Original Article

Journal of Korean Society of Disaster and Security. 31 December 2025. 81-90
https://doi.org/10.21729/ksds.2025.18.4.81

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 본 론

  •   2.1 연구 요구사항 정의

  •   2.2 시스템 개요

  •   2.3 모빌리티 게이트웨이 설계

  •   2.4 TVWS 기반 백홀 및 무선망 설계

  • 3. 설계 타당성 및 검증

  •   3.1 테스트 보드 제작

  •   3.2 데이터 송수신 검증

  •   3.3 성능 시험 및 결과

  • 4. 결 론

1. 서 론

전력설비 유지보수 차량, 이른바 활선작업차는 배전설비의 점검과 유지보수, 긴급 복구 작업을 수행하는 데 필수적인 장비로서 전력 공급의 연속성과 안정성을 뒷받침하는 핵심 역할을 담당한다. 그러나 이러한 차량은 고전압 환경에서 직접 운용되기 때문에 작업자의 안전사고 위험이 높으며, 동시에 통신 환경이 불안정한 산간 지역, 도서 지역, 지하 변전소 등에서 자주 활용된다는 점에서 고유한 한계를 가진다. 기존의 유지보수 차량 안전 관리 체계는 유선 기반의 단일 통신 장비나 단편적인 무선 링크에 의존하는 경우가 많아, 현장에서 발생하는 다종의 데이터를 실시간으로 통합 관리하기 어렵다는 문제가 지적되어 왔다(Papadimitratos et al., 2009; Lee et al., 2020). 특히 활선작업 시 제어 데이터의 지연이나 손실은 직접적인 안전사고로 이어질 수 있어 보다 높은 수준의 통신 신뢰성이 요구된다.

이러한 문제는 현장 작업자의 안전뿐만 아니라 신속한 대응이 필요한 설비 장애 상황에서도 데이터 수집 지연 및 판단 오류를 초래할 수 있다. 실제 사고 분석 사례에서도 작업 중 통신 단절로 인해 설비 제어 명령이 지연되어 손상이 확대된 사례들이 보고되고 있다. 최근 연구에서는 백홀(backhaul) 네트워크를 병행 운용함으로써 연속성 확보를 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 특히 TV White Space(TVWS) 기술은 기존 LTE 기반 망의 보완재로서 높은 관통성 및 장거리 전송 특성을 제공하여, 전파 음영 지역에서의 데이터 전송 신뢰성을 확보하는 데 효과적임이 보고되었다(Alonso et al., 2024; Adebayo et al., 2023). 이러한 기술 도입은 유지보수 차량이 실제로 활동하는 지형적 조건을 고려할 때 특히 큰 장점을 제공한다.

한편 게이트웨이 기반의 통신 아키텍처는 차량 내부에서 발생하는 영상, 센서, 차량 제어 데이터(CAN 신호 등)를 통합 관리하고, 이를 다양한 프로토콜(MQTT, TCP/IP 등)을 통해 중앙 관제서버와 연동하는 핵심 기술로 자리잡고 있다(Wang et al., 2023; Muslam, 2024). 그러나 기존 연구는 CCTV 중심의 모니터링 기능이나 제한적 데이터 수집에 그치는 경우가 많아, 다양한 데이터 유형을 실시간 융합하고 장애 상황에서도 지속적으로 전송하는 기능을 충분히 제공하지 못하고 있다. 또한 기존 연구들은 대부분 단일 통신망을 가정하고 설계되어 있어 실제 장애 발생 시 데이터 손실을 최소화하기 위한 구조적 접근이 부족하였다.

