KR20240097225A - Ｌｔｅ－ｒ 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법 - Google Patents

Ｌｔｅ－ｒ 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터널 구간 통과, 전파 간섭 또는 수신기 오동작 등으로 GPS 신호가 정상 수신되지 않는 동안에 열차 바퀴 마모나 미끄러짐 등으로 인한 타코미터 방식의 이동거리 계산에 의한 열차 위치 오차를 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용하여 정확하게 보정할 수 있도록 한 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법에 관한 것이다.
본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법은 LTE-R 기지국이 열차 선로를 따라 간격을 두고 복수 설치된 상태에서, 열차가 이동하는 중에 열차에 설치된 측정용 LTE-R 단말로부터 주기적으로 DM 데이터를 수집한 후 기지국 고유식별 정보 및 신호 세기 정보를 추출하는 (a) 단계; 열차가 동일한 고유식별 정보를 갖는 기지국을 통과하는 중에 최대 신호 세기를 측정한 시점에서의 열차 바퀴에 설치된 타코미터 방식의 이동거리 계산에 따른 열차 위치정보를 확인하는 (b) 단계 및 상기 동일한 고유식별 정보를 갖는 기지국의 위치정보와 상기 (b) 단계에서 확인된 열차 위치정보 사이의 편차를 보정값으로 하여 상기 열차 위치정보를 바로잡는 (c) 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

ＬＴＥ－Ｒ 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법{method for correcting train position using signal strength of LTE-R base station}
본 발명은 터널 구간 통과, 전파 간섭 또는 수신기 오동작 등으로 GPS 신호가 정상 수신되지 않는 동안에 열차 바퀴 마모나 미끄러짐 등으로 인한 타코미터 방식의 이동거리 계산에 의한 열차 위치 오차를 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용하여 정확하게 보정할 수 있도록 한 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 철도 차량(열차)은 많은 화물 또는 승객을 이송하는 대단위 교통수단으로서, 선로를 따라 안전하게 운행할 수 있도록 하기 위해 다양하면서도 복잡한 형태의 열차 제어 시스템을 구비하고 있는바, 이를 위해서는 열차의 위치를 정확하게 파악하는 것이 필수적이다.
종래에는 열차의 바퀴에 설치된 타코미터(tachometer)의 회전수에 바퀴의 직경을 곱하여 열차의 이동거리 및 속도를 산출한 결과에 따라 열차의 위치를 판단하고 있다.
도 1은 종래 열차 위치 판단 시스템의 개략적인 시스템 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래 열차 위치 판단 시스템은 GPS 위성으로부터 수신된 신호에 의거하여 열차의 현재 위치정보, 즉 그 지리좌표 정보를 계산하는 GPS 수신부(110), 열차의 바퀴에 설치된 타코미터 장치(140)로부터 수신된 신호에 의거하여 열차의 이동거리 및 속도를 계산하는 이동거리 계산부(130) 및 GPS 수신부(110)로부터 수신된 현재 위치를 기준으로 이동거리 계산부(130)에서 처리된 열차의 이동거리를 계산하여 열차의 현재 위치를 판단하는 열차 위치 판단부(120)를 포함하여 이루어질 수 있다.
전술한 구성에서, 열차의 현재 위치는 GPS 수신부(110)에 의해 산출되는 지리좌표 정보에 의해 주기적, 예를 들어 1초 주기로 갱신될 수 있는바, 이에 따라 열차 바퀴의 마모나 미끄러짐 등에 의해 타코미터 방식의 이동거리 계산에 오차, 즉 위치 오차가 발생하더라도 그 오차가 커지기 전에 GPS 수신부(110)를 통해 열차의 현재 위치를 바로잡을 수가 있다.
그러나 GPS 수신부의 오동작, 기상 악화나 전파 간섭에 의한 GPS 신호 수신 불량 또는 열차가 GPS 신호가 도달하지 못하는 터널 구간을 통과하는 경우에는 오직 타코미터 방식의 이동거리 계산에 의해 열차의 현재 위치를 판단할 수 밖에 없는바, 열차가 1㎞ 이상이 되는 긴 터널을 통과하는 등으로 GPS 신호가 장시간 수신되지 않는 경우에는 이동거리 계산 오차가 누적되어 열차의 현재 위치를 제대로 판단하지 못하는 문제점이 있었다.
