철도에서의 전파(무선)통신

금일은 철도에서의 전파(무선) 현황, LTE-R 도입 배경 및 효과, 발전방향에 대하여 살펴보겠습니다.

철도에서의 전파(무선)통신

 

 

1. 인간과 통신

인간 생활에 통신은 태초에서부터 시작되지 않았을까 싶다.
통신이란 단어의 표준국어대사전 뜻풀이를 보면 4가지로 나온다. “1. 소식을 전함.” “2. 인편이나 전신, 전화 따위로 정보나 의사를 전달함, 또는 그 내용”, “3. 신문이나 잡지에 실을 기사의 자료를 보냄, 또는 그 자료”, “4. 정보 전달을 다루는 과학 기술. 정보를 모아 전류나 전기장으로 바꾼 다음 전기적 계통이나 공간을 통하여 다른 지점에 전달하면 수신자가 이해할 수 있도록 다시 바꾸는 기술이다.”
요약하면, 통신이란 ‘인간이 소식이나 의사, 감정, 지식, 자료 등이 포함된 정보를 공간적 사이에서 주고받는 행위 또는 그 기술’이라 해도 무방하겠다.
전기가 발명되기 전의 통신 형태나 방법은 상대방이 보이는 근거리에서는 음성이나 표정 또는 손짓, 발짓을 사용하였을 것으로 추측된다. 가시거리(LOS : Line of Sight)지만 원거리끼리는 불(봉화), 연기(봉수), 깃발, 빛 반사 등을 이용하고, LOS를 벗어난 경우에는 북소리, 나팔 등을 사용하거나 사람(파발)을 보냈을 것이다.

 

2. 전파(무선)통신의 등장

인간이 전파의 존재를 알게 된 것은 매우 우연이었던 것 같다. 필자가 알고 있는 전파의 최초 경험자는 공학도가 아니다. 18세기인 1780년경 이탈리아 해부학자 ‘갈마니’의 부인은 남편의 실험실에서 해부용 개구리를 보고 금속성 매스로 건드리다 전기불꽃이 튀는 경험을 하였는데 이 현상은 정전기 방전에 의한 전자파 발생 현상이었던 것 같다.

전파의 최초 경험자

 

1865년에야 ‘맥스웰’이 그 유명한 ‘맥스웰 방정식’을 발표함으로써 이론적으로나마 전파의 존재를 증명하였다. 그 후 1887년에는 독일의 과학자 ‘헤르츠’가 전자파를 포착하는 실험에 성공하였으며, 1895년 ‘마르코니’는 전파를 이용한 무선통신을 최초로 성공하였다. 그때의 통신거리는 2마일이었다고 한다.

전파를 이용한 최초의 무선통신

 

 

1901년 다시 ‘마르코니’가 대서양을 건너는 장거리 무선통신을 성공한 후 산업혁명과 기술 발달로 통신의 거리, 속도, 정보량 면에서 비약적으로 증대되었다. 통신 기술은 발전을 거듭한 결과 지구상을 넘어 우주공간까지 통신이 가능한 전파(무선)통신기술로 발전하였다.
오늘날 전파(무선)통신은 컴퓨터와 인터넷 등 초고속 디지털 네트워크 통신의 발전에 힘입어 실시간으로 멀티미디어 통신과 및 방송이 가능해지고 마침내 전파(무선)통신 기술은 인간에게 시공간을 초월하여 언제 어디서나 편리하게 정보를 전달하고 이용할 수 있게 함으로써 정보 통신·방송의 유토피아(유비쿼터스) 시대를 누리게 하고 있다.

 

3. 우리나라 철도의 무선(전파)통신 현황

철도의 탄생은 제1차산업혁명을 태동시킨 영국에서부터이다. 1825년 최초의 열차가 운행되었을 당시에는 증기기관차의 앞에 깃발을 든 기마수가 달리면서 통신을 하였다고 하니 영화의 한 장면처럼 떠오른다.
한국철도는 조선시대인 1899년 9월 18일 노량진∼제물포(인천)간 개통 이래 철도통신 또한 발전을 거듭하였으며 2004년 4월 세계에서 5번째로 고속철도를 개통한 철도 선진국이 되었다.
우리나라 철도에 최초로 무선통신이 도입된 것은 1969년 외국 제품인 VHF 무전기(무선통신장비)이다.

