† 박주연, 비회원, (주)현대로템, 신호팀, 주임연구원 E-mail : yahwue@hyundai-rotem.co.kr TEL : (031)596-9158 FAX : (031)596-1234 * 양희준 : 비회원, (주)현대로템, 신호팀, 연구원 * 강덕원 : 비회원, (주)현대로템, 신호팀, 책임연구원
RF-CBTC 시스템에서 무선통신 커버리지 이중화를 통한 통신 안정성 확보
The Way to Ensure Safety of Communication by Means of Redundancy of Wireless
Communication Coverage in RF-CBTC System
박주연† 양희준* 강덕원* 이종성* Ju-Yeon Park Hee-Joon Yang Deok-Won Kang Jong-Seong Lee
ABSTRACT
This paper describes how to ensure safety of train by guaranteeing stable and continuous communication in RF-CBTC.
CBTC System uses the wireless communication between onboard and wayside so that safety of wireless communication is the most important. Losing the position of train causes vital problem of train service. By losing the position of train, the other trains are blocked in the block and the train move by emergency mode so headway and safety cannot guaranteed.
Therefore, safety is ensured by redundancy of wireless equipment. One of the ways to make redundancy is redundancy of equipment. However, the redundancy of equipment spends a lot of money to avoid interference in limited place like underground. Continuous communication is guaranteed by means of redundancy of wireless communication coverage to solve the problems even though one of the equipment is broken.
1. 서 론 RF-CBTC 제어방식은 열차제어시스템이 CBTC 방식으로 변화하면서 지상 신호시스템과 차상 신호시 스템 간의 통신을 위해 무선통신방식을 사용하는 제어방식이다. 신호시스템에서 열차 위치 추적은 안전성 관점에서 무엇보다 중요한 요소 중의 하나이다. 열차 위치 추적이 상실될 경우 전체 열차 운영에 심각한 문제를 초래하게 된다. 열차의 위치를 상실함으로써 해당 블록에 대한 열차의 진입이 차단되고 위치를 상실한 열차는 비상운 전으로 운행하게 됨으로써 전체적인 운전시격 뿐만 아니라 승객의 안전에 심각한 문제를 초래하게 된 다. 이를 위해 지상 신호시스템과 차상 신호시스템 간의 정보를 주고받는 무선통신 시스템의 안전성을 확 보해야 한다. 안전성을 확보하는 방법 중의 하나로 무선통신 시스템의 이중화를 구현하여 지상 신호시스템과 차상 신호시스템 간의 연속적인 데이터 통신을 보장해야 한다. 그러나 이러한 이중화를 구현하기 위한 방법 중의 하나인 장치의 이중화는 지하공간이라는 한정된 공간에 적용할 경우 장치 간의 간섭을 발생시킬 수 있고 구현을 위해 많은 비용이 소요된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 무선장치의 커버리지 이중화를 통해 무선장치의 고장이 발생하더라도 중단 없이 연속적인 통신을 보장할 수 있다. 2. 본 론 열차 무선 신호제어 시스템은 열차의 안전운행과 고객의 안전 확보를 위한 가장 기본적이면서도 중요 한 시스템으로 각종 상황에 따라 실시간으로 신호를 제어하여 위험 상황에 즉각적으로 대처하고, 사전 에 각종 위험 상황을 예방하여 열차의 안전 운행과 승객들의 안전성 및 편의성을 최대한 보장할 수 있 는 시스템이다. 선로변에 설치되는 지상 무선통신장치와 차량에 설치되는 차상 무선통신장치 간의 연속적인 무선 데 이터 통신을 제공하는 통신설비는 열차 이동과 감시 및 제어를 위한 핵심 요소 설비 중의 하나이다. 차상 무선장치와 끊임없는 양방향 통신을 보장하기 위해 통신 커버리지의 이중화를 구현함으로써 안 전성을 확보할 수 있다. 2.1 무선통신 구성 지상 신호시스템과 차상 신호시스템 간의 무선통신을 위한 구조는 다음과 같다. 그림1. 지상과 차상 신호시스템 간의 무선통신 구성 지상에 설치되는 무선통신장치는 선로변에 포설되는 백본용 광케이블과 접속하여 백본망을 통해 전달 된 데이터를 이더넷으로 변환한 후 무선 변환을 거쳐 무선통신 안테나를 통해 열차에 무선통신 인터페 이스를 제공한다. 차상 무선통신장치는 무선송수신 장치를 통하여 차량제어 신호를 차량에 전달한다. 지상 데이터 통신장치는 이중화로 구성된 백본망과 백본스위치를 통해 전체적인 무선 네트워크를 통 제, 관리하게 된다.