선행기술문헌 1: 10-1325378호 등록특허공보(발명의 명칭: 열차위치 오차보정 장치)
선행기술문헌 2: 10-19055761호 등록특허공보(발명의 명칭: LTE-R 기반의 열차 관리 방법 및 시스템)
선행기술문헌 3: 10-2022-0063780호 공개특허공보(발명의 명칭: 5G 시스템 기반 열차 측위방법 및 장치)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 터널 구간 통과, 전파 간섭 또는 수신기 오동작 등으로 GPS 신호가 정상 수신되지 않는 동안에 열차 바퀴 마모나 미끄러짐 등으로 인한 타코미터 방식의 이동거리 계산에 의한 열차 위치 오차를 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용하여 정확하게 보정할 수 있도록 한 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법을 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법은 LTE-R 기지국이 열차 선로를 따라 간격을 두고 복수 설치된 상태에서, 열차가 이동하는 중에 열차에 설치된 측정용 LTE-R 단말로부터 주기적으로 DM 데이터를 수집한 후 기지국 고유식별 정보 및 신호 세기 정보를 추출하는 (a) 단계; 열차가 동일한 고유식별 정보를 갖는 기지국을 통과하는 중에 최대 신호 세기를 측정한 시점에서의 열차 바퀴에 설치된 타코미터 방식의 이동거리 계산에 따른 열차 위치정보를 확인하는 (b) 단계 및 상기 동일한 고유식별 정보를 갖는 기지국의 위치정보와 상기 (b) 단계에서 확인된 열차 위치정보 사이의 편차를 보정값으로 하여 상기 열차 위치정보를 바로잡는 (c) 단계를 포함하여 이루어진다.
전술한 구성에서, 상기 기지국은 C-RAN(Centralized/Cloud Radio Access Network) 구조의 RRU(Remote Radio Unit)이다.
상기 기지국 신호 세기 정보는 RSRP(Reference Signal Received Power)이다.
상기 (c) 단계는 기지국의 고유식별 정보가 변경된 시점에 수행된다.
상기 기지국 위치정보는 기지국 위치정보 DB에서 조회한다.
상기 편차가 DM 데이터 수집 주기와 관련하여 설정된 기준을 초과하는 경우에만 상기 (c) 단계를 수행한다
본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법에 따르면, 터널 구간 통과, 전파 간섭 또는 수신기 오동작 등으로 GPS 신호가 정상 수신되지 않는 경우 또는 GPS 위치 보정 방식과 함께 사용되어 열차 바퀴 마모나 미끄러짐 등으로 인한 타코미터 방식의 이동거리 계산에 의한 열차 위치 오차를 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용하여 정확하게 보정할 수가 있다.
도 1은 종래 열차 위치 판단 시스템의 개략적인 시스템 구성도.
도 2는 본 발명의 열차 위치 보정 방법이 구현되는 LTE-R 통신 네트워크 구성도.
도 3은 본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법의 시스템 구성도.
도 4는 본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 5는 본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법에서 LTE-R 기지국의 최대 RSRP 측정값과 그 시점의 위치정보를 예시적으로 보인 그래프.
도 6는 본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법에서 열차 위치 보정 과정을 예시적으로 설명하기 위한 도.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
종래 국내 철도통신기술에서는 800㎒ 대역의 TRS(Trunked Radio System; 주파수공용통신)망을 음성 및 데이터 통신 용도로 지역별 또는 노선별로 서로 다르게 사용하고 있다. 이 때문에 열차의 운영과 유지보수의 효율성이 떨어지는 문제가 있다. 또한, 현재 사용중인 기술은 초고속 데이터의 전송이 불가능하여 갈수록 높아지는 서비스 요구를 충족할 수 없는 태생적 한계를 갖고 있다.
이에 따라, 기존의 철도 무선통신방식을 일원화하여 운영과 유지보수의 효율성을 증대시키고 초고속 데이터 전송을 통한 다양한 융합 서비스를 구현할 수 있도록 LTE-R(LTE-Railway) 시스템이 사용되고 있다. 이러한 LTE-R 시스템은 고속 및 대용량 무선 데이터를 전송할 수 있는 LTE(Long Term Evolution) 기술을 활용하여 철도에 특화시킨 기술이다.
