 18.2615 329.25 60Km 16.864 22.863 19.2095 16.522 277.564 표 2.3-2. 2.4 무선 Mesh 전송속도 열차로부터 B역사로 중계되는 데이터의 throughput은 차상과 지상 무선Mesh간의 신호세기, 지상 무선 Mesh 간의 신호품질, 차상 무선Mesh가 접속한 지상 무선Mesh로부터 B역사까지 중계하는 지상 무선Mesh 구간의 Hop수와 신호품질 등 3가지 요소(factor)에 의해 결정된다. 차상과 지상 무선Mesh는 최대 54Mbps(Half Duplex) throughput을 제공할 수 있으며, 다음 도표는 경산시험선에 설치한 Mesh Network 의 신호세기, 품질, Hop에 따른 측정값이다. 도표 5. Hop수에 따른 throughput 단위 :Mbps Hop 1회 2회 3회 평균 0 Hop 17.4 17.4 16.3 17.0 1 hop 19.0 17.0 18.2 18.1 2 hop 16.3 16.3 16.0 16.2 3 Hop 11.0 11.0 11.1 11.0
2.5 무선 Mesh 전송지연 및 손실
무선Mesh망에서는 장치의 기능(예. Route, Bridge, 기타), 장치간 연결속도, 회선(cable) 혹은 자유 공간(Space) 에서의 품질, traffic의 집중에 따른 혼잡, 하드웨어와 소프트웨어 성능 등과 같이 많은 요소로 인해, 전송 지연과 손실이 발생할 수 있다. 다음 도표는 지상 무선 Mesh의 Hop 구성, 가시거리 혹은 비 가시거리가 존재하는 구간에서 열차의 주행속도에 따른 신호정보 데이터를 송.수신 시 도달시 간과 손실을 측정값이다. 도표 6. 2.4GHz 전송지연 및 손실 열차속도 시험항목 합 계 < 1ms < 2ms < 3ms < 4ms 5ms < 15Km 송신패킷수량 19,445 6,023 11,778 677 486 481 수신소요시간 2.084 0.927 1.092 2.464 3.385 38.995 산포도백분율 100.0% 31.0% 60.6% 3.5% 2.5% 2.5% 패킷손실율 0.0% - - - - -30Km 송신패킷수량 8999 2223 5627 578 277 294 수신소요시간 3.10 0.93 1.20 2.46 3.42 56.84 산포도백분율 100.0% 24.7% 62.5% 6.4% 3.1% 3.3% 패킷손실율 0.0% - - - - -60km 송신패킷수량 4,354 1,108 2,659 273 127 187 수신소요시간 1.608 0.926 1.167 2.471 3.409 9.423 산포도백분율 100.0% 25.4% 61.1% 6.3% 2.9% 4.3% 패킷손실율 0.0% - - - - -도표 7. 5GHz 전송지연 및 손실 열차속도 시험항목 합 계 < 1ms < 2ms < 3ms < 4ms 5ms < 15km 송신패킷수량 17,860 6,410 8,548 517 262 1,120 수신소요시간 2.228 0.939 1.110 2.464 3.447 17.749 산포도백분율 100.0% 35.9% 47.9% 2.9% 1.5% 6.3% 패킷손실율 0.0% - - - - -30Km 송신패킷수량 8,353 2,306 4,704 487 242 614 수신소요시간 2.850 0.936 1.183 2.453 3.433 22.893 산포도백분율 100.0% 27.6% 56.3% 5.8% 2.9% 7.4% 패킷손실율 0.0% - - - - -60km 송신패킷수량 5,720 1,678 3,084 186 118 348 수신소요시간 1.999 0.864 1.107 2.422 3.369 14.690 산포도백분율 100.0% 29.3% 53.9% 3.3% 2.1% 6.1% 패킷손실율 0.0% - - - -
-2.6 무선Mesh 장애시험
2.6.1 장애시험(Mesh Portal Point 및 Mesh Point 구간)
경산시험선 환경에서 열차가 최고속도로 주행 중 차상 무선Mesh와 접속 중인 지상 무선Mesh에 장애가 발생한 상황을 상정하여, 1195m 지점의 지상 무선Mesh에 인위적인 장애를 발생시 차상 무선Mesh은 인접 한 900m 지점의 지상 무선Mesh와 Roaming(평균 소요시간 18.06ms)을 통해 우회경로로 통신하는 것을 확 인하였다.
그림 3. 차상 무선Mesh 접속구간 장애시험
Mesh network는 망의 자가 구성과 복구 기능을 가지고 있으나, 지상의 유선통신망과의 gateway역할을 수행하는 Mesh Portal Point(이하 MPP)의 구간장애 발생 시 해당 그룹의 전체장애로 확산될 수 있다. 이에 따라, 지상의 Mesh Network을 논리적인 이중계로 구성하여 특정 구간의 MPP 장애 시 인접 계의 Mesh Point에서 자가 경로복구 기능을 구현하였다. 본 시험에서는 1계 MPP(식별자 MP3)의 장애 발생 시 MP1-2는 평균 49.423sec 이내에 인접 무선Mesh와의 연결을 통해 경로를 복구하였으며, 인접 무선Mesh와 의 신호품질이 양호할수록 복구시간은 단축될 수 있다. 또한 해당 계의 MPP가 정상 동작 시 해당 MP는 원복한다.