2.2 무선통신 안테나 선정 및 구간별 안테나 설치 무선통신에서 무선 데이터를 송수신하는 장치와 이런 무선 데이터를 수신하여 전달하는 안테나의 위 치 선정은 무엇보다 중요하다. 지상 무선통신장치 안테나는 가시거리(LOS) 환경과 비가시거리(NLOS) 환경, 구조물의 형태에 따라 안 테나의 배치가 필요하다. 기본적으로 지상 무선통신장치 안테나는 선로 측면에 교차 설치된다. 또한 구 간의 환경을 고려하여 기본적인 무선 품질 환경이 이루어지도록 안테나 배치를 한다. (1) 무선통신 안테나 무선 커버리지는 송신출력, 수신감도 및 안테나 종류에 의해 결정되고, 지상 무선통신장치의 배치 또 한 공간적 전파 환경과 안테나의 형태를 고려해야 하므로 이를 고려하여 최적의 안테나를 선정한다. 그림2. 지향성 안테나의 빔 패턴 (2) 직선구간 안테나 배치 지상 무선통신장치 안테나는 수평 빔폭이 28도를 사용하므로 최적의 무선 커버리지가 확보될 수 있도 록 지주대 기준으로 바깥쪽으로 14도 이상 지향시키며, 최적의 지향각은 실험을 통해 산출하여 적용한 다. 그림3. 직선구간 안테나 배치 (3) 곡선구간 안테나 배치 곡선 구간에서는 지상 무선통신장치 안테나를 곡선 구간의 중심구간에 배치하고 직선 구간의 지향각 에 곡선을 이루는 구배각을 추가하여 안테나 지향각을 설정한다.
그림4. 곡선구간 안테나 배치 (4) 안테나 측면 설치 방법 지상 무선통신장치의 안테나는 교차 진행하는 열차의 영향을 최소화하면서 가시거리(LOS)를 확보하기 위해서는 최대 높은 위치에 설치하고 안테나의 지향각을 열차방향으로 조정하여 설치하는 것이 가장 좋 은 안테나 설치 방법이다. 하지만 개방된 구간에서는 구조물의 설치 위치 및 높이에 제한을 받을 수 있 으므로 차량 지붕면을 기준으로 1미터 높이에 안테나를 설치하고, 안테나의 빔폭을 고려하여 차량방향 으로 지향각을 줘서 설치한다. 그림5. 안테나 측면 설치 방법 선로 방향으로 안테나를 설치하는 조건도 안테나의 수평 빔폭을 고려하여 열차 방향으로 지향각을 주 어 설치하며 교차되는 차량에 의한 영향을 최소화 시킬 수 있도록 한다. 그림6. 안테나 선로방향 설치 방법
2.3 통신설비 이중계 단위 지상무선통신 설비의 장애가 발생되어도 연속적인 무선통신이 가능하도록 이격거리의 설계를 최 대 가능 이격거리의 1/2로 구현한다. 이중계 구성은 직선구간과 곡선구간을 고려하여 설계하여야 하고 커버리지가 중첩되도록 설계하여 무 선통신 장치의 장애가 발생하더라고 연속적인 데이터 통신이 이루어지게 설계하여야 한다. (1) 직선구간 무선 커버리지 중첩 설계 다음은 직선 선로구간의 가시거리(LOS) 환경에서의 무선 커버리지의 중첩 설계의 개념도이다. 그림7. 중첩 무선 커버리지 그림8. 단위 지상 무선장치 장애 시 중첩 무선 커버리지 그림9. 이원화된 단위 통신선로 장애 시 중첩 무선 커버리지
