Ⅰ. 서 론

1. 개요

1990년대부터 국내에서는 첨단기술을 활용한 지능형교통체계(ITS: Intelligent Transport Systems)가 대두되 었으며, 한국도로공사는 1993년 최초의 ITS 사업인 고속도로 교통관리시스템(FTMS: Freeway Traffic Management Systems)구축을 시작으로 광통신망, 차량검지기(이하 VDS: Vehicle Detect System), 도로전광표지 (이하 VMS: Variable Message Sign)등의 확대와 하이패스 전국개통 등 고속도로 전 노선에서 ITS를 구축하여 운영 중에 있다. 2007년 하이패스 전국 개통을 시작으로 하이패스 단말기(OBU: On-Board Unit) 보급이 확대 되었고 하이패스 단말기를 이용한 교통정보 수집 시스템인 단거리 전용 통신(이하 DSRC: Dedicated Short-Range Communications) 교통정보시스템 도입을 위해 “DSRC를 활용한 도로교통정보 검지시스템 실용화 기술 개발 연구(KEC, 2008)” 및 시범사업이 수행되었다. 현행 DSRC 교통정보시스템은 노변기지국(RSE: Road Side Equipment)의 안테나와 하이패스 단말기간 통신을 통해 단말기의 고유정보를 수집하여 가공한 신 뢰성 높은 교통정보를 운전자에게 제공하고 있다. 이에 국토교통부는 DSRC 교통정보시스템의 교통정보 품 질 확보를 위해 ITS 성능평가 대상으로 포함하여 국토교통부 제2016-759호 “자동차·도로교통분야 ITS 성능 평가기준(MLIT Notice, 2016)”이라는 고시를 발표하였으며, 2017년부터는 전국 고속도로, 국도 및 지자체에 설치된 DSRC 교통정보시스템에 대한 성능평가를 실시하고 있다. 그러나 현재 DSRC 교통정보시스템은 장비 이상에 따른 고장수리 및 제어기부에 대한 상태확인 등 단순점검 위주로 관리되고 있어 노변기지국의 통신 영역, 안테나 방향, 전파세기 등에 관한 세부적인 운영·유지관리 기준이 필요하다. DSRC 교통정보시스템에 대한 별도의 관리기준이 없을 경우 성능평가 합격을 위하여 통신영역 및 출력을 과다 설정해 운영할 가능성 이 있으며, 이로 인해 교통정보 정확도가 낮아질 수 있다.

본 연구는 DSRC 안테나 설치 및 통신영역 설정 등 노변기지국별로 상이하게 적용되던 운용방식에서 벗 어나 DSRC 교통정보시스템에 대한 도로유형별, 환경별 최적의 품질관리기준을 마련하여 교통정보 정확도를 높이기 위한 효율적인 유지관리 체계 마련을 목적으로 한다.

2. DSRC 교통정보시스템의 통신영역 관리의 필요성

ITS에서 구간검지체계는 AVI(Automatic Vehicle Identification), Beacon, DSRC(Dedicated Short Range Communication), GPS(Global Positioning System) 등의 기술을 이용하여 도로일정구간에 대하여 시점부와 종점 부를 통과하는 차량의 통과시각 차이를 통하여 구간통행 시간 등의 교통정보를 직접 수집하는 체계를 말한 다(MLIT, 2016). DSRC 교통정보시스템의 통행속도 산출 방법은 <Fig. 1> 및 수식(1)과 같다.

<Fig. 1>

DSRC traffic information system configuration diagram

여기서,

특히 DSRC 교통정보시스템은 하이패스단말기의 보급에 따라 구간검지체계의 주요 수집체계로 자리 잡고 있으면 고속국도, 지방도 및 주요 지자체의 시가지 도로에 설치되어 운영 중이다.

국토교통부의 ITS성능평가 고시에 따라 2017년부터 실시되고 있는 ITS 성능평가를 받기위해 구축운영주 체는 유지관리에 대한 정확한 지침 마련을 위해 노력 중이며, 신호시스템과 교통상황(통행속도)의 연동 등 진화된 지능형시스템의 도입을 위해서도 교통정보의 정확도는 필수적인 요소이다.