한편, 상용 LTE 시스템인 PS-LTE(Public Security LTE) 시스템에서는 안정적인 전력 공급과 기지국 설비의 냉각을 위해 기지국의 데이터 처리부(DU: Digital Unit)와 무선 송수신부(RU: Radio Unit)가 중대형 건물의 실내 공간에 함께 설치되는 일체형으로 구현됨으로써 발생되는 시설비 및 임차료 등의 운영비를 감축하기 위해 C-RAN(Centralized/Cloud Radio Access Network) 구조를 채택하고 있다.
이러한 C-RAN은 기존에 하나의 셀사이트에 있던 DU와 RU를 분리하여 각 셀사이트에 있던 DU들(DU 클라우드)은 한 곳에 모아서(Centralized) 시원하게 해주며 잘 관리하고, 실제 무선 신호가 송수신되는 원격의 셀사이트에는 RU(이하 이를 'RRU'(Remote Radio Unit)라 한다)가 분산 설치된 구조이다. 이렇게 분산 설치된 복수의 RRU는 프론트홀 망을 통해서 원격지에 위치한 DU 클라우드에 연결되고, DU 클라우드는 백홀망을 통해서 이동통신 시스템의 코어망에 연결되어 RRU에 접속된 이동통신 단말과 코어망 간의 데이터 트래픽을 처리한다. LTE-R 통신에서도 역시 이러한 C-RAN 구조를 채택하고 있다.
도 2는 본 발명의 열차 위치 보정 방법이 구현되는 LTE-R 통신 네트워크 구성도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 열차 위치 보정 시스템이 구현되는 LTE-R 통신 네트워크 구성은, 열차의 선로를 따라 간격, 예를 들어 1㎞ 내외의 간격을 두고 설치되는 RRU(10), 프론트홀 망을 통해서 원격지에 위치한 복수의 RRU(10)에 연결되고 백홀망을 통해서 이동통신 시스템의 코어망(30)에 연결되는 DU(20) 및 RRU(10)에 무선 접속된 측정용 LTR-R 단말을 포함하여 이루어질 수 있다.
전술한 구성에서, 측정용 LTE-R 단말은 위치 판단만을 위한 검측용 차량에 설치되거나 일반 승객 또는 화물용 열차의 특정 차량, 예를 들어 운전 차량 등에 설치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법의 시스템 구성도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 시스템은 크게 종래 열차 위치 판단 장비(100) 및 본 발명의 열차 위치 보정 장비(200)을 포함하여 이루어질 수 있는바, 종래 열차 위치 판단 장비(100)에 대해서는 도 1에서 이미 설명하였기에 그 상세한 설명을 생략한다.
한편, 본 발명의 열차 위치 보정 장비(200)는 하드웨어 장비인 측정용 LTR-R 단말(210)에 설치되어 DM(Diagnostic Monitoring) 데이터를 수집하는 DM 데이터 수집부(220), 기지국, 즉 선로 상에 설치된 각 RRU(10)의 고유 식별정보, 예를 들어 글로벌 셀 ID(ECGI; E-UTRAN Cell Global Identifier) 및 PCI(Physical Cell ID)를 그 설치 위치정보, 예를 들어 지리좌표 정보와 매칭하여 저장하고 있는 기지국 위치정보 DB(240) 및 DM 데이터 수집부(220)에 의해 수집된 기지국의 신호 세기 정보에 의거하여 종래 열차 위치 판단 장비(100)로부터 전달받은 열차의 현재 위치정보를 보정하는 열차 위치 보정부(230)를 포함하여 이루어질 수 있다.
전술한 구성에서, DM 데이터 수집부(10)에 의해 수집되는 DM 데이터에는 수집 시간, 글로벌 셀 ID 및 PCI와 같은 기지국, 즉 RRU(10)의 고유식별 정보 이외에, 예를 들어 RSRP(Reference Signal Received Power) 또는 RSSI(Reference Signal Strength Indicator)와 같은 신호 세기 정보, RSRQ(Reference Signal Received Quality) 및 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) 등의 품질 데이터 정보가 포함되어 있다.