본 연구에서는 활선작업차에서 발생하는 작업자 안전 정보, 차량 상태 데이터, 전력설비 동작 신호(CAN 기반), 위치 정보(GPS) 등을 통합 수집하고, 장애가 발생하더라도 데이터 손실 없이 전송할 수 있는 지능형 게이트웨이 기반 통신 아키텍처를 제안한다. 이를 통해 작업자 안전사고 예방, 장비 고장 조기 탐지, 신속한 분석 및 대응에 기여하는 것을 목표로 한다. 특히 통신 품질 저하나 단절 발생 시에도 LTE–TVWS 이중 백홀 간 자동 전환을 수행함으로써 작업 지연을 최소화하고, 제어 신호의 실시간 전달을 보장할 수 있도록 설계하였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 제안된 게이트웨이 구성 요소 및 통신 아키텍처를 기술하고, 3장에서는 프로토타입 기반 데이터 송수신 및 성능 검증 결과를 제시한다. 아울러 본 연구는 현재 프로토타입 수준의 성능 평가에 국한되어 있으며, 향후 실제 유지보수 차량을 대상으로 한 현장 실증을 통해 통신 연속성 확보 효과를 검증할 계획이다. 또한 실시간 데이터 기반의 예측 정비 및 지능형 안전 판단 기능을 고도화하여 전력설비 현장의 안전관리에 실질적으로 기여할 수 있을 것으로 기대한다. 마지막으로 4장에서는 연구 결론과 향후 연구 방향을 제시한다.

2. 본 론

2.1 연구 요구사항 정의

전력설비 유지보수 차량에 탑재될 게이트웨이 및 통신 시스템은 다양한 데이터 소스(카메라 영상, 작업자 안전조끼 센서, 차량 CAN 데이터, GPS 위치 정보)를 통합 관리하고, 관제센터와 안정적으로 연동해야 한다. 이를 위해 기능적 요구사항, 비기능적 요구사항, 운용 환경 요구사항으로 구분하여 정의하였다. Table 1은 요구사항의 정의를 정리한 것이다.

Table 1.

Requirements for gateway and communication system in power maintenance vehicle

Category Detailed Requirements Design Considerations
Functional Requirements - Integrated collection and verification of CCTV, safety sensors, 
CAN, and GPS data
- Support for LTE-based remote control
Support for multiple communication 
modules (LTE, UWB, CAN, etc.)
Non-functional Requirements - Communication latency ≤ 10 ms
- Packet delivery rate ≥ 99.99%
- Secure VPN-based communication
QoS management, encryption, and 
priority-based packet scheduling
Operational Environment Requirements - Stable operation within a temperature range of -20 to 60°C
- Tolerance to power supply fluctuations (±15%)
TVWS-based backup power supply 
circuitry and environmental durability

2.1.1 기능적 요구사항

게이트웨이는 다중 인터페이스(LTE, Wi-Fi, UWB, CAN, TVWS)를 지원하여 차량 내부 데이터와 외부 서버 간의 원활한 교환을 보장해야 한다. 또한 긴급 상황 발생 시 LTE에서 TVWS 백홀로 자동 전환되어, 데이터 손실 없는 통신 연속성을 제공해야 한다. 본 연구에서는 제어 신호·안전 정보 등 시간 민감 데이터가 우선 전송되도록 MQTT 기반 우선순위를 적용하여 긴급 제어 명령 지연을 최소화하고자 한다.

2.1.2 비기능적 요구사항

시스템은 실시간성, 신뢰성, 보안성을 동시에 만족해야 한다. 예를 들어, 차량 제어 신호 및 안전 알림은 수 밀리초 단위의 지연만으로도 현장 사고로 이어질 수 있으므로, 초저지연 통신이 필수적이다. 또한 VPN 기반 암호화 및 인증 체계를 통해 민감 데이터의 기밀성과 무결성을 보장해야 한다. Failover 중에도 VPN 세션을 유지하여 통신 경로 변경 과정에서 명령·제어 신호가 끊기지 않도록 구성하는 것이 핵심 비기능 요구사항이다.

2.1.3 운용 환경 요구사항

활선작업차는 산간·도서 지역 및 지하 변전소 등 LTE 통신 품질이 낮은 지역에서도 운용되므로, 장거리 전송과 장애물 관통성이 우수한 TVWS 기술을 필수적으로 지원해야 한다. 더불어 -20°C~60°C의 극한 온도와 전력 변동 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있어야 한다. 실제 유지보수 작업은 기상·지형 조건에 크게 제약받기 때문에, 통신망의 회복성과 안정성 확보가 설계 요구사항으로 명확히 강조되어야 한다.