그런데 만일 DSRC 안테나의 통신영역이 관리되지 않을 경우, 우리는 교통정보가 부정확하게 생성될 수 있음을 경부고속도로 판교IC 인근에서 실제 측정한 통신영역의 사례를 통해 확인할 수 있다.

해당 구간의 경우 본 연구에서 사용한 통신영역 품질측정장비를 이용하여 5개 지점의 통신영역을 측정하 였으며, 각각의 통신영역의 크기가 서로 다른 것을 확인하였다. 이는 안테나의 통신영역에 대한 공식적인 설 치 지침이 없기 때문이며, DSRC 교통정보 수집 성능을 확보하기 위해 각 제조사의 설치 기준(또는 경험)에 따라 장비가 설치되었기 때문이다.

<Fig. 2>과 같이 노변기지국 5개소의 간격은 각 3km 간격으로 설치되어 있으며 각 노변기지국의 설치 위 치에서 안테나와 단말기간 통신이 이뤄진다고 가정하고, 차량이 100km/h의 속도로 A-E 구간을 통과할 때 각 구간별 소요시간은 108초로 계산된다. 그러나 기지국별 통신영역이 각각 다르기 때문에 실제 안테나와 단말 기가 통신하는 위치는 각 기지국의 통신영역 진입시점이 된다(Jang, 2013). 이로 인해 실제 RSE간 통행 시간 과 센터 산출 통행시간의 오차가 발생하며, <Table 1>에서 보인 바와 같이 대략 3~11%의 속도 오차가 발생 할 수 있음을 확인하였다. 센터에서 산출하는 통행속도는 수많은 통행 차량의 평균으로 계산되기 때문에 누 적에 따른 개별 차량의 속도 편차는 줄어들 수도 있겠지만 개별 차량의 정확도가 높을수록 산출되는 통행속 도의 정확도도 높아진다.

<Fig. 2>

Examples of roadside stations with different communication areas (near Pangyo IC)

<Table 1>

The crossing speed of each roadside station with different communication area

Ⅱ. 관련 조사 및 현장 실험

1. 유지관리 실태 조사

1) 국내 유지관리 주체 유지관리 실태 조사

한국도로공사에서 실시하는 DSRC 교통정보시스템의 유지관리 점검항목 및 점검주기를 확인하고자 “DSRC 교통정보시스템 유지관리 업무 내용”을 조사한 결과, 장비의 동작여부에만 초점이 맞춰져 있고 통신 영역 및 전파수신강도(이하 RSSI: Received Signal Strength Indicator)1)의 측정에 관한 기준이 없어 통신영역은 유지관리 점검항목으로 관리되지 않음을 확인하였다(KEC Internal Doc, 2016). 또한 한국도로공사 자체 시행 방식으로 ITS 품질시험을 위한 “ITS 품질시험 업무처리 기준”을 규정하고 있지만 설치 기준 및 통신영역과 RSSI 관련된 부분은 포함되어 있지 않고 장비의 물리규격시험, 기능시험, 성능시험으로만 구성되어 있다 (KEC Internal Doc, 2015).

2) 국내 제조사별 설치 지침 및 운용 실태 조사

국내 DSRC 교통정보시스템을 구축한 대보정보통신, 엠피온, 진우산전, 건아정보기술을 대상으로 면담조 사를 실시하여 제조사별 장비 설치 지침과 안테나 특성에 대해 조사하였다. 모든 제조사는 별도의 설치 기준 을 갖고 있으나 문서화된 정확한 기준은 수립되어 있지 않으며, 통신영역 및 전파수신강도는 고려하지 않고 차로수(차폭) 등 현장 여건에 따라 안테나를 설치하고 시험 차량 운행을 반복적으로 실시하여 DSRC 안테나 와의 통신 성공률을 측정한 후 최종 안테나 각도와 안테나 전파출력세기를 조정한다.

2. 안테나 설치 사례 및 안테나 특성 분석

1) DSRC 안테나 설치 사례

DSRC 교통정보시스템 안테나를 제조하여 공급하고 있는 제조사들은 주로 패치 안테나 두 개를 적용한 제품을 납품 중에 있다. 기본적인 안테나 설치 방법은 각 발주처의 설치 지침(설치 높이 지정 또는 기존 구 조물의 사용 등의 지시)에 따라 안테나를 설치한 후 시험차량을 주행하여 통신이 불가능한 차로가 발생할 경우 안테나 각도 및 전파출력세기 조절을 통해 통신영역을 변경하고 있는 것으로 확인되었다.

