철도전용 무선통신 기술 동향

유럽 UIC는 그림 1과 같이 상용이동통신 표준에서 사용하는 GSM 이동통신에 철도통신 기능을 포함시키는 GSM-R 철도통신규격을 합의하고, 1994년 ETSI에 표준화 작업을 시작하였다. MORANE 프로젝트는 2000년도에 필드테스트를 거쳐 최종 GSM-R 규격을 완성하였다.

그림 1

GSM과 GSM-R 관계

유럽체신청(CEPT)은 2002년에 그림 2와 같이 876~880MHz, 921~925MHz 주파수 대역을 국제 철도통신 주파수로 할당받았고, 2010년에 UIC는 철도 주파수의 부족으로 추가적으로 3MHz RE(GSM-R extended band)를 추가로 할당하였다.

그림 2

GSM-R 주파수 대역

GSM-R은 GSM에 기반을 둔 철도전용 무선통신 기술이다. GSM-R의 망구조는 다음과 같다.

그림 3의 GSM-R 망은 차상장치의 단말기와 완전 이중화로 구성된 BTS, BSC와 MSC 관련 스위칭 장치로 구성되어 있다. 차상 무선통신 장치는 철도전용 음성통신용의 무선 단말과 열차제어를 위한 차상장치로 구분되며, 각 단말은 SIM 카드로 구별할 수 있다. GSM-R은 TDMA 방식으로 보안기능이 강화된 철도 전용 음성 통화 기능과 열차제어의 신뢰성 향상을 위해서 이중화된 무선망으로 구현되었다. 이중화된 무선망은 주 장비에서 장애가 발생하면 예비로 설치된 장비를 통하여 열차제어를 끊김 없이 수행할 수 있다[4].

그림 3

GSM-R 망 구조

열차무선통신을 위한 네트워크는 그림 3과 같이 크게 MSC, VLR, HLR과 GCR로 구성되어 있다. 각각의 모듈들은 호제어 기능, 가입자 정보 관리 기능, 그룹콜 기능을 담당한다.

현재 유럽에 설치된 GSM-R 사양은 표 1과 같다.

철도 음성통화 기능이 추가된 GSM-R은 2007년 스코틀랜드 North Clyde Line에서 운행 중인 독일 고속열차인 ICE에 최초로 적용되었고, GSM-R이 최초의 상업철도로 적용된 것은 프랑스 파리 동역과 스트라스부르를 연결하는 노선이다.

영국 GSM-R 네트워크는 2015년에 MSC 2개와 기지국 3,000개로 약 15,000km의 철도 통신망을 구축 완료하여 운영되고 있으며, 2030년까지 GSM-R을 지원할 것으로 확인되고 있다. 한편, 중국은 2002년 GMS-R를 무선통신 기술로 채택하여 2005년에 장비 구축하였고, 호주는 66개의 터널을 포함한 1,455km의 철도 네트워크에 GSM-R로 디지털 열차 무선시스템을 설치하였다.

철도산업의 발달함에 따라 기존 GSM-R이 제공하는 열차제어와 음성통신 기능에 추가적으로 그림 4와 같이 승객서비스, 영상정보 등의 고도화된 철도서비스가 필요하게 되었다. 위의 서비스를 모두 수용하기 위해서는 새로운 철도전용 무선통신망 개발이 추진되었다.

그림 4

LTE-R 철도 통합서비스

새로운 LTE-R 철도 통합 무선망은 추가된 승객 서비스와 영상정보에 필요한 데이터 전송속도를 제공하고 고속의 열차이동 속도에도 데이터를 전송할 수 있어야 한다. 또한 3GPP SA1은 철도통신에 필요한 요구사항을 정의하고, SA6에서 철도망에 필요한 구조, 기능들을 추가하여 규격화하였다.

국내에서는 LTE-R 철도통합무선시스템을 위하여 공공안전통신망용으로 할당된 700MHz 대역을 할당하였다.