2.2 시스템 개요

제안하는 전력설비 유지보수 차량용 게이트웨이 및 통신 시스템은 차량 내부에서 발생하는 다양한 데이터를 통합적으로 관리하고, 이를 안정적으로 중앙 관제 서버와 연동하는 것을 목적으로 한다. 시스템은 크게 차량 내부 계층, 게이트웨이 계층, 백홀 및 외부 통신 계층, 그리고 관제 서버 계층으로 구분된다(Tao et al., 2018). 차량 내부 계층에서는 CCTV 카메라 영상, 작업자 안전모게 센서 데이터(위치·생체 신호), 차량 제어 데이터(CAN 통신), GPS 기반 위치 정보 등이 발생한다.

이 데이터는 서로 다른 포맷·주기·대역폭 특성을 가지므로, 게이트웨이에서 데이터 형식 표준화가 필요하다. 예를 들어, 센서 데이터는 밀리초 주기의 소용량 패킷이며, 영상 데이터는 수 Mbps–수십 Mbps의 고대역폭 스트림 데이터로 처리된다.

게이트웨이는 모뎀보드에서 수집되며, 각기 다른 인터페이스(LTE, Wi-Fi, UWB, CAN, BLE 등)를 통합할 수 있도록 설계된다. 게이트웨이 계층은 차량 내부 다양한 데이터를 실시간으로 집계하고, 이를 표준 프로토콜(MQTT, TCP/IP 등)을 통해 외부 네트워크로 전송하는 역할을 한다. 또한 데이터 우선순위를 기반으로 제어 신호와 영상 데이터를 구분하여 처리함으로써 긴급 제어 패킷의 지연 최소화(QoS 보장)가 가능하다. 또한 백홀 및 외부 통신 계층은 LTE와 TV White Space(TVWS)로 구성된다. 평상시에는 LTE 네트워크가 기본 경로로 사용되며, 통신 장애나 전파 음영지역에서는 TVWS 백홀이 자동으로 활성화되어 대체 경로를 제공한다. TVWS는 낮은 주파수 대역 특성을 활용하여 장애물 관통성과 장거리 전송 성능을 제공하므로, LTE의 취약성을 보완할 수 있다(Stevenson et al., 2009). 본 시스템은 차량-게이트웨이-관제센터 간 데이터 전송을 계층 구조로 분리함으로써, 보안/신뢰성/확장성을 확보한 것이 차별점이다. 예를 들어, 데이터는 차량 내부에서 1차적으로 처리된 후 게이트웨이 계층에서 암호화 및 전송 제어를 수행하여, 네트워크 위험에 대응할 수 있다. 관제 서버 계층은 차량과 작업자의 데이터를 수신하고, 이를 기반으로 안전 모니터링, 작업자 위치 추적, 장비 상태 확인, 화재·사고 감지 등의 이상 상황 탐지를 수행한다. 또한 데이터 저장·분석 기능을 통해 예측 유지보수(Predictive Maintenance)로 확장될 수 있다. 이는 기존 유지보수 차량 시스템과 차별성을 제공한다. Fig. 1은 상기 계층 구조를 시각적으로 표현한 것으로, 데이터가 차량 내부 센서 → 게이트웨이 집계 → LTE/TVWS 백홀 → 관제 서버로 전송되는 흐름을 명확히 보여준다.

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Fig. 1.

System overview of gateway and communication architecture in power maintenance vehicle

2.3 모빌리티 게이트웨이 설계

모빌리티 게이트웨이는 전력설비 유지보수 차량 내부의 다양한 데이터를 수집·처리·전송하는 핵심 장치로, 하드웨어와 소프트웨어 설계가 통합적으로 고려되어야 한다.

2.3.1 하드웨어 설계

게이트웨이는 하드웨어 레벨에서 LTE, Wi-Fi, UWB, CAN, BLE 등 다양한 통신 모듈을 집적한 전용 보드로 구성된다.

EC25 LTE 모듈, DWM3000 UWB 모듈, MCP2515 CAN 통신 제어기, u-blox NEO GPS 모듈, ESP32 Wi-Fi/BLE 모듈, RJ-45 기반 이더넷 포트를 포함한다. 또한 안전 운용을 위해 과전압·과전류 보호 기능이 적용된 전원 보호 모듈이 설계에 포함된다. 안테나는 차량 외부에 배치되며, 진동 및 열 환경을 고려한 방수·방진 구조(산업 등급 규격)를 충족하도록 설계된다.

