2014 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2014S034

LTE-R 기반의 국내표준 열차제어시스템(KRTCS) 연동방안 연구

Plan Study to transmit data between Onboard and Wayside based on LTE-R at

Korean Radio based Train Control System of national standards

김윤배*†, 서상원*, 김홍립*, 김광희*, 이용선*

Yun Bae Kim*†, Sang Won Seo*, Hong Lip Kim*, Kwang Hee Kim*, Yong Seon Lee*

Abstract The Korean Radio based Train Control System under Korea Railroad Research Institute, a National R&D Program, is progressed to transmits data based on WiFi in planning phase. The New generation Wireless Communication System Development with KRTCS was decided to the wireless communication system based on LTE at April, 2012. So, there is need to interface between LTE-R and KRTCS. Although LTE-R system completed to support both voice and video at 2013, these days, it is needed to interface between LTE-R and KRTCS. The train control data needs to give priority to transmit data. This study is for that the PCRF(Policy Charging & Rule Function) is adopted to support this function and the test plan is interfaced between KRTCS and LTE-R instead of existing WiFi. And this study is for that it is considered for the commercialization for the future through the case study to solve the suggested issue at this time.

Keywords : LTE-R, KRTCS, Korean Radio-Based Train Control System, PCRF 초 록 한국철도기술연구원 주관으로 수행중인 국책과제인 KRTCS (Korean Radio based Train Control System) 인 열차제어시스템은 기획단계에서는 무선통신을 WiFi 기반으로 추진되었고, 이와 함께 추진된 차세대무선통신시스템 개발은 2012년4월에야 LTE 기반의 무선통신 시스템으로 확정되어 이를 함께 연동시키는 부분이 필요하다. 이미 LTE-R 시스템은 음성 및 영상을 모두 지원 하도록 2013년 완료하였으나 열차제어시스템인 KRTCS 시스템과 연동하여 수행할 필요성이 있었다. 이를 위해 열차제어에 필요한 데이터의 전송을 우선권을 줄 필요가 있으며 이를 지원하기 위한 PCRF (Policy Charging & Rule Function) 의 도입과 기존 WiFi 망을 대체하여 LTE 망을 연동하기 위한 시험방안에 대한 연구이며 이때 제기된 문제점과 이를 해결하기 위한 방안을 사례연구를 통해 향후 사업화를 위해 고려해야 할 부분에 대한 연구 내용임

주요어 : LTE-R, KRTCS, 한국형 무선통신기반 열차제어시스템, PCRF

1. 서 론

무인자동운전을 지원하는 도시철도용 무선통신기반 열차제어시스템의 국산화 및 실용화

를 목적으로 한국철도기술연구원 주관으로 한국형 무선 기반 열차제어시스템을 개발 중에

있다.

† 교신저자: 아주대학교 정보통신전문대학원 정보통신학과(yb2kim@ajou.ac.kr)

* 삼성에스디에스㈜

또한, 고속 및 대용량 무선 데이터를 전송할 수 있는 LTE(Long term evolution) 기술을

활용하여 철도전용 주파수를 이용한 LTE-R 시스템도 개발 중에 있다. LTE-R을 통하여 지상-

차상간 통신을 하기 위한 열차제어 데이터를 전송하고, 부가적으로 음성 및 영상 서비스를

제공해야 한다. 그러나 개발 초기 KRTCS는 WiFi 기반의 멀티캐스트 통신을 통하여 지상-차

상간 통신을 하도록 설계되어, 현재 멀티캐스트 통신을 지원하지 않는 LTE-R망을 사용하여

통신하기 위한 방안이 필요하다. 이에, KRTCS의 지상 및 차상간 무선 통신을 하기 위해 멀

티캐스트 통신을 왜 사용했는지에 대한 배경을 소개한 후에, LTE-R 망에서 멀티캐스트를 지

원하기 위한 방안과 높은 우선순위를 갖고 있는 열차제어데이터을 위해 PCRF (Policy

Charging & Rule Function)을 활용하여 우선적으로 전송하기 위한 방안에 대해서 설명하도

록 하겠다. 또한 멀티캐스트와 유니캐스트을 분석하여 향후 LTE-R 망을 이용한 열차제어시

스템의 방향을 모색하도록 하겠다.