그림 5의 국내 철도통합무선망(LTE-R) 시스템은 철도교통 관제센터, 광 전송망, DU, RRU, 차상 단말 장치와 승무원 휴대 단말기 등으로 구성된다. 열차 운전자는 차상 단말 장치를 이용하여 여러 가지 열차 관제 음성통화 서비스들을 이용할 수 있다. 철도교통 관제센터는 단말의 이동성을 관리하는 MME, HSS, PTT 서버와 EPC와 외부망 패킷 전달을 담당하는 P-GW, 보안을 위한 방화벽으로 구성되어 있다[5].

그림 5

국내 LTE-R 시스템 구조

국내 LTE-R 철도통합 무선시스템은 3GPP SA1 TR22.889 서비스 및 시스템 요구사항을 적용하였고, Release 13 기반인 국내 LTE-R의 주요사양은 표 2와 같다.

LTE-R 철도통합무선망 시스템은 삼성전자, 노키아, 에릭슨, 화웨이에서 개발되어, 관제 센터 운영자, 유지 보수 및 기타 철도 직원 간의 음성 통신 기능을 제공한다. 또한 본 시스템은 PTT 그룹 통신, 방송, 위치에 따른 주소 지정 및 다단계 우선순위 기능을 철도전용 기능도 제공한다.

2016년 부산지하철에 처음으로 구축된 LTE-R 시스템은 2016년도 5개 노선을 구축하였고, 2017년에 원주–강릉 노선을 노키아 장비로 구축하였다. 또한, 2018년에 대구선 복선전철을 시작으로 3개의 노선을 2020년까지 구축하였고, 2020년에 동해선, 경부선, 평택선 구축을 시작하였다. 2021년에 호남고속선의 LTE-R 철도통신무선망 시스템 구축을 시작으로 신규 노선과 개량 시기의 일반·고속철도의 모든 노선을 2027년까지 단계적으로 구축할 예정이다.

국내에서는 구축 중인 LTE-R 철도통합무선망을 이용하여 새로운 국내 철도 장치 개발의 인프라로 활용할 예정이다[6].

최근 열차제어시스템은 열차제어 효율성 향상과 운전시격을 단축하기 위해서 지상설비 중심에서 차상설비 중심으로 진화하는 연구가 진행 중이다. 또한 무인자동운행이 가능한 지능형 열차자율 주행을 위하여 T2T와 T2I를 위한 직접통신 기술개발의 필요성이 대두되고 있다[7].

그림 6은 열차제어를 위한 열차 정보를 지역제어기에 전달하는 과정 없이, 후행 열차 스스로 MA 기능, 위치 보고 기능, 선로자원 확보 기능을 위하여 선행 열차에게 직접 정보를 전달하는 T2T 통신 기술과 운행하는 열차와 선로 주변 장치가 직접 필요한 정보를 주고받는 T2I 통신기술을 기반으로 열차자율주행 무선통신을 설명하고 있다.

그림 6

열차자율주행 무선통신 개념

출처 게티이미지뱅크, 무단 전재 및 재배포금지

열차자율주행에서 열차제어를 위한 무선통신 기술은 그림 7과 같이 T2I, T2T와 RSM으로 구성되어 있다.

그림 7

열차자율주행 무선통신 기술 정의

T2T 통신 기술은 열차 정보를 선행 열차가 직접 후행 열차에게 전달하여, 후행 열차가 안전한 간격과 분기를 제어하게 하는 기술이다.

T2I 통신 기술은 선로 주변의 인프라 장치들이 지상 연동장치를 통하여 지역제어기에 전달하는 것이 아니라 열차무선통신망을 통하여 열차들에게 열차제어에 필요한 정보를 직접 안전하게 전달한다.

RSM 통신 기술은 열차와 선로 주변의 인프라 장치들이 정보전달 시 데이터 암호화, 데이터 무결성 및 기밀성 확보를 위한 장치 인증 및 암호화하는 기술이다.