모듈 구성은 IoT 게이트웨이의 표준 아키텍처와 일치하며, 산업용 환경에서 요구되는 신뢰성과 확장성을 확보하는 기반이 된다(Imas et al., 2021). Table 2는 전력설비 유지보수 차량에 탑재되는 모빌리티 게이트웨이를 구성하는 주요 하드웨어 구성요소와 각 구성요소의 기능 및 적용 모듈 예시를 정리한 것이다.

Table 2.

Main hardware components of mobility gateway

Component Function / Role Example Module / Chipset
LTE Modem Cellular data communication (Primary path) EC25
UWB Module Short-range high-precision positioning DWM3000
CAN Bus Controller Vehicle control data collection MCP2515
GPS Receiver Positioning and synchronization u-blox NEO series
Wi-Fi / BLE Module Local wireless connectivity ESP32, BCM series
Ethernet Port (RJ-45) Wired communication to external devices Standard PHY (100/1,000 Mbps)
Power Protection Module Over-voltage, over-current, reverse protection Custom design

2.3.2 소프트웨어 및 프로토콜 설계

게이트웨이는 하드웨어 레벨에서 수집된 데이터를 소프트웨어 계층에서 표준 포맷(JSON 기반 Telemetry)으로 변환한다. JSON 메시지는 데이터 유형별로 “ID, Timestamp, Value, QoS Class, Checksum” 필드로 구성되어 패킷 무결성과 우선순위 기반 처리(제어 신호 우선 전송)가 가능하다. 데이터 전송에는 MQTT 및 TCP/IP 프로토콜을 적용하며, MQTT는 실시간성이 요구되는 상태 정보·이벤트, TCP/IP는 대용량 영상 전송에 적용된다. 또한 게이트웨이 레벨에서 각 통신 모듈의 드라이버가 통합적으로 관리되며, 운영체계는 경량화된 Linux 기반 IoT 플랫폼이 활용된다. 데이터 보안은 VPN 기반 암호화 및 사용자 인증으로 강화되며, 원격지에서 OTA(Over-the-Air) 방식으로 펌웨어 업그레이드가 가능하여 유지보수성이 향상된다.

2.3.3 보안 및 관리 기능

보안성 확보를 위해 게이트웨이는 VPN 기반 암호화, 사용자 인증, 접근 제어 기능을 제공한다. 이를 통해 전송 중 데이터의 무결성과 기밀성이 보장된다. 또한 관리 측면에서는 원격 펌웨어 업데이트(OTA: Over-The-Air update) 기능이 포함되어, 장시간 운용되는 차량 환경에서 소프트웨어 유지보수가 용이하다(Fang et al., 2017). Fig. 2는 위 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소 간 데이터 흐름을 도식화한 것으로, 게이트웨이 내부 처리 경로와 백홀 전송체계가 단계적으로 동작함을 나타낸다. Table 3은 전력설비 유지보수 차량용 게이트웨이에 적용된 보안 및 관리 기능을 중심으로, 각 기능의 목적과 구현 방식을 정리한 것이다.

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Fig. 2.

Hardware and software architecture of the mobility gateway

Table 3.

Security and management functions of gateway

Function Purpose Implementation Method
VPN-based Encryption Secure data transmission OpenVPN, WireGuard
User Authentication Prevent unauthorized access Certificate-based login
Access Control Protect sensitive commands/data Role-based access
OTA Update Remote software maintenance Secure firmware update protocol

2.4 TVWS 기반 백홀 및 무선망 설계

제안 시스템의 백홀은 LTE(기본)–TVWS(비상/보조) 이중 경로로 구성된다. 차량은 평시 LTE를 사용하며, 음영·혼잡·장애를 탐지하면 TVWS 백홀로 자동 전환되어 관제 서버와의 연결을 연속성 있게 유지한다. 이를 위해 TVWS Base–EPC–CPE의 3 계층 구조를 채택한다. Base는 현장 기지국, EPC는 코어 네트워크 처리를 담당하며, CPE는 차량 측 단말(게이트웨이·CCTV·작업자 단말)에 연결된다(차량에는 지향성/고정형 안테나를 배용). 이 구조는 재난·음영 환경에서 장거리·고효율 특성을 제공하는 TVWS의 물리계층 이점을 활용해 LTE의 취약 구간을 보완한다(Shen and Yang, 2020; Xu, 2012). 전환 절차(Failover state machine)는 링크 상태 지표(연속 패킷 손실률, RTT 급증, Heartbeat 실패 등)를 트리거로 한 LTE 품질 이상징후를 이탈(feed) → Degrade → Probe→TVWS → Switch 순으로 상태를 전이하며, TVWS 안정 시에는 우선순위가 높은 제어·안전 신호부터 전달하고, 영상 스트리밍은 가용 대역폭에 따라 적응형 Bitrate(ABR)로 하향 조정한다.