2. 본 론

2.1 멀티캐스트 소개 및 KRTCS 멀티캐스트 도입 배경

2.1.1 멀티캐스트 소개

멀티캐스트는 둘 이상의 다른 수신자들에게 동시에 전송하는 방식이다. 멀티캐스트는 보

통 IP 멀티캐스트 형태로 구현되는데, 이는 스트리밍을 위한 인터넷 프로토콜 응용 프로그

램(Internet Protocol Application) 및 인터넷 텔레비전에서 주로 사용된다. IP 멀티캐스트

에서 멀티캐스트는 주로 IP 라우팅 단계에서 구현되며, 이 때 라우터는 데이터그램을 멀티

캐스트 대상 주소로 보내기 위한 전송 경로를 생성하여 네트워크 간의 멀티캐스트 데이터를

전송한다. IP 멀티캐스트는 네트워크상의 IP 인프라를 통해 일대다 통신을 하기 위한 기술

이다. 이는 수신자의 수와 종류에 대한 선행 지식을 요구하지 않음으로써 더 많은 수신자로

의 전송을 가능하게 한다.

2.1.2 KRTCS에서 멀티캐스트 도입 배경

멀티캐스트는 1:n 통신을 쉽게 구현할 수 있고, 구독자(Subscriber)는 멀티캐스트 범용

프로토콜을 사용하여 멀티캐스트 그룹으로 가입하여 쉽게 데이터를 수신할 수 있는 장점이

있다. KRTCS는 지상 및 차상의 개발자가 3개의 컨소시엄으로 구성되어 있고, 개발 단계에서

로그를 분석하기 위해서는 별도의 통신 규약이 필요하지 않고 수신할 수 있는 인터넷 그룹

관리 프로토콜(Internet Group Management Protocol, IGMP)로 지상-차상간 및 타 장비간 통

신을 하기 위한 멀티캐스트 프로토콜을 사용하게 되었다. IGMP는 대표적인 멀티캐스트 표준

프로토콜이다. IGMP는 멀티캐스트를 송수신해야 하는 Host간에 사용된다. 이를 위해

Multicast를 송수신을 원하는 Host들이 IGMP 프로토콜을 사용하여 멀티캐스트 그룹에 요청

하거나 더 이상 수신을 원하지 않으면 그만 보내라고 중지를 요청한다. 그래서 Host들은 멀

티캐스트 데이터를 송수신하기 전 멀티캐스트 그룹에 가입(Join)하기 위한 Membership

Report를 멀티캐스트 그룹에 전송하여 가입을 완료한 후에 멀티캐스트 데이터 송수신을 시

작한다. KTCS에서는 지상 및 차상간, 지상 장비간 통신하기 위하여 각 통신 장비별로 멀티

캐스트 그룹 IP를 설정하여 데이터 전송을 한다. 이때 각 라우터 및 스위치는 멀티캐스트

통신이 지원되는 장비이어야 한다.

2.2 LTE-R에서 멀티캐스트 지원 방안

2.2.1 LTE-R 통신 방식

현재 LTE-R 시스템은 3GPP Release 8 규격을 준수하여 개발되었으며 기본적으로 User Plane

측면에서는 유니캐스트 통신방식으로 데이터가 송수신된다. 현재 개발된 LTE-R 단말은 음성

및 영상 통화를 위해서 사용자 데이터그램 프로토콜(User Datagram Protocol, UDP) 방식의 유

니캐스트 방식을 채용하여 데이터를 전송한다. UDP는 서로 정보를 주고받을 때 정보를 보낸다

는 신호나 받는다는 신호 절차를 거치지 않고, 보내는 쪽에서 일방적으로 데이터를 전달하는

통신 프로토콜이다. 아래 그림은 사용자 단말 쪽에서의 LTE Protocol Stack을 보여준다. LTE-

R 시스템에서 User Plane에서 하향 및 상향 링크에서는 IP Unicast만 모두 지원됨을 알 수 있

다. 이에 KRTCS의 멀티캐스트 데이터를 송수신하기 위해서 LTE-R망은 터널링으로 암호화하는

가상사설망(Virtual Private network, VPN)을 활용하여 사설 네트워크 망을 구성한 후 멀티캐

스트 데이터를 전송하도록 하여 LTE-R 망 무선망을 이용 KRTCS 제어 데이터가 전송될 수 있도

록 하였다.