현재 유럽은 열차자율주행에 사용하는 열차 간직접통신 기술을 활용하여 기존 90초의 운전시격을 60초까지 단축시킬 수 있는 열차중심 CBTC 기술을 개발 중에 있다. 또한 Shift2Rail 프로젝트는 선로 용량을 향상시키기 위한 가상 연결 기술에 대한 연구를 추진 중이고, 독일 항공우주센터(DLR)는 차세대 열차 프로젝트에서 가상연결기술과 열차 간 직접통신 기술을 연구하고 있다[8].

가. 유럽연합 – Shift2Rail

유럽 공동 프로젝트인 Shift2Rail은 다양한 열차 분야에 대한 연구를 진행하고 있다. 특히 선로의 용량을 증대와 운영자 혹은 승객에게 향상된 서비스 제공을 목표로 열차 간 직접통신 기반의 가상연결기 연구를 2018년부터 수행하고 있다. 선행 열차는 영업 운전에 필요한 제어기능과 후행 열차를 추돌과 탈선으로부터 보호할 수 있는 기능을 연구하고 있다[8].

나. 독일 – DLR

Shift2Rail 프로젝트의 회원인 독일 항공우주센터(DLR)는 주행 중인 열차의 가상연결기 기능을 위한 열차 간 직접통신, 절대위치, 상대위치, 속도 및 가속도 측정을 위한 센서에 대한 연구개발을 수행하고 있다. 본 기능은 최대 시속 500km에서 동작하는 것을 목표로 하였고, 화물열차 자동 가상연결기 기능도 추가 연구하고 있다[8].

다. 프랑스 – Alstom

Alstom은 기존 CBTC의 한계를 극복하기 위해 차세대 Train-centric CBTC Urbalis Fluence를 개발 중이다. Alstom의 자율주행 열차는 비상제동으로 인한 정차 상황에서 스스로 주행 가능한 상태로 회복하는 전방감시기술, 열차 스스로 간격과 분기를 주행하는 열차제어기술, 관제의 감시 및 개입 기능까지도 열차가 수행하도록 관련 연구를 개발 중이다.

프랑스 SNCF 자율주행 열차는 2023년부터 캐나다 Bombadier와 Alstom과 공동으로 5G 통신기술을 활용한 운행을 계획 중이다[7].

라. 영국 - Closer Running 프로젝트

2017년, 영국 RSSB는 열차의 수송량 증대를 위한 Closer Running 프로젝트를 시작하였다.

Closer Running 프로젝트는 열차 자율주행에 필요한 전송지연 절감을 위한 T2T 통신기반 열차제어기술, 열차 스스로 판단하고 결정하는 지능형 자율주행 열차기술, 수송량 극대화를 위한 주행 중 열차의 가상결합 및 분리기술과 신뢰성 있는 선로전환 기술을 포함하고 있다. 또한 Closer Running프로젝트에서 열차 간 운전시격 단축을 위한 Coupling/Uncoupling 기술도 설명하고 있다[9].

마. 국내 열차자율주행 무선통신 기술 방향

열차자율주행제어는 열차제어 및 가상 연결을 위한 열차 간 직접통신 기술 개발이 필요하다. 이절에서는 고신뢰 저지연 기능이 필요한 열차 간 직접통신 후보기술인 WAVE와 이동통신 기술의 개발 동향을 설명한다.

1) WAVE 기술

WAVE 통신은 교통 혼잡도, 안전운행과 대기 오염 감소를 위해서 교통 정보 시스템에 첨단 IT 기술을 접목하는 협력 지능형교통체계(C-ITS)의 핵심 기술이다. 열차자율주행 직접통신을 위하여 검토된 5.9GHz 전용주파수대역 WAVE 통신 표준은 그림 8과 같다. WAVE 프로토콜은 IEEE 1609과 IEEE 802.11p 규격으로 구성되어 있다.

그림 8

WAVE 프로토콜

최근 WAVE 프로토콜을 이용한 V2V와 V2X기술을 철도 분야의 T2T, T2I에 적용하여 성능평가를 실시하였다[10].

