● 상시전원이 없는 환경에서 배전선로 센서 데이터를 빠르고 안정적으로 전송하기 위해, 전송률이 높으면서도 전송 범위는 넓은 저전력 무선통신 네트워크를 구축하는 방법으로 무지향성 안테나 대신 지향성 안테나를 통해 안테나 이득를 높이는 방법을 설계하여, 고이득 지향성 안테나를 개발을 통해 동일한 수신전계 하에서도 무선통신 모듈의 입력 전력을 높이는 기술이다.
● 본 과제인 “철도 배전선로 저전력 무선통신 핵심 기술 및 데이터 보안 기술 개발” 과제에서는 그림 1과 같이 철도 배전선로 안전감시 센서에서 수집되는 배전선로 안전감시 데이터를 무전원, 무선으로 전송하고 데이터 융합 분석을 통한 고장 예측 및 실시간 고장 대응 서비스를 개발하고 있다.
그림 1. 철도 배전선로 안전감시 시스템 서비스 개념
● 배전선로 안전감시 데이터는 저전력 무선통신 네트워크를 통해 안전감시 서버로 전송되며, 저전력 무선통신 모듈은 약 500m 간격으로 철로변에 설치된다. 철도 배전선로 접속점에 상시전원이 없기 때문에 저전력 무선통신 방식을 사용하며, 저전력 무선통신 방식의 후보기술로는 LoRa, Wi-Fi HaLow, FLRC 등이 있다. 전송채널은 900MHz, 2.4GHz 비면허 대역을 사용하며, 안테나 실효복사전력은 최대 200mW 이하로 제한된다.
● 저전력 무선통신 방식은 상시전원이 없는 철도 배전선로 접속점에서 운용하기 적합하나 매우 적은 데이터를 전송하는 것을 목적으로 설계되어 상대적으로 데이터의 양이 많은 배전선로 안전감시 데이터를 전송하는 데에는 한계가 있다.
● 통신방식에 따라 차이가 있으나 최소 수신전력과 데이터 전송률 사이에는 트레이드 오프가 존재한다. 최소 수신전력이 낮은 경우 전송 범위는 넓으나 낮은 데이터 전송률로 인해 기준시간 내에 안전감시 데이터를 전송하는 데에 어려움이 있다. 반면, 데이터 전송률이 높은 경우 높은 최소 수신전력으로 인해 전송 범위가 좁아 안정적인 안전감시 데이터 전송을 보장하기 어려운 단점이 있다.
● 이를 극복하기 위한 방법으로 본 기술을 통해 “저전력 무선통신 모듈의 전송거리를 늘리기 위해 지향성 안테나를 개발”이 필요하다.
● 2.4 GHz 대역에서 동작하는 저전력 무선통신 모듈의 전송거리를 늘이기 위한 지향성 안테나의 설계와 측정을 포함한 설계 기술을 제안한다. 기존의 LoRa통신 모듈의 특징인 중장거리 무신 링크 형성에 -100dBm 이상의 수신전력강도의 확보가 필요한데, 기존의 상용 안테나 사용 시 성능의 불규칙성과 낮은 RSSI값이 문제가 된다. 따라서, 전자기 에너지 밀도를 높여주는 안테나를 설계 및 개발하여 모듈에 장착한 구조의 모의시험과 현장 실험을 통해 수신전력강도가 dipole 안테나 대비 약10dBi증가함을 보였다.
● 지향성 높은 안테나의 특성을 만족시키기 위해 본 설계기술을 통해 개발된 안테나는, Quasi-Yagi-Uda형 안테나를 기반으로 설계하였다. 일반적인 Quasi-Yagi-Uda형 안테나의 앞 뒷면에 Cover를 설계하여 기존의 안테나보다 증가된 지향성을 가지는 안테나를 설계하였다.
● 이미 아키텍쳐와 운용법이 고정된 침 모듈로, 성능 개선에 있어 자유도가 극히 낮은 상태인데도 불구하고, 기존에 가장 많이 쓰이는 안테나를 새롭고 대량 생산이 용이한 구조로 대체하여, 두 배 이상의 수신전력증가의 통신성능 향상효과를 가져왔다.
기술명 : 철도 배전선로 저전력 무선통신 모듈용 지향성 안테나 설계 기술
● 지향성 및 안테나 이득을 증가 시킬 수 있는 구조로 설계하였고, 소형화를 위해 FR-4 유전체를 사용함.
● 2.4 GHz대역에서 약 ?17.6dB의 반사손실
● 전방 지향성으로 약 9.5dBi의 안테나 이득을 가짐
기술명 : 철도 배전선로 저전력 무선통신 모듈용 지향성 안테나 설계 기술
- 하드웨어
● 철도 배전선로 저전력 무선통신 모듈용 지향성 안테나 설계도
- 기술 문서
● 철도 배전선로 무선통신 요구사항정의서
● 철도 배전선로 저전력 무선통신 모듈용 지향성 안테나 설계서
● 단방향 지향성 안테나 시험 절차 및 결과서
● 단방향 지향성 안테나 공인시험 성적서
적용 분야, 적용 기능, 서비스 유즈케이스
철도 시설물 관리 분야 (국가철도공단)
- 철도시설물 전력설비 배전선로에 대한 무전원·무선 안전감시 기술
- 철도시설물 전력설비 배전선로의 지능형 통합 안전 및 유지보수 시스템 개발을 통한 선제적 유지보수 등 정확한 예지정비 기반 마련
- 철도 배전선로의 교체주기를 장기화하여 시설물 투자비용 절감
철도 유지보수 위탁 분야(한국철도공사)(기타 철도 운영 기관)
- 철도시설물 전력설비 배전선로에 대한 무전원·무선 안전감시 기술
- 철도시설물 전력설비 장애 30% 저감을 통한 철도교통 안전 확보
- 철도 배전선로의 안전감시·유지보수 통합관리시스템 체계적·효율적 유지보수