도 4는 본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법을 설명하기 위한 흐름도인바, 별 다른 설명이 없는 한 열차 위치 보정 장비에 의해 수행될 수 있다. 도 4에서는 신호 세기 정보를 RSRP로 한정하여 설명을 진행한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법에 따르면, 먼저 단계 S100에서는 소정 주기, 예를 들어 200㎳ 주기로 DM 데이터 수집부(220)에 의해 LTE-R 단말(210)로부터 DM 데이터를 수집하고, 다시 단계 S110에서는 이렇게 수집된 DM 데이터에서 기지국 고유식별 정보, 즉 RRU의 글로벌 셀 ID와 PCI 정보 및 RSRP 정보를 추출한다.
다음으로, 단계 S120 및 S130에서는 단계 S110에서 추출된 기지국 고유식별 정보를 기지국 위치정보 DB(240)에서 조회하여 동일 기지국이 존재하는지를 판단한다. 단계 S130에서 기지국 위치정보 DB(240)에 동일 기지국이 부재한 경우에는 단계 S100으로 복귀하는 반면에 존재하는 경우에는 단계 S140으로 진행하여 현재의 RSRP가 최소 기준치(RL)를, 예를 들어 -60dBm을 초과하는지를 판단한다.
단계 S140에서 현재의 RSRP가 최소 기준치(RL) 이하인 경우에는 이를 열차 위치 보정 데이터로 사용하는 것이 부적절하다고 판단하여 단계 S100으로 복귀하는 반면에 최소 기준치(RL)를 초과하는 경우에는 단계 S150으로 진행하여 현재의 RSRP가 직전에 저장된 최고 RSRP(RSRPH)보다 큰지를 판단한다.
단계 S150에서 현재의 RSRP가 직전에 저장된 최고 RSRP(RSRPH) 이하인 경우에는 단계 S100으로 복귀하는 반면에 큰 경우에는 단계 S160을 수행하여 현재 RSRP를 최고 RSRP로 갱신하여 저장한 후 단계 S170을 수행하여 최대 RSRP 측정 시점에서 타코미터 방식에 의해 계산된 열차 위치정보를 저장한다.
도 5는 본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법에서 LTE-R 기지국의 최대 RSRP 측정값과 그 시점의 위치정보를 예시적으로 보인 그래프이다.
먼저, 도 5의 상단 그래프에서 세로축은 기지국, 즉 RRU의 고유식별 정보인 PCI 정보를 나타내고, 가로축은 시간을 나타내는바, 이에 따르면 열차가 이동하여 시간이 경과함에 따라 기지국의 고유식별 정보인 PCI가 409번에서 410번으로 변경되었음을 알 수 있다.
다음으로, 도 5의 중단 그래프에서 세로축은 RSRP의 세기(dBm)를 나타내고, 가로축은 시간을 나타내며, -60dBm은 최소 기준치(RL)를 나타낸다. 이에 따르면 열차가 이동하여 시간이 경과함에 따라 RSRP가 변화하여 증감을 반복함을 알 수 있는데, 410번 PCI를 고유식별 정보로 갖는 기지국에서는 대략 -34.8dBm 근처에서 최대 RSRP가 측정되었음을 알 수 있고, 결과적으로 그 지점 인근에 해당 기지국이 설치되어 있음을 알 수 있다.
마지막으로, 도 5의 하단 그래프에서 세로축은 기준지점, 예를 들어 킬로정으로부터 타코미터 방식에 의해 계산된 열차의 이동거리(위치정보)를 나타내고, 가로축은 시간을 나타내는바, 이에 따르면 최대 RSRP가 측정된 시점의 위치정보와 해당 시점에서 타코미터 방식에 의해 계산된 위치정보 사이에 편차가 있음을 알 수 있고, 이러한 편차가 결국 타코미터 방식에 의해 계산된 열차의 위치 오차가 된다.
다시 도 4로 돌아가서, 단계 S180에서는 기지국이 변경되었는지를 판단하는데, 변경되지 않은 경우에는 단계 S100으로 복귀하는 반면에 변경된 경우에는 단계 S190을 수행하여 기지국 위치정보 DB(240)에서 조회한 해당 고유식별 정보를 갖는 기지국 위치정보를 단계 S170에서 저장된 최대 RSRP 시점의 열차 위치정보와의 거리 차를 산출한다.