Fig. 1 LTE Protocol Stack(UE Side)

2.2.2 VPN을 활용한 멀티캐스트 데이터 전송

가상사설망인 VPN은 공중망을 터널링 프로토콜과 보안 절차 등을 사용하여 사용 목적에 맞

게 구성하는 데이터 네트워크이다. VPN 송신측에서 암호화하여 전송하면 VPN 수신측에서는 복

호화하여 데이터를 주고 받기 위한 방식이며 암호화가 되어 있기 때문에 중간에 외부에서 접

근을 차단해 데이터 손상을 방지할 수 있다. 암호화는 데이터뿐만 아니라, 부가적인 차원의

보안으로서 송신지의 네트워크 주소도 포함된다. KRTCS에서 사용하고 있는 멀티캐스트 데이터

를 전송하기 위해 3계층 프로토콜인 GRE IPsec을 통한 VPN 터널링을 구성하여 지상-차상간 데

이터를 전송한다. GRE 터널은 포인트 투 포인트와 멀티 포인트 터널이 있는데, KRTCS에서는

열차의 두 대의 차상장치와 지상장치들과 통신하기 위해서 멀티 포인트 터널을 적용하였다.

GRE는 원래의 패킷에 GRE를 위한 헤더를 추가한다. GRE IPsec은 아래 그림과 같이 GRE 패킷을

다시 IPsec을 보호한다.

Fig. 2 GRE IPsec

일반적으로 GRE 터널과 IPsec 터널이 시작되는 라우터는 동일하다. GRE IPsec을 적용함으로

써 동적인 라우팅 프로토콜을 사용할 수 있으며, 멀티캐스트 패킷을 전송할 수 있고 동적인

라우팅 프로토콜을 이용하여 이중화 구성이 용이한 장점이 있기에, GRE IPsec을 활용하여

KRTCS의 열차제어데이터가 LTE-R 무선망을 통하여 지상 및 차상간 통신이 되도록 하였다.

2.2.3 VPN 적용 KRTCS 및 LTE-R 망 구성

차상 ATP/ATO 장비와 지상의 자동열차제어장치(Automatic Train Control, ATS), 지상

자동열차방호(Automatic Train Protection, ATP) 장치와 LTE-R 무선망을 통해 통신하기

위하여 차상 및 지상에 VPN을 아래 그림과 같이 설치하여 인터페이스 한다.

Fig. 3 Structure to transmit data between on-board and wayside to use VPN based on LTE-R

차상 ATP 장치와 지상 ATP 장치간 멀티캐스트 통신하기 위해서는 멀티캐스트 그룹 IP

239.3.1.1로 Join하여 통신하고, ATS와 차상 ATO 장치는 멀티캐스트 그룹 IP 239.4.1.1로

Join하여 통신한다. 멀티캐스트 그룹으로 Join하면 해당 멀티캐스트 그룹으로 전송하는 모든

데이터를 수신하게 된다. 아래 그림은 각 차상 및 지상 노트북에서 멀티캐스트 그룹으로 Join

하고 지상 ATP 장치와 차상 ATP 장치간 통신 한 데이터를 통신 프로토콜을 분석할 수 있는

Wireshark을 통해 확인한 결과이다.

Fig. 4 The wayside Result by multicast Fig. 5 The onboard Result by multicast

2.2.4 LTE-R에서 열차제어데이터를 데이터 전송 우선권 설정을 위한 PCRF 연동

LTE-R 시스템에서 사용자의 가입 정보를 기준으로 가입 프로파일(Subscription profile)을

구성하여 가입자의 서비스 이용을 지원 및 제어한다. LTE-R 서비스를 이용하는 사용자는

서비스별 APN(Acess Point Nme)으로 EPS(Evolved Packet System) 세션을 생성 또는 변경한다.