DSRC 교통정보시스템 안테나는 단독 지주에 설치되기도 하지만 설치 예산절감을 위해 기존 ITS 구조물 에 함께 설치하여 통신 및 전기 공급을 해결하고 있어 어떤 구조물에 설치하느냐에 따라 통신영역의 차이가 발생할 수 있다. 고속국도의 경우에도 설치 여건상 대부분 갓길에 있는 ITS 구조물(교통용 CCTV, VDS, 측주 형 VMS 등)에 안테나를 설치하고 있으며 일부 지점의 경우에는 중앙분리대 가까이 설치되는 사례(문형식 VMS 구조물 및 안내표지 구조물)가 있다.

2) DSRC 안테나 특성 분석

2.45GHz 전자기파 전파 특성을 실험한 결과, 온도, 절대습도, 일광, 강우 등의 인자 중 온도가 패킷수신비 율(PRR: Packet Reception Ratio)과 RSSI에 가장 큰 영향을 준다(Wennerstrom, et al., 2013)는 연구결과가 있으 며, 10 GHz 이상 대역의 경우에 강수, 구름, 수증기 등에 의한 전자기파의 감쇄가 크다는 것을 밝혀낸바 있 어서(Panagopoulos, et al., 2004) 전파는 외부 환경의 영향을 받는 것을 알 수 있다. 실제 고속도로 현장에서도 계절별로 통신영역을 점검하고 안테나 각도를 조절한다고 알려져 있다.

또한 우리는 현장 설치된 장비의 전파특성을 분석하기 위해 한국도로공사에서 설치운영 중인 DSRC 안테 나들의 전파특성 시험 자료를 분석하였다. A사 제품(현장 실험이 가능한 이동형 장비로 도로에 설치된 제품 과 동일 사양)의 경우, 공인시험기관으로부터 발급받은 안테나의 방사거리 시험결과를 확인한 결과 <Fig. 3 (a)>와 같이 최대 전파 송신출력 설정조건에서 최대 355m 까지 전파가 도달함을 알 수 있었다. 전파 도달거 리는 제조사마다 실제 DSRC 안테나가 설치된 도로에서 측정한 경우의 통신영역 시험결과보다 더 긴데 이는 현장에서는 안테나의 출력을 축소 조정하여 설치하고 있기 때문이다. 또한 최대 송신출력에 대한 정의 및 최 대 전파도달 거리에 대한 규정 및 지침이 없어 <Fig. 3>과 같이 제조사마다 최대 송신출력 및 최대 전파도달 거리가 다르다. 또한 안테나 설치 각도에 따라 전파도달 거리가 달라지므로 현장의 안테나 설치 각도의 차이 에 따라 동일 제조사 안테나의 경우에도 전파도달 거리가 달라질 수 있다.

<Fig. 3>

Example of propagation characteristics of DSRC antenna

3. 현장 통신영역 측정 및 분석

1) 실험 장비 및 실험 차량 구성

본 연구에서는 현장의 DSRC 통신영역을 측정하기 위하여 다음과 같은 품질측정장비를 사용하였다. <Fig. 4>

<Fig. 4>

DSRC traffic information system quality measurement equipment

DSRC 교통정보시스템 품질측정장비는 DSRC 노변기지국의 안테나 통신영역 및 RSSI를 측정할 수 있는 장비로 이동 중인 차량에서 RSSI를 측정한 후 GPS 좌표와 함께 저장할 수 있으며, 해당 장비는 측정 정확도 확보를 위해 전파차폐공간에서 스펙트럼애널라이저의 참값과 측정값을 비교하여 교정한 장비이다.

본 연구에서는 이동 중에 측정하는 RSSI의 측정값이 정지상태에서 측정한 측정값과도 어느 정도 오차가 발생하는지 확인해 보았다. 확인 방법은 이동식 DSRC 안테나를 한국도로공사 시험도로에 설치한 후 유효통 신영역에서 정지상태(0km/h)에서 측정한 RSSI 측정치와 30km/h, 60km/h, 90km/h의 속도로 이동하며 측정한 RSSI 측정치를 비교했으며, 이때 안테나와 단말기의 통신이 가능한 최소 RSSI를 DSRC 제조사 및 하이패스 단말기 제조사들의 설정 기준을 고려하여 –78dBm 이상으로 가정하였다. 또한 차량 이동 중 GPS 좌표 값은 초당 10회 측정하여 RSSI 값과 함께 저장하였다.

