[표지] 1
제출문 3
보고서 요약서 4
요약문 5
목차 7
제1장 연구개발과제의 개요 15
제1절 연구개발 배경 및 필요성 15
1. 연구개발 배경 15
2. 연구개발 필요성 17
제2절 연구개발 목표 및 내용 25
1. 연구개발의 최종목표 25
2. 연차별 연구목표 및 내용 26
3. 당해연도(2019년) 세부목표 및 내용 27
제2장 국내외 기술개발 현황 31
제1절 국내외 기술개발 현황 31
1. 초연결 철도 통신네트워크 기술 동향 31
2. 클라우드 플랫폼 및 클라우드 활용 철도운영제어 기술동향 35
제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 49
제1절 철도전용 NSA(Non-Standalone) 표준 기술개발 49
1. 철도환경에 적용하기 위한 5G 성능요구사항 도출 49
2. LTE-R 및 5G 동시활용 서비스사항 도출 75
제2절 LTE-R 및 5G 동시지원 안테나 설계 및 제작 76
1. LTE-R 및 5G 주파수 동시지원 안테나기술 연구 76
2. 열차 차상 안테나 비즈니스 케이스 분석 연구 117
3. 안테나 기초 이론 141
제3절 철도교통 통합제어 클라우드 플랫폼 설계 146
1. 클라우드 단말을 위한 강화학습기반 저전력 통신기술 개발 146
제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 185
제1절 목표달성도 185
제2절 관련분야에의 기여도 191
1. 질적 우수성 191
제5장 연구개발 결과의 활용계획 195
제1절 기대효과 195
1. 초연결 시대 5G 서비스 제공을 통한 초연결 서비스 실현 195
2. 클라우드 운영제어 플랫폼을 통한 운영효율성 향상 195
제2절 활용계획 196
1. 초연결 시대 철도 통신네트워크 활용 및 차세대 철도교통 통합운영관제 시스템에 활용 196
참고문헌 197
판권기 203
표 2-1-1. 5G 통신성능 32
표 3-1-1. 5G 서비스 카테고리별 통신성능 요구사항 53
표 3-1-2. Release 16 주요 SI 및 WI 57
표 3-1-3. 철도 응용서비스에 필요한 통신성능 요구사항 정의 62
표 3-1-4. 음성 운영 서비스의 특징과 관련성 65
표 3-1-5. 열차운영 critical 서비스 요구사항 66
표 3-1-6. 열차운영 non-critical 서비스 요구사항 70
표 3-1-7. 향상된 승객지원 서비스 요구사항 72
표 3-1-8. LTE-R 및 5G 동시활용시 철도운영체어 기술개발 항목 75
표 3-2-1. 국내외 기술수준 비교 77
표 3-2-2. 다중밴드 안테나 요구사항 78
표 3-2-3. LTE-R 및 상용LTE 동시지원 안테나 디자인에 대한 길이 정보 87
표 3-2-4. LTE-R 및 5G 동시지원 안테나 디자인에 대한 길이 정보 92
표 3-2-5. Huber+Suhner 상업용 안테나 성능 96
표 3-2-6. 다중대역 안테나 설계 목표치 대비 달성치 비교 115
표 3-2-7. 온 보드 ETCS 서브 시스템(On-Board ETCS sub-systems). 126
표 3-2-8. GSM-R 서비스 품질 128
표 3-2-9. 위성통신을 위한 주파수 할당 [40] 131
표 3-2-10. 인터넷 연결을 위한 다양한 지상 기술 비교 133
표 3-3-1. 하이퍼파라미터 174
표 3-3-2. 베르누이 에너지 분포에서의 통신 환경 175
표 3-3-3. Time-varying fading channel에서의 통신 환경 175
그림 1-1-1. 4차 산업혁명에서의 지능정보기술 개념 15
그림 1-1-2. 5G Usage Scenario 16
그림 1-1-3. 5G 주요 성능지표 (ITU) 17
그림 1-1-4. 클라우드 플랫폼 기반 철도운영제어시스템 구성도 18
그림 1-1-5. 3GPP 5G Timeline 19
그림 1-1-6. UIC FRMCS 연구현황 20
그림 1-1-7. 국내 고속철도 신호제어설비 구성체계 21
그림 1-1-8. CBTC(무선통신기반열차제어시스템) 구성체계 21
그림 1-1-9. GoA(열차자동운전) 수준 22
그림 1-1-10. UTO GoA4와 Attended GoA4 차이 23
그림 1-1-11. 철도 무인운전에 대한 승객안전 우려 23
그림 1-1-12. 열차자동운전에 따른 승객 편의성 개선 효과 24
그림 2-1-1. 클라우드 컴퓨팅의 5가지 특징 35
그림 2-1-2. 클라우드 서비스 모델 36
그림 2-1-3. 클라우드 서비스 운용 모델 36
그림 2-1-4. 수명주기에 따른 클라우드 솔루션 대응체계 (지멘스) 43
그림 2-1-5. Railagent 전체 가치 사슬 43