망은 사용자가 EPS 세션을 생성/변경 시 망 자원을 어떻게 할당하고 어떻게 제어할지

결정하여 세션이 유지되는 동안 적용한다. 이를 정책 및 과금 제어(Policy and Charging

Control)라 하며, PCC 정책을 수행하는 주요 장비로는 PCRF(Policy Charging & Rule

Function)이다. 그래서 LTE-R을 사용하는 APN이 음성, 영상, 열차제어데이터 등이 있을 수

있는데, 열차제어데이터를 최상위 우선순위로 설정하기 위하여 PCRF에서 ARP을 1로 설정한

PCC 정책을 P-GW에 적용하여 열차제어데이터를 구분 최우선 전송한다.

2.2.5 KRTCS의 열차제어데이터를 위한 멀티캐스트 및 유니캐스트 분석

열차제어데이터를 전송하기 위한 통신 방식에서 UDP 방식 중 유니캐스트 및 멀티캐스트가

있다. 유니캐스트는 1:1 통신이며, 멀티캐스트는 1:n 통신이다. 유니캐스트는 동일한 데이터

를 다수의 수신자에게 여러 번 전송하는 경우 동일한 Packet의 중복 전송으로 인해 네트워크

효율을 저하되는 측면이 있지만, 열차제어데이터의 경우 지상 장치에서 차상 장치로 또는 차

상 장치에서 지상 장치로 동일한 데이터를 전송하는 경우가 없기 때문에 멀티캐스트를 사용할

필요는 없다. 멀티캐스트를 사용할 경우 네트워크 장비가 모두 동일한 멀티캐스트 프로토콜을

지원하는 장비로 설치됨으로 인해 장비 구축 비용이 많이 들며, 멀티캐스트 그룹으로 Join하

게 되면 데이터를 누구나 전송 또는 수신할 수 있어 보안상 취약한 측면이 있다. 안전에 직결

되는 열차제어데이터인 만큼 보안상 취약한 멀티캐스트는 적당하지 않다.

3. 결 론

무인자동운전을 지원하는 도시철도용 무선통신기반 열차제어시스템의 국산화 및 실용화를

목적으로 개발하고 있는 KRTCS는 개발 환경상 로그 분석 및 3개 개발 컨소시엄이 참여하고 있

어 이를 위해 멀티캐스트 통신 방식을 적용하여 개발하였다. 이에 유니캐스트만 지원되는

LTE-R의 무선망을 이용하여 열차제어데이터를 지상-차상간 전송하기 위해서는 차상 및 지상에

각각 GRE IPsec의 VPN 터널링을 사용하여 멀티캐스트 데이터를 전송할 수밖에 없다. 지상 및

차상간 고유의 데이터를 전송하는 열차제어데이터 특성상 한 송신자가 동일한 데이터를 다중

수신자로 전송하는 경우가 없기 때문에, 실제 실용화 단계에서는 보안이 취약한 멀티캐스트를

사용할 필요는 없겠다. 또한, LTE-R에서는 서비스별 APN을 활용하여 PCRF를 통해 QoS 정책인

PCC 정보를 P-GW로 전송하여 열차제어데이터를 최우선 전송한다. 이에 향후 실용화 단계에서

는 LTE-R 무선망을 통해 열차제어데이터를 전송하기 위해 PCRF를 통해 QoS 정책을 적용하고

멀티캐스트보다는 유니캐스트로 전송하는 것이 안전하리라 판단된다.

후 기

본 논문은 국토교통부에서 지원한 "철도전용 통합무선망 연구" 사업의 일환으로 수행되었습

니다. 본 논문 작성에 지원해 주신 모든 관계자 여러분께 감사 드립니다.

참고문헌

[1] 3GPP TS 29.212, “Policy and Charging Control over Gx Reference Point”.

[2] 3GPP TS23.203, “Policy and Charging Control Architecture”.

[3] 3GPP TS 32.240, “Telecommunication Management; Charging Management; Charging Architecture

and Principles”.

[4] 가상 사설망 VPN, 피터전, pp. 98-147