실험 결과 RSSI는 차량이 정지된 상태에서 측정하여도 측정값은 계속 변화됨을 확인하였으며(주행 차량 의 난반사 및 주변 환경 영향을 계속 받고 있음), 4회 측정된 통신영역의 평균은 1차로 102.5m(±12%), 2차로 112.5m(±11%)로 측정되었고 저속(30km/h), 중속(60km/h) 및 고속(90km/h) 주행 측정 결과는 <Table 2>와 같다.

<Table 2>

Results of measurement of communication area

<Fig. 5>와 같이 다양한 속도로 이동시 측정한 RSSI 값도 정지상태에서 측정한 RSSI 값과 유사한 수집패 턴을 보이는데 저속으로 이동하며 측정된 경우 더 많은 측정값을 얻을 수 있었으며 통신영역의 패턴이 더 유사함을 확인할 수 있다. 계산된 통신영역(안테나 설치지점 GPS 좌표와 이동 차량 GPS 좌표간 거리 및 RSSI 측정 평균값 적용)은 <Table 3>과 같이 1차로 평균 약 2.4%, 2차로 평균 21.7%의 측정오차가 있음을 확 인하였다. 이는 안테나에서 가까울수록 전파세기도 세고 변화가 덜 하기 때문으로 보인다. RSSI값을 계산 처 리하여 산출한 통신영역의 오차가 적지 않게 발생함을 확인하였으며 통신영역의 유지관리를 위해서는 품질 측정장비의 측정오차를 줄이기 위하여 차량의 속도에 따른 데이터 수집량의 변동 및 GPS 좌표 지연 수집 등 을 고려한 통신영역 산출 알고리즘에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

<Fig. 5>

Comparison of RSSI measured in the second lane (0km/h, 30km/h, 60km/h, 90km/h)

<Table 3>

Results of error rate relative

외부 환경에서 측정된 RSSI 값은 주위 환경 변화에 따라 계속 변화하기 때문에 참값을 보장할 수 없고, DSRC 품질측정장비의 RSSI 측정값 및 통신영역(RSSI –78dBm 이상 영역의 크기) 산출 결과값 역시 측정 시점에 따라 그 결과가 달라질 수 있으므로 통신영역의 설정 기준을 마련할 경우 DSRC 품질측정장비의 오 차를 고려한 기준 수립이 필요하다.

2) 실험구간 선정

본 연구에서는 DSRC 통신영역 확인을 위한 시험구간으로 대전남부고속도로 일부 구간을 선정하였다. 실 험구간 대전남부고속도로 노선은 다양한 제조사, 구조물, 설치년월 및 도로 환경(곡선, 터널, 휴게소 등)을 포 함하고 있다. 총 130km 구간이며 정상운영 중인 총 34대의 DSRC 노변기지국이 설치되어 있으며, DSRC 교 통정보시스템을 제조하고 있는 모든 제조사(4개사)의 제품이 설치되어 있고, 휴게소 설치 지점 및 다양한 구 조물(CCTV, VMS, 독립지주, 가로등, VDS, 표지판 등)에 안테나가 설치되어 있다. <Table 4>

<Table 4>

Southern daejeon expressway roadside station status

3) 실험 방법

4) 실험 결과

대전남부고속도로 구간 측정 결과, 모든 제조사가 유사한 통신영역 설정 기준 및 적용을 하고 있음을 확 인하였다. 그러나 일부 현장에서는 최소 30m, 최대 400m의 통신영역을 형성하고 있었으나 모두 정상적으로 시스템을 운영 중이었기 때문에 DSRC 교통정보시스템 안테나의 통신영역은 최소 30미터 이상만 확보되어 도 정상적인 운영이 가능함을 확인할 수 있었다.

도로환경과 유형에 따라 측정된 통신영역 및 RSSI의 특징이 상이한 개소도 있지만 대체로 제조사별로 고 유한 특징을 나타내었으며 측정 결과 요약은 다음 <Table 5>와 같다.