우리나라 철도에 최초 도입된 무선통신장비, 출처:1969.01.15. 동아일보 기사]

 

 

철도통신의 경우 대부분의 정보가 열차 안전운행과 관련되어 있으며, 현재의 통신 시스템은 대부분 유선통신을 이용하고 있다. 고속철도, 일반철도, 도시철도(전철), 화물열차 등이 같은 레일 위를 빠른 속도로 촘촘히 안전하게 운행할 수 있는 것은 무엇보다도 통신 기반의 철도신호시스템 덕분이라고 해도 과언이 아니다.
시속 300㎞ 이상 고속으로 운행되는 열차와 승객의 안전을 확보하기 위한 대량의 열차운행관련 연속정보를 실시간으로 주고받기에는 철도통신 특성상 유선통신방식은 한계가 있다. 그래서 최근에는 컴퓨터 기술과 무선통신 기술을 이용한 안전하고 효율적인 ‘무선통신기반한국형열차제어시스템(KTCS)’이 개발되어 실용화까지 마침으로써 무인운전도 가능하게 되었다.

현재 국내 철도 전용 무선통신망의 경우 크게 3가지로 분류할 수 있다. 단순 음성통신만 가능한 2G 방식인 VHF와 2004년 도입된 고속철도에는 기존 VHF와는 달리 간단한 문자 메시지를 주고받을 수 있는 TRS를 혼용하고 있다. 또한, 국책사업으로 연구 개발하고 세계 최초로 철도 운행선에 시범 설치한 제4세대 이동통신기술 기반의 LTE-R(철도통합무선망)이 있다.
LTE-R은 700㎒대 주파수를 사용하는 국가통합공공안전통신망의 하나로 음성통화와 장·단문의 문자 메시지는 물론이고 영상통화뿐만 아니라 멀티미디어 자료파일까지 실시간으로 전송이 가능하다. 2018평창동계올림픽 준비 단계에서 원주~강릉 고속철도 구간에 LTE-R 시스템을 2016년 처음 구축하였다.

세대별 통신망 비교, 출처:https://www.youtube.com/watch?v=YQUQ5Kjir14]

 

 

철도 노선별로 다르게 구축되어 사용하고 있는 세대별 무선통신망은 증가하는 이용 승객의 안전과 서비스 품질 요구를 충분히 수용하기에는 한계가 있어 보인다. 이러한 이유로 LTE-R 시스템은 신설선뿐만 아니라 기존 철도 운행선에도 확대 구축 중이다.

 

4. LTE-R 도입 배경

국가적인 각종 재난 발생 시 현장에서 일원화된 지휘 및 모니터링을 위한 무선통신망(통합공공안전통신망) 필요성이 대두되었으며 논의 결과 4세대 무선통신 기술인 LTE(Long Term Evolution) 기술과 700㎒ 대역 주파수를 활용키로 결정되었다.
통합공공안전통신망은 재난안전통신망(PS-LTE), 해상안전통신망(LTE-M), 철도통합무선망(LTE-R) 3가지가 있으며, 모두 700㎒ 대역의 동일한 주파수를 사용한다.

통합적 재난대응체계, 출처:Naver blog <사과나무의 정리노트> “철도통합무선망 LTE-R(Long Term Evolution-Railway

 

 

즉, LTE-R은 LTE-Railway 의미로 700MHz 주파수 대역을 사용하여 철도 무선통신 서비스 제공을 위한 LTE 기술 기반의 “철도통합무선통신망"이다.
1세대 무선통신망(VHF)과 고속철도에 도입된 2세대 무선통신망(TRS)은 음성과 간단한 단문 메시지 정도의 저용량 데이터만 전송할 수 있는 반면, LTE-R 시스템에서는 열차와 지상, 열차와 열차, 지상과 지상 간 대용량(음성통화, 영상통화, 동영상 전송 등) 무선통신이 가능해졌다.
또한, 이동하면서 휴대용 LTE-R 단말기를 이용하여 안내방송과 비상인터폰 호출에 응답(통화)이 가능하다.