그림 2-1-6. 클라우드 플랫폼 기반 철도 운영제어 솔루션 효과 (화웨이) 45
그림 2-1-7. 클라우드 플랫폼 기반 철도 운영제어 솔루션 구성도 (화웨이) 45
그림 2-1-8. 클라우드 플랫폼 기반 철도 운영제어 솔루션 효과 (화웨이) 46
그림 3-1-1. Enhancement of key capabilities from IMT-Adv (4G) to IMT-2020 (5G) 50
그림 3-1-2. Timeline & Process For 'IMT-2020' in ITU-R 50
그림 3-1-3. Key Usage Scenarios for IMT-2020 51
그림 3-1-4. Key Usage Scenarios vs. 8 KPIs for IMT-2020 51
그림 3-1-5. Release 15내 early drop/normal freezing 별 지원 가능 네트워크 구성 옵션 55
그림 3-1-6. Release 15내 late drop 지원 가능 네트워크 구성 옵션 56
그림 3-1-7. 철도 무선통신 환경변화에 따른 철도서비스 60
그림 3-1-8. 철도환경에서 통신기반 응용서비스 61
그림 3-1-9. 철도서비스와 주요 5G 통신성능 요구사항 맵핑 61
그림 3-1-10. 통신 시스템을 통해 전송되는 열차제어용 신호 시스템. 64
그림 3-1-11. 철도 응용서비스 요구사항 비교 (ITU 주요성능 지표에 따름) 74
그림 3-1-12. 철도 응용서비스 요구사항 통합 (ITU 주요성능 지표에 따름) 74
그림 3-2-1. LTE내 다양한 중심 주파수와 대역폭 79
그림 3-2-2. LTE-R LTE 동시 지원 안테나 디자인 86
그림 3-2-3. 파라미터 스윕의 결과 87
그림 3-2-4. LTE-R 및 상용LTE 동시지원 안테나 전류 분포 88
그림 3-2-5. 제작된 LTE-R 및 상용LTE 동시지원 안테나 시작품 89
그림 3-2-6. LTE-R 및 상용LTE 동시지원 안테나 S11 89
그림 3-2-7. LTE-R 및 상용LTE 동시지원 안테나 방사 패턴 90
그림 3-2-8. LTE-R 및 5G 동시지원 안테나 디자인 91
그림 3-2-9. 700MHz 최적화를 위한 파라미터 스윕의 결과 92
그림 3-2-10. 3.5GHz 최적화를 위한 기생 패치 생성 결과 93
그림 3-2-11. LTE-R 및 5G 동시지원 안테나 S11 93
그림 3-2-12. LTE-R 5G 동시 지원 안테나 방사 패턴 94
그림 3-2-13. Huber+Suhner 상업용 안테나 외관 95
그림 3-2-14. Huber+Suhner 상업용 안테나 내부 방사체 구조 95
그림 3-2-15. Huber+Suhner 상용 안테나 S11 측정 결과 96
그림 3-2-16. 일반적인 안테나 설계 과정 97
그림 3-2-17. 다중 대역 샤크핀 안테나 내 도체 부분 98
그림 3-2-18. 샤크핀 돔의 모델링 98
그림 3-2-19. 다중 밴드 샤크핀 안테나 디자인 99
그림 3-2-20. 3D 프린터와 구리 테이프를 이용하여 제작한 안테나 100
그림 3-2-21. 상용 샤크핀 안테나 기판에 고정한 안테나 100
그림 3-2-22. 안테나 Current Distribution 100
그림 3-2-23. VNA를 이용한 안테나의 반사계수 S11 측정 101
그림 3-2-24. 다중 밴드 샤크핀 안테나 S11 측정 및 시뮬레이션 101
그림 3-2-25. 다중 밴드 샤크핀 안테나의 주파수폭 측정 102
그림 3-2-26. 다중 밴드 샤크핀 안테나 방사 패턴 102
그림 3-2-27. 열차 지붕 위 안테나 고정 103
그림 3-2-28. 볼트 근처의 실링 103
그림 3-2-29. 그라운드 판의 유무에 대한 반사계수 차이 (시뮬레이션) 104
그림 3-2-30. HUBER+SUHNER 안테나 반사계수 비교 (50cmx50cm 그라운드 위에서 측정) 105
그림 3-2-31. HUBER+SUHNER 안테나 반사계수 비교 (그라운드 판 없이 측정) 105
그림 3-2-32. LTE-R 및 상용LTE 통합모듈 블록다이어그램 106
그림 3-2-33. LTE-R 및 상용LTE 통합모듈 회로도 107
그림 3-2-34. Diplexer의 설계 108
그림 3-2-35. Diplexer 시제품 108
그림 3-2-36. Diplexer의 시뮬레이션 결과 109
그림 3-2-37. diplexer의 HPF 파트 VNA 측정 결과 110
그림 3-2-38. diplexer의 LPF 파트 VNA 측정 결과 110
그림 3-2-39. S11의 s-parameter 시뮬레이션 값과 측정값 비교 111