기술 적용성 검토 결과 추진제동 메커니즘의 상이함, 3km 직접통신 커버리지와 철도통신의 높은 신뢰도 때문에 WAVE 방식의 V2X가 철도에 적용하는 것은 불가능함을 확인하여 열차자율주행시스템을 위한 새로운 통신 방식의 필요성이 대두되었다[11].

2) 이동통신 기술

열차자율주행시스템이 열차제어정보를 무선으로 신속 정확하게 전달하기 위한 그림 9와 같은 열차무선통신망 기술이 필요하다.

그림 9

열차자율주행을 위한 무선통신 기술

그림 9의 T2T 통신 기술은 크게 열차 간 자율주행을 위한 채널모델링, 능동적 멀티캐스팅 통신, 핸드오버 및 음영 셀 축소 기능과 무선채널 신뢰성 향상을 위한 무선통신 다중화 기능으로 구성되어 있다.

T2I 통신 기술은 선로 주변의 인프라 장치가 열차무선통신망을 통하여 열차들에게 직접 정보를 전달하기 위해서 채널모델링, 선로주변장치 통신 상태 관리기능과 초지연감소 기능으로 구성되어야 한다.

열차중심의 열차제어를 위한 RSM(Railway Security Management) 통신 기술은 무선통신을 위한 기기 인증 및 암호화 기술과 무선통신망 코어부 내VNF 이동성 가속화 공격탐지 기술로 구성할 수 있다. 그림 9와 같이 도출된 연구 분야는 철도 R&D 기획으로 진행하고 있다.

하이퍼루프는 아진공 튜브 내에서 캡슐 차량이 1,220km/h까지 주행할 수 있는 철도시스템이다. 캡슐 차량은 마찰저항력을 제거하기 위해서 튜브 내에서 부상하는 선형유도모터 방식으로 추진하는 자기부상 기술을 사용하였다. 차량속도 향상을 방해하는 공기에 의한 저항을 최소화하기 위해서 튜브 공간을 아진공 상태로 유지시킨 상태에서 운행하는 방식을 채택하였다[3,12].

현재, 하이퍼루프 캡슐 장치 제어와 사용자 서비스를 제공하기 위해서 아음속 아진공 튜브 내에서 초고속 아진공 열차무선통신 기술을 국내외에서 연구하고 있다.

그림 10은 아진공 튜브 내부에서 초고속으로 주행하는 캡슐 차량을 제어하기 위해서 필요한 HTX(한국형 하이퍼루프) 무선통신시스템 개념도이다. 위의 HTX 무선통신시스템은 크게 캡슐 차량 내 설치되는 hPU, 튜브 내 설치되는 hRU와 튜브 밖의 hDU와 망접속 hGW로 구성할 수 있다.

그림 10

HTX 무선통신시스템 개념도

하이퍼루프는 튜브 인프라를 아진공 상태로 만들어 공기저항을 감소시켜 캡슐 차량을 아음속으로 운행시키는 것이다. 그러나 하이퍼루프는 초고속으로 발생하는 도플러 주파수 천이로 인하여 신호의 직교성을 이용하는 기존이동통신 무선접속 방식을 사용하는 데 한계가 있다[13].

하이퍼루프 무선통신망 기술은 그림 11과 같은 아진공 아음속 특성을 반영하기 위해 기존의 채널모델링과 무선접속 기술과는 다른 새로운 접근 방식의 기술 개발이 연구되어야 한다.

그림 11

초고속 하이퍼루프 무선통신 기술

아진공을 위한 도파관 내의 전파 특성을 고려한 셀 플래닝과 고속 핸드오버 기술 연구가 필요하다. 또한, 캡슐 내 안전 점검용 CPS 서비스를 위한 고신뢰성 있는 초저지연 기술 개발이 필요하다.