마지막으로 단계 S200에서는 단계 S190에서 산출된 거리 차에 의해 현재, 즉 기지국이 변경된 시점의 열차 위치정보를 보정하는데, 도 6은 본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법에서 열차 위치 보정 과정을 예시적으로 설명하기 위한 도이다.
도 6에 예시한 바와 같이, 열차가 410번 PCI를 고유식별 정보로 갖는 기지국 구간을 이동하는 중에 최대 RSRP 시점(T1)을 지나는 지점 인근에 해당 기지국이 위치하는데, 타코미터 방식에 의해 계산된 위치정보는 이보다 앞에 위치하여 그 만큼의 위치 오차가 발생함을 알 수 있고, PCI가 변경된 시점에서 이러한 위치 오차를 보정값으로 하여 타코미터 방식에 의해 계산된 위치정보에서 감하여 현재 위치를 바로잡게 된다.
이상에서 본 발명의 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.
예를 들어 열차가 200㎞/h, 즉 60m/s로 이동하고 DM 데이터 수집 주기를 200㎳로 가정할 때, 200㎳ 동안 열차가 대략 12m를 이동하게 되고, 결과적으로 기지국의 위치 추정 오차는 대략 24m가 된다.
이를 감안하여, 타코미터 방식의 이동거리 계산에 의한 위치 오차가 24m보다 큰 경우, 예를 들어 상용 GPS 위치 추정 해상도인 10m의 5배 정도인 50m보다 큰 경우에는 GPS에 이상이 있는 것으로 판단하여 본 발명의 방법을 적용하는 반면에 50m보다 작은 경우에는 본 발명의 방법을 적용하지 않는 방식으로 운용할 수도 있을 것이다.
전술한 실시예에서 DM 데이터 수집 주기나 RSRP 최소 기준치(RL) 등은 적절하게 증감될 수 있을 것이다. 기지국 신호 세기로는 RSSI가 사용될 수도 있다.

Claims (6)

  1. LTE-R 기지국이 열차 선로를 따라 간격을 두고 복수 설치된 상태에서, 열차가 이동하는 중에 열차에 설치된 측정용 LTE-R 단말로부터 주기적으로 DM 데이터를 수집한 후 기지국 고유식별 정보 및 신호 세기 정보를 추출하는 (a) 단계;
    열차가 동일한 고유식별 정보를 갖는 기지국을 통과하는 중에 최대 신호 세기를 측정한 시점에서의 열차 바퀴에 설치된 타코미터 방식의 이동거리 계산에 따른 열차 위치정보를 확인하는 (b) 단계 및
    상기 동일한 고유식별 정보를 갖는 기지국의 위치정보와 상기 (b) 단계에서 확인된 열차 위치정보 사이의 편차를 보정값으로 하여 상기 열차 위치정보를 바로잡는 (c) 단계를 포함하여 이루어진 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기지국은 C-RAN(Centralized/Cloud Radio Access Network) 구조의 RRU(Remote Radio Unit)인 것을 특징으로 하는 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기지국 신호 세기 정보는 RSRP(Reference Signal Received Power)인 것을 특징으로 하는 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 (c) 단계는 기지국의 고유식별 정보가 변경된 시점에 수행되는 것을 특징으로 하는 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 기지국 위치정보는 기지국 위치정보 DB에서 조회하는 것을 특징으로 하는 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서,
    상기 편차가 DM 데이터 수집 주기와 관련하여 설정된 기준을 초과하는 경우에만 상기 (c) 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 LTE-R 기지국의 신호 세기를 이용한 열차 위치 보정 방법.
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KR101325378B1 (ko) 2012-11-22 2013-11-08 엘에스산전 주식회사 열차위치 오차보정 장치
KR101905761B1 (ko) 2016-12-12 2018-10-10 주식회사 포스코 스카핑 장치 및 이를 이용한 스카핑 장치 제어방법
KR20220063780A (ko) 2020-11-09 2022-05-18 한국철도기술연구원 5g 시스템 기반 열차 측위방법 및 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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