 

5. LTE-R 도입 기대효과

가. 실시간 열차 운행 상태 확인 가능
열차 운전실에 설치된 LTE-R 차상장치를 통해 기관사와 철도교통관제센터 또는 운행관리자, 유지보수자 등 철도종사자가 실시간으로 차량 운행 상태를 확인할 수 있다.

차상장치 실시간으로 차량운행 상태 확인, 출처:Naver blog <사과나무의 정리노트> “철도통합무선망 LTE-R(Long Term Evolution-Railway

 

 

나. 열차운행, 시설관리 및 유지보수 효율성 증대
각종 LTE-R 단말장치를 통해 열차 운행에 관한 정보를 관리하거나 철도시설물 관리 및 유지보수, 점검이 가능하므로 철도운영의 효율성을 증대, 여객에 대한 서비스를 증대시킬 수 있다.

 

LTE-R 휴대단말기 열차운행, 시설관리 및 유지보수, 출처:Naver blog <사과나무의 정리노트> “철도통합무선망 LTE-R(Long Term Evolution-Railway

 

 

다. 사고 발생 시 관계자들과 실시간 영상통화, 매뉴얼 등 자료 다운로드 등으로 신속한 복구 가능
사고 발생 시 철도뿐만 아니라 범국가적인 관계자들과 영상통화, 각종자료 전송 및 다운로드 받아 신속한 사고 복구 등 상황에 효과적으로 대응할 수 있다.

LTE-R 휴대단말기 사고 발생시 관계자들과 영상통화, 출처:Naver blog <사과나무의 정리노트> “철도통합무선망 LTE-R(Long Term Evolution-Railway

 

 

라. 사물인터넷(IoT) 기반의 다양한 응용서비스
사물인터넷(IoT) 기반의 다양한 응용서비스를 개발하여 활용할 수 있다. 예를 들면, 철도시설물에 센서를 부착하여 유지보수 담당자에게 무선으로 관련 정보를 전송하여 신속한 유지보수 및 예방 수리도 가능하다.

IoT 사물인터넷 기반의 응용서비스, 출처:Naver blog <사과나무의 정리노트> “철도통합무선망 LTE-R(Long Term Evolution-Railway

 

 

마. 세계시장 진출 가능
국제 기준과 호환성을 가진 LTE-R(무선통신) 기술 기반의 열차제어시스템 개발 및 국내 재난안전산업계의 글로벌 경쟁력 확보를 통해 세계시장 진출 및 관련 기술 수출도 가능하다.

 

6. 철도무선통신의 향후 발전 방향

LTE-R망에 제4차산업혁명의 핵심 요소인 IoT, AI, 빅데이터 기술을 접목한다면 철도의 여러 분야 종사자(선로작업자, 역무원, 기관사, 관제사, 관리자 등) 간 실시간 열차운행정보 및 시설정보 공유로 철도 재난 및 안전사고를 예방할 수 있을 뿐만 아니라 각종 실시간 정보 수집 및 빅데이터 분석을 통해 신속 정확한 열차 운행, 대 승객 서비스 향상, 각종 시설물 및 차량 유지관리 등 많은 분야에서 자동화 및 스마트 운영이 가능해질 것으로 기대된다.

 

 

[참고문헌]
1. “철도무선통신의 역사와 발전에 관한 연구”, 주희돈 외, 2018년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집
2. “LTE-R 철도통신의 혁신을 이루다”, 국가철도공단 홍보영상(youtube)
3. “철도통합무선망 LTE-R(Long Term Evolution-Railway)”
Naver blog <사과나무의 정리노트>
https://m.blog.naver.com/conquer6022/221849263964

 

 

※ 다음 원고에는 ‘LTE-R(철도통합무선망)에 대해 작성 예정입니다. 감사합니다.

 

 

정보통신기술사 박병열