그림 3-2-40. HPF 부분의 s-parameter 시뮬레이션 결과값과 측정값 비교 111
그림 3-2-41. LPF 부분의 s-parameter 시뮬레이션 결과값과 측정값 비교 111
그림 3-2-42. 통합시험 모듈 112
그림 3-2-43. 상용 LTE에서의 Tx/Rx 측정 113
그림 3-2-44. LTE-R 속도측정 시험결과 114
그림 3-2-45. 세계 철도 시장 및 연평균성장율 117
그림 3-2-46. Overview of the railway critical and not-critical applications 118
그림 3-2-47. Cash Flow chain of railway 120
그림 3-2-48. Railway Value Chain 122
그림 3-2-49. 여객열차 관련 부품요소 124
그림 3-2-50. ERTMS system overview 126
그림 3-2-51. GSM-R frequency allocation 127
그림 3-2-52. ERMTS system Overview and Connection 128
그림 3-2-53. PTC System Overview 129
그림 3-2-54. Overview of V-ETMS components 130
그림 3-2-55. PTC In-Cabin Radio Units 130
그림 3-2-56. Overview of Rail Connectivity Solutions 131
그림 3-2-57. KATHREIN GSM-R antenna (left), Sinclair PTC Antenna (right) 134
그림 3-2-58. Broadband Antenna with multiple radiating elements 135
그림 3-2-59. Combined broadband antenna with one radiating element and a GPS antenna 136
그림 3-2-60. 차상 루프탑 안테나 설치 예 (2가지) 136
그림 3-2-61. Market Flow from the rail operator's Point of View 137
그림 3-2-62. Market Flow from Integrators Point of view 138
그림 3-2-63. Business Model Canvas 138
그림 3-2-64. VNA의 블록 다이어 그램 145
그림 3-3-1. discount factor와 상태, 보상함수로 이루어진 목적 함수 151
그림 3-3-2. 정책 π를 따르는 가치 함수 152
그림 3-3-3. 가치함수의 재귀적 표현 152
그림 3-3-4. 최적 가치함수 152
그림 3-3-5. 정책 π를 따르는 행동 가치 함수 153
그림 3-3-6. 최적 행동 가치 함수 153
그림 3-3-7. 최적 가치함수와 최적 행동 가치함수의 관계 153
그림 3-3-8. 최적 가치함수의 재귀적 표현 유도 154
그림 3-3-9. 알고리즘 목표하는 최적 행동 가치 함수 156
그림 3-3-10. mean squared error 157
그림 3-3-11. mean squared error gradient 157
그림 3-3-12. objective function 158
그림 3-3-13. objective function의 gradient 유도 158
그림 3-3-14. Actor Critic Method 동작 방식 159
그림 3-3-15. T스텝 이내의 데이터 모음을 통한 목적 함수 gradient 159
그림 3-3-16. Advantage 함수 160
그림 3-3-17. deterministic policy gradient 방법 160
그림 3-3-18.actor critic방식에서 critic update 부분 160
그림 3-3-19. 통신 모델 환경 161
그림 3-3-20. 네트워크 구조 172
그림 3-3-21. 베르누이 에너지 분포에서의 성능 검증 176
그림 3-3-22. time-varying fading broadcast channel에서의 성능 검증 177
그림 3-3-23. 에이전트의 전력 할당 관찰 결과 178
그림 3-3-24. channel power에 따른 rate변화 178
그림 3-3-25. Harvested energy에 따른 rate변화 179
그림 3-3-26. 배터리 상태에 따른 에이전트의 정책함수 179
그림 3-3-27. 수집 에너지 상태에 따른 에이전트의 정책함수 180
그림 3-3-28. 배터리 상태에 따른 에이전트의 정책함수 181
그림 3-3-29. 최대 에너지량이 들어올 때의 전력 할당 181
그림 3-3-30. 하베스팅 에너지에 따른 전력 할당 변화 182