2.6.2 전파간섭(차상 무선Mesh 접속 및 지상 무선Mesh 중계 구간) 본 시험에서는 5GHz 대역의 Bandwidth 40MHz 대역을 5MHz 단위로 구분하여 해당 주파수의 인접 주파 수부터 중심주파수까지 전파간섭을 발생시켰으며, 신호발생기에서 최대 –19dBm ~10dBm 범위 내에서 측 정하였다. 실 운용환경에서는 신호세기와 다른 의미로 잡음(noise)이 상존하는 상황에서 열차가 운행될 수 있으 며 본 시험의 차상 무선Mesh는 신호세기 대비 잡음비를 백분율로 설정하여 설정값 이상이 검출될 때, 인접한 타 지상 무선Mesh로(이중계 구성) Roaming을 통한 통신경로를 확보하는 알고리즘을 적용하여 다 음 그림과 같이 수행하였다. 차상 무선Mesh는 B역사 시험지점에서 신호세기 –51dBm, 신호품질 45 ~ 48dBm에서 3dB 이상의 간섭을 발생 시 우회경로확보를 위한 Roaming을 전개하였으며, 정지한 상태에서 간섭(Noise)의 영향도를 측정 하여 Roaming을 완료하기까지 평균 5.871msec가 소요되었다. 3dB이하의 신호간섭시에 데이터 전송 Packet의 손실은 없었다. 그림 5. 차상 무선Mesh 접속구간 전파간섭 시험
Mesh Network를 구성하는 지상 무선Mesh는 Mesh Portal Point까지의 Hop 수와 신호품질 SNR 값을 기 준으로 경로를 설정한다. 특히, Hop수의 변화가 없는 상태에서 SNR 값은 연결을 유지하는 주요 요소 (Factor)로서, SNR 값은 수신 측에서 받아들이는 신호세기와 잡음(noise)의 값을 Log Scale로 변환한 것이다. 신호세기는 클수록, noise는 낮을수록 SNR 값은 양호하다.
지상 무선Mesh는 Mesh간 연결경로를 선택하고 유지하는 요소(factor)로서 신호세기 대비 잡음에 따른 SNR값을 참조하며, Hop 구성을 위해 인위적으로 SNR값을(12dBm) 조정한 MP1-1과 MP2 구간에 –19dBm 이 상의 신호간섭을 발생 시, 잡음의 영향도를 측정하여 우회경로를 복구할 때까지 평균 2min 9.818sec가 소요되었다. 이 결과치는 지상 무선Mesh간 연결 시 설계기준에서 최저값으로 구성하였기에 실제로는 (20dBm 이상 확보) 지상 무선Mesh 구간의 신호간섭에 대한 영향은 낮다고 판단할 수 있으며 또한, MP1-1의 우회경로 확보 시 인위적으로 조정한 SNR 값으로 인하여 680m MP3 이외에 유효한 통신통달범위 에서 보다 나은 신호품질을 제공하는 지상 무선Mesh를 탐색하는 시간이 추가로 소요되었음을 고려해야 한다.
그림 6. 지상 무선Mesh 연결구간 전파간섭시험
3. 결론
본 논문은 무선 mesh network를 이용하여 CBTC열차제어시스템의 무선통신망을 구축하여 그 기능과 성 능을 시험하여 차상 무선Mesh와 지상 무선Mesh 간의 roaming을 통해 안정적으로 통신상태가 유지됨을 확인하였으며, 200Byte의 신호전송 전송에 따른 전송지연과 손실률 확인을 통해 통신구간의 신뢰성을 확인하였다. 또한 IEEE 802.11i 기반의 무선보안의 인증 및 데이터 암호화를 통해 외부의 비인가 된 무 선기기의 접속과 침입을 차단하여 통신기반열차제어시스템의 보안성을 제공하고, 무선시스템의 운용환 경에 따라 발생할 수 있는 주파수 간섭, 장애 발생 등에 대한 복구를 지원하므로 CBTC용 무선통신시스 템으로써의 가능성을 확인하였다. 참고문헌
1. MINGHUI SHI, XUEMIN (SHERMAN) SHEN, AND JON W. MARK, UNIVERSITY OF WATERLOO, IEEE802.11 ROAMING AND AUTHENTICATION IN WIRELESS LAN/CELLULAR MOBILE NETWORKS, IEEE Wireless Communications, 2004.
2. Ian F. Akyildiz , Xudong Wang, Weilin Wang "Wireless mesh networks: a survey", Computer Networks, 2005
3. “경산시험선 CBTC 시스템용 무선통신 시스템용 무선통신 시스템 분석 및 시험” 보고서, 포스코 ICT, 2011.