<Table 5>

Test sections communication measurement result summarization

또한 실험구간의 도로유형별 통신영역 측정결과는 평균 240m로 제조사 간담회시 의견보다 넓은 통신영역 을 형성하고 있음을 확인하였으며 일반적으로 직선도로보다 곡선도로일수록 통신영역을 넓게 설정하는 경 향을 나타냄을 확인하였고, 주요 측정 결과는 <Table 6, Table 7, Table 8, Table 9>와 같다.

<Table 6>

The average distance of communication area(Avg.) and average RSSI

<Table 7>

Communication area(Avg.) by manufacturer

<Table 8>

Communication Area by Road Type

<Table 9>

Communication area(Avg.) by manufacturer and Lane numbers

Ⅲ. DSRC 교통정보시스템 품질관리 기준 도출

1. DSRC 교통정보시스템 안테나 설치 지침안

본 연구에서는 DSRC 교통정보시스템의 안테나 설치 치침 마련을 위하여 다음과 같은 3가지 사실을 고려 하였다.

따라서 이들을 고려하고, 유지관리 실태 조사 및 문헌조사, 그리고 이동식 기지국을 이용한 통신영역 확인 실험 및 현장 통신영역 확인 실험 등을 종합 검토하여 기준통신영역(RSSI–78dBm 이상 영역)을 100m(±20%) 확보하여야 함을 제안한다.

기준 통신영역의 크기는 ① DSRC 교통정보시스템이 전파를 사용함으로 정확한 통신영역을 설정하기가 매우 어려우며 ② 다양한 도로 환경에 따라 통일된 설치 기준을 정의하기 어렵고 ③ 측정장비의 성능에 따 라 측정치의 오차가 발생할 수 있기 때문에 20%의 측정 오차율을 허용하도록 기준을 결정하였다.

<Fig. 6>과 <Fig. 7>은 각각 문형식 구조물과 측주식 구조물(폴 형식)에 제안한 DSRC 교통정보시스템 설 치 지침안대로 DSRC 교통정보시스템 안테나를 설치한 후 통신영역을 설정하는 예이다.

<Fig. 6>

Optimal installation method on the gate-typed structure

<Fig. 7>

Optimal installation method on the pole-typed structure

2. 설치 지침안의 유효성 검증

제안한 DSRC 교통정보시스템의 설치 지침안대로 DSRC 교통정보시스템 안테나를 설치하고, 기준 통신영 역 조건에서 실제 도로를 통과하는 차량과 통신한 DSRC 데이터 수집량을 확인하는 방식으로 안산 ITS인증 성능평가센터의 시험도로(국도42번)에서 설치 지침안의 유효성을 검증하였다.

먼저 유효성 검증 실험을 위해 DSRC 안테나 면의 법선이 기준방향거리3) 25m, 50m, 75m를 향하도록 방향을 잡고 안테나를 설정한 후 안테나 출력을 조정하고, 시험 차량에 RSSI 값 측정이 가능한 DSRC 품질측정장치를 설치 후 통신영역을 측정하였다. 추가 보완 확인을 위해 50m 방향 설치를 추가 1회 더 실시하여 총 4회에 걸쳐 안테나 설치 조건을 변경하였으며, 시간별 데이터 수집량 그래프 <Fig. 10>에 통신영역 설정 조건을 표기하였 다. 이후 각각의 통신영역에 대하여 예상되는 수집 데이터량과 실제 수집된 데이터량을 비교하였다. <Fig. 8, 9>

<Fig. 8>

Antenna installation standard verification test at ansan ITS certification performance evaluation center

<Fig. 9>

Experimental environment for verification of installation standard

<Fig. 10>

Comparison of the number of expected data with the actual data

검증 실험에서는 문형식 및 측주식 구조물에 모두 적용 가능한 설치 방법을 검증하고자 하였으며, 다음 2 가지 설치안 중에서 <Table 10>과 같이 설치2안이 더욱더 근접한 기준통신영역(100m)을 확보하는데 용이하 였다.

<Table 10>

Communication area according to reference distance and output for each lane

또한 <Table 11>과 같이 안테나 송출감도 및 수신감도를 조정하여 통신영역 크기를 조절할 수 있음을 확 인하였다.