(2) 곡선구간 무선 커버리지 중첩 설계 다음은 곡선 선로구간의 무선 커버리지 중첩 설계 개념도이다. 곡선구간의 근거리로는 가시거리(LOS) 환경을 구성하고 원거리로는 비가시거리(NLOS) 환경을 구성하 여 설계한다. 그림10. 곡선구간 무선 커버리지 중첩 설계 곡선 구간의 무선 커버리지 중첩 설계하기 위해서는 곡선 구간의 중심부에 지상 무선통신장치를 배치 하여 장애 시 직선구간과 인접되어 배치된 지상 무선통신장치를 통해 연속적인 통신이 가능토록 설계하 고, 곡선 구간에서는 지상무선 통신장치를 직선구간 대비 근접 배치하여야 하며, 곡선구간의 전파환경 분석을 통해 안테나 지향각도를 조정해야 한다. (3) 백본과 지상무선 통신장치의 이중화 무선통신 시스템은 데이터 통신장치의 장애를 대비하여 연속적인 무선통신을 보장하기 위하여 이중계 구성을 기본으로 한다. 인접된 지상무선통신장치는 서로 다른 백본을 사용하고, 무선 커버리지를 중첩 설계함으로써 단위 지상무선통신장치나 단위 백본 네트워크의 장애에 대비할 수 있는 구조로 설계하여 야 한다. (4) 채널분배를 통한 주파수 간섭 방지 중첩되는 안테나 방향의 지상 AP 간의 주파수 이격 범위를 20MHz 이상이 되도록 설계하여 지상 AP 간 주파수 간섭이 발생하지 않도록 설계하여야 한다.
3. 결 론 열차 제어를 위한 신호시스템 방식이 CBTC 방식을 사용하면서 기존에 적용되었던 단순한 지상과 차 상간의 통신 방식이 아닌 무선통신을 통한 열차제어 정보의 전달이 하나의 방법으로 사용되고 있다. 열차를 제어함에 있어 가장 중요시되는 항목 중의 하나가 열차의 안전운행과 고객의 안전 확보이다. 신호시스템에서 열차 위치 추적을 위해 사용되는 무선통신의 연속적인 데이터 통신과 실시간 통신 구 현은 안전성 확보 측면에서 무엇보다 중요하다. 이러한 안전성 확보를 위해 무선통신 장치의 장애가 발생하더라도 연속적인 통신이 가능한 무선통신 의 커버리지 이중화를 구현함으로써 통신의 안전성을 확보할 수 있다. 커버리지 이중화 설계를 위해 현장조건에 적합한 안테나의 배치와 장치 간의 간섭을 최소화시켜야 한 다. 열차제어를 위한 무선통신의 안전성 확보를 통해 안전한 열차운행과 승객의 안전확보, 차량을 이용하 는 승객들의 편의성과 차량 운용의 효율성을 증대시킬 수 있다. 참고문헌 1. 김백현, 신덕호, “열차무선시스템 최신 연구 동향,” 철도저널 제7권 제2호 통권 제23호 (2004. 6) pp.17-22 ISSN 1229-1102 2. 김종기, 백종현, 최규형, "열차무선통신네트워크 최적화를 위한 안테나 배치 및 조정기법," 대한전기학 회 제36회 하계학술대회 논문집 B 3. 안윤섭, "열차제어 시스템을 위한 무선통신 적용 방안에 관한 연구," 서울과학기술대학교, 학위논문, 2010.
