국내 철도통신 기술이 해외 기술에 의존함에 따라 3가지 방식(VHF, TRS-Astro, TRS-Tetra)을 혼용해 사용하고 있다. 이로 인해 안전, 운영 및 유지보수에 문제가 발생할 뿐만 아니라 철도용 무선통신 및 지상신호설비 등의 시설에 사고가 빈번해 안전성 강화 방안이 요구되면서 국가철도 통합무선망 구축의 필요성이 대두되고 있다. 이에 연구팀은 세계적인 국내 LTE 기술을 철도 통합무선망에 적용하여 국산화하기 위한 시험용 인프라를 구축하고 성능시험을 추진하고 있다.

　△개발배경

　2011년 5월 서울 지하철 4호선 한성대입구역 신호케이블 화재로 19시간동안 열차가 정상 운행되지 못한 사건이 있었다. 연마차 불똥이 신호제어기 전선에 옮겨 붙어 자체 진화를 완료하였으나, 신호장애로 인해 상·하행 열차가 지연운행된 것이다. 이와 같이 국내 철도통신시스템은 유선망으로 구축되어 있어 화재, 수해 등이 발생하면 신속한 복구가 어렵다.

　현재 국내 철도 기술은 자동화 기술의 발달로 신분당선과 같은 첨단 무인운전기술까지 국내에서 개발했지만 운영모드 분야에서는 철도용 주파수가 없어 통합망을 구축하지 못하고 여전히 보안에 취약한 ISM 밴드(Industrial Scientific Medical Band, 산업·과학·의료 분야에서 사용허가 없이 자유롭게 사용할 수 있는 대역폭) 무선랜을 사용하고 있다. 이에 철도용 유선 통신 및 지상신호설비 등 지상 인프라 시설의 안전성 강화방안으로 국가철도 통합무선망 구축의 필요성이 강조되고 있어 관련 연구개발이 시급하다.

　게다가 세계적으로 기존 철도전용 통신시스템인 GSMR(GSM-Railway)의 한계를 극복할 수 있는 차세대 무선통신 표준의 도입이 요구되는 상황으로 GSM-R과의 호환성을 고려하면서 차세대 통신망에 부합하는 기술이 바로 LTE-R(Long Term Evolution-Railway)이다.

　LTE-R은 아직까지 상용화되고 있지는 않지만 2017년 이후 기존의 3G 방식에서 4G 방식으로 전환될 것이 확실시되고 있어 만일 국내 기술이 개발되지 못하면 현재 추진 중인 GTX, 인천공항, 서울~평창~강릉 등 발주시점이 임박한 구간에 엄청난 비용을 들여 해외 통신시스템을 구축할 수밖에 없는 실정이다. 이에 LTE를 기반으로 한 철도무선통신망인 LTE-R에 대한 국내 기술개발이 반드시 필요하다.

　△대불선 12㎞에 통합 시험 무선망 구축

　2012년 9월 철도전용 통합무선망 연구가 시작되면서 대불선 일로역~대불역에 세계 최초로 LTE-R을 시험 구축하고, 삼성전자, 삼성SDS와 공동으로 LTE 기반 연속파 측정 시험을 진행하였다. 연속파 측정시험에서 대불시험선(12.3㎞) 구간에 대하여 최적 안테나 설치위치를 파악하기 위해 4회에 걸쳐 최적화 작업을 거친 후, 기지국 역할을 하는 RU(Radio Unit)와 LTE-R 기능의 전반적인 송수신 및 무선자원 제어 기능을 담당하는 DU(Digital Unit)를 일로역 및 대불역 기계실에 각각 1개씩 설치했다.

　△철도전용 단말기 관리를 위한 지상장치 개발

　LTE-R은 그동안 철도 노선마다 서로 달랐던 통신망을 하나로 통합하고, 기존 유선 방식의 열차제어시스템을 무선 방식으로 변화시키는데 의의가 있다. 본 연구에서는 철도전용 지상무선통신 시스템 접속 규격, 및 지상장비 설계, 시험환경 구축 및 차상 장치간 상호환성 시험을 세부과제로 연구를 진행했고, 시험환경 구축과 관련해 지상장치를 개발했다. LTE망의 두뇌 역할을 하는 MME(Mobility Management Entity)과 시스템 간 이동성에 핵심인 앵커(Anchor) 역할을 하는 SGW(Serving Gateway), 단말기에 IP Address를 할당하는 P-GW(PDN Gateway) 등을 구조화하여 LTE-R 네트워크를 구성했다.

　△음성과 영상 전송이 가능한 차상장치 개발

　LTE-R 기반 철도전용 통합무선망은 운행 중 실시간 영상감시, 철도차량 고장진단, 전자발권, 철도차량 내의 멀티미디어 전송속도 증가가 가능하다. 이를 위해 연구팀은 기존 통신방식 기반의 음성전송이 아닌 음성과 영상이 결합된 데이터를 전송할 수 있는 차상단말장치와 지령단말장치를 구분하여 개발했다. 이러한 장치들은 관제사 및 기관사에게 데이터 및 영상 통화를 가능하게 하고, 차상에 설치되어 있는 CCTV를 통해 열차 내 상황을 감지할 수 있게 하며, 비상인터폰 및 객실스피커를 통해 긴급 상황에서 승객과 실시간 영상 및 음성 통화로 대응할 수 있는 장점을 가지고 있다.

　△ICT 기반 철도 분야 기술선도로 창조 경제 실현

　철도표준 통합무선망 장비와 구축기술의 국산화를 실현하면 노후화된 지하철과 광역철도 개량 및 신규철도 건설사업 추진시 연간 463억원의 수입대체 효과가 예상된다. 더구나 영상 기반의 철도안전시스템 구축으로 사고 예방 및 신속한 대응이 가능해져 연간 78억원의 비용절감과 교통사고 사망자 수 감소가 예상된다. 차량 및 인프라 설비의 추가 없이도 선로 용량을 증대할 수 있게 돼 열차혼잡도가 개선되기 때문에 열차 지연율은 2010년 5.1%에서 2020년 4.0%로, 승객대기시간은 2010년 5분에서 2020년 4분으로 단축돼 열차 이용 편의성이 향상될 것이다. 열차의 수송분담률이 2010년 20.5%에서 2020년에는 23.4%로 증가할 것으로 보인다.

　또 타 기술과의 융합 가능성이 높아 고속철도, 도시철도 등 철도차량 선진화, 신호 및 열차진단과 감시시스템 등이 결합된 일체상품으로 해외 철도사업 수주의 발판을 마련해 해외 철도사업을 수주할 경우 영업이익 기준으로 연간 1078억원의 경제적 성과 창출이 발생할 것으로 예상된다. 향후 남북간 대륙철도 연결시 신호통신망이 구축으로 해송 물량의 약 10% 정도가 육로로 처리가 가능해진다면 철도표준 통합무선망 구축 사업을 통해 남북간 긴장완화뿐만 아니라 지역공동체로서의 상호 발전까지도 기대해 볼 수 있을 것이다.

　송용수 철도기술연구원 박사　　

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