하이퍼루프 개발 현황은 미국 스타트업 업체를 선두로 유럽, 캐나다, 중동 등에서 시장 선점을 위한 기술을 개발하고 있으며 정부 정책에도 반영하고 있다[12].

가. 미국

2020년에 미국 연방정부는 고속이동·고효율 신 교통수단 도입에 대해 기존 법률 및 규제 개선을 위하여 연방 교통부에 신교통기술위원회를 구성·운영하고 있다.

상용화 기술 개발은 Virgin Hyperloop One, HTT 등 스타트업 업체를 중심으로 진행 중에 있다. Virgin Hyperloop One(미국)은 네바다 사막 약 500m 시험선에서 2017년 8월 최고속도 387km/h를 달성하고, 2020년 11월 첫 유인 시험주행(2명 탑승, 15초간 주행, 최대속도 172km/h)을 성공하였다.

나. 유럽

유럽은 하이퍼루프 표준화 위원회 CEN/CLC/JTC 20을 개설하여 표준화작업에 착수하였다.

또한 네덜란드 정부는 Hardt Hyperloop사가 추진 중인 European Hyperloop Center(길이 3km, Groningen시) 구축에 4.5Million 유로를 투자하였고, 프랑스 정부는 HTT사와 협력하여 프랑스 툴루즈 지역을 유럽 하이퍼루프 연구개발 본부로 개발·지원하고 있다.

다. 중국

중국은 4,000km/h의 차세대 교통수단 개발을 위하여 초전도 자기부상기술과 진공터널 연구개발에 착수하였고, 정부 차원에서 중국형 하이퍼루프(T-Fright) 개발 3단계 연구개발계획을 공식 선언하여 추진 중이다.

서남교통대에서는 초고속 철도연구를 위한 기초연구를 수행하고 직경 4.5m의 고온초전도 자기부상방식의 원형 진공튜브 시험장치 보유하고 있으며. 최근 140m 길이의 하이퍼루프 테스트베드를 개발하였다.

라. 국내 R&D 동향

본 장에서는 국내에서 연구 개발 중인 HTX 기초 연구 소개와 초고속 하이퍼튜브 무선통신 기술을 설명한다.

HTX는 한국철도기술연구원에서 연구 진행 중인 한국형 초고속 튜브형 신 교통시스템이다. 하이퍼튜브는 시속 1,000Km 이상의 속도로 아진공 튜브 내에서 주행하는 방식이다. HTX는 미국의 하이퍼루프와 유사하나, 차량의 부상방식은 유도반발식(EDS)이고 추진방식은 선형동기모터(LSM) 구동 방식으로 다른 시스템이다[14].

초고속 하이퍼튜브 열차제어 및 서비스 제공을 위한 무선통신 기술은 그림 12와 같이 아진공 아음속 튜브환경을 위한 전파 모델 기술, 무선접속 기술과 초고속 하이퍼튜브 무선통신시스템 개발로 구성되어 있다.

그림 12

초고속 하이퍼튜브 무선통신 기술

아진공 아음속 튜브환경을 위한 전파 모델 기술은 아음속 튜브에 적합한 신규 무선주파수 연구, 전파 모델링 기술과 튜브에 적합한 안테나를 연구하는 것이다. 아음속에 적합한 무선접속 기술은 초고속 하이퍼튜브 무선통신을 위한 요구사항 연구, 시스템 구조 연구와 고속 핸드오버 방식을 연구하는 것이다.

초고속 하이퍼튜브 무선통신시스템 개발 및 시험은 크게 튜브속 캡슐에 설치되는 단말장치 개발, 튜브에 설치되는 기지국장치와 연동 시험에 필요한 DM 장치를 개발하고 시험하는 것이다. 현재 하이퍼튜브 기술은 2021년 2월에 국토부·과기부, 5개 출연연, 철도공사·공단 등이 참여한 과기부「혁신도전 프로젝트」 연구테마로 선정되어 기획재정부 예비타당성 사업 제안을 위한 기획을 하고 있다.