<Table 11>

Communication area according to output adjustment

통신영역 크기 변화에 따른 데이터 수집 성능을 확인하기 위해 안산 ITS인증성능평가센터에 설치된 VDS 의 차량 검지 데이터수와 설치한 DSRC 교통정보시스템의 통신데이터수를 비교하였다. 분석을 위해 VDS의 수집 자료 중 사용된 자료는 모든 차선별 통과한 차량에 대한 교통량 데이터이며, DSRC 교통정보시스템에 서 수집한 자료는 실제 주행한 모든 차량 중 RF 방식의 하이패스 단말기를 장착한 차량의 교통량 데이터이 다. RF 단말기가 설치된 차량은 전체 차량의 약 42%4)이므로 VDS 검지수의 42%에 해당하는 데이터수를 하 이패스 단말기를 달고 있는 차량의 수로 추정할 수 있으며, 이와 DSRC 교통정보시스템의 검지 데이터수를 비교하여 교통량 수집 능력을 확인하였다. B방향은 실험당일 공사로 인하여 실험시간 중 일시 지정체가 발 생하여 정상적인 VDS 데이터 수집이 어려웠기 때문에 데이터 검증에서는 A방향의 데이터만으로 통행량 비 교를 실시하였다.

<Fig. 10>에서 보듯이 DSRC 교통정보시스템의 안테나 설치 기준방향거리를 시간대별로 25m, 50m, 75m, 50m로 변경하였으나 모두 안테나의 출력 조정을 통하여 통신영역을 약 100m가 되도록 설정하였다. DSRC의 검지수는 10분당 약 130～150개로 측정되었고, VDS의 총 검지수의 42%에 해당하는 수치와 비교할 때 유사 한 수집 성능을 확인할 수 있었다. 이는 통신영역만 정확하게 지속적으로 유지할 수 있다면 DSRC 교통정보 수집 성능도 유지가 될 수 있음을 보여준다. 데이터 분석 결과 안테나의 통신영역을 기준방향 50m로 설정하 였을 때 약 100m의 통신반경을 확보할 수 있었는데 이때 데이터 수집 성능이 제일 좋았다. 하지만 실제 통 과한 하이패스 단말기 장착 차량의 숫자는 추정한 결과(VDS 수집량의 42%로 가정)이므로 기준방향 50m가 제일 우수하다고 할 수는 없으며, 설치를 위한 기준 방향을 다양하게 하여도 통신영역을 적정하게(약 100m) 확보한다면 수집성능의 차이가 별로 없다고 결과를 해석하는 것이 타당하다.

Ⅳ. 결 론

현재 DSRC 교통정보시스템은 장비 고장이나 오류에 따른 고장수리 및 제어기부에 대한 상태확인 등 단 순점검 위주로 관리되고 있어 노변기지국의 안테나 통신영역, 방향, 전파세기 등에 관한 세부적인 운영·유지 관리 기준이 필요하다. 본 연구에서는 DSRC 통신영역 설정 결과가 지점마다 다르고 통신영역이 너무 넓게 설정되는 등 기지국별로 상이하게 적용되었던 DSRC 교통정보시스템 설치 운용 기준에 대한 최적의 품질관 리 기준안을 제시하였다. 제안한 기준안은 교통정보 수집 정확도를 높일 수 있는 설치 기준안으로 기준에 따 른 DSRC 안테나의 설치 및 통신영역 확보를 통해 효율적인 유지관리가 가능할 것이며 나아가 DSRC 교통정 보시스템 성능평가 합격률도 높일 수 있을 것이다.

본 연구에서는 최종적으로 품질관리 기준안 도출 과정을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

아울러 본 연구 결과의 현장 적용 및 활용을 위해서 통신영역의 크기를 측정할 수 있는 DSRC 품질측정장 비의 신뢰성 확보를 위해 보다 정밀한 통신영역 크기 산출 알고리즘 개선에 대한 추가 연구도 필요할 것이 다. 또한 이 장비를 기준측정장비로 인증 받아 현장에 적용할 경우 신뢰성 있는 DSRC 통신영역의 관리가 가능할 것이며 신뢰성 있는 교통정보 생성이 가능할 것이다.