LTE가 복구되면 Monitor→LTE→Revert 경로로 연결한다. 전환 과정 전반은 VPN 세션 유지(기 세션 재설정 최소화)를 원칙으로 하며, 경로가 바뀌어도 응용 계층은 단절을 체감하지 않도록 설계한다. 링크/채널 설계는 현장 전파환경을 반영한 링크 예산과 채널 계획으로 수립한다. 링크 예산은 송신전력, 주파수 대역폭, 안테나 이득, 케이블 손실, 지형 손실을 포함하여 목표 SNR 여섭(여유) 기반 처리량을 산정한다. 채널 운용은 주파수 DB 조회(가시…성)와 스펙트럼 감지를 병행하고, 채널 점유–해제 규칙을 명시한다. 지향성 안테나는 장거리·장애물·무지향성은 근거리/주행 중 연결 안정성을 위해 사용하며, 설치 각도·증폭기·케이블 효율을 고려해 배치한다. QoS/트래픽 정책은 긴급 알림·제어 신호> 텔레메트리> 영상 순으로 계층화하고, MQTT 메시지는 토픽 단위로 우선순위를 부여하며 LTE/TVWS 경로별 대역폭 판타(traffic shaping)와 함께 패킷 재전송/중복전송 정책을 적용한다. 특히 백홀 전환구간에서는 제어 패킷(손실…최소)을 우선 신속히하고 데이터 평면(영상)은 지연 허용 한도 내에서 프레임 드롭을 허용해 전환 시간을 단축한다. Table 4는 LTE–TVWS 이중 백홀 환경에서 통신 품질 저하 시 자동 전환을 보장하기 위한 전환 트리거, 전환 시간, QoS 우선순위, 채널 운용 및 VPN 세션 연속성 기준을 정리한 설계 파라미터와 목표값을 나타낸다.

Table 4.

Backhaul design parameters and targets

Item Target / Policy (Example Value) Notes
Failover trigger PLR ≥ 5% (3 s), RTT ≥ 300 ms (3 consecutive times), 
HB loss ≥ 3
LTE quality degradation criteria
Failover time ≤ 3–5 s Session continuity, control channel priority
QoS order Control/Alerts > Telemetry > Video Topic/port-based queuing
TVWS channel plan Licensed DB query + spectrum sensing, 
available channels N ≥ 2
Channel rotation (similar to DFS)
Antenna layout Directional for backhaul, Omnidirectional for mobility Installation angle, vehicle body interference
VPN continuity Re-key ≥ 30 min, path-change tolerant Maintain session to minimize application disruption

3. 설계 타당성 및 검증

본 연구에서 제안한 게이트웨이 및 통신 아키텍처의 타당성을 검증하기 위하여 테스트 보드 제작–데이터 송수신 검증–성능 시험의 절차를 수립하였다.

3.1 테스트 보드 제작

프로토타입 보드는 4-layer PCB 구조로 제작되었으며, 전원부에는 과전압·역전류 보호 회로를 삽입하였다. LTE 모듈과 UWB 모듈은 독립 안테나 포트를 사용하여 간섭을 최소화하였으며, CAN 컨트롤러는 MCP2515 기반 SPI 인터페이스로 게이트웨이 메인 MCU와 연동되었다. 초기 Bring-up 단계에서는 JTAG을 통해 펌웨어를 로딩하고, 각 통신 모듈별 Loopback Test를 수행하여 하드웨어 안정성을 검증하였다. Fig. 3은 제작된 테스트 보드의 외형을 보여준다. 추가적으로 전력설비 유지보수 차량 탑재 환경을 고려하여 진동(최대 5 Grms) 및 온도(-20°C~60°C) 조건을 충족하도록 설계·제작하였으며, 모듈단 핫스왑 구조를 적용하여 유지보수성을 확보하였다.

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Fig. 3.

Prototype board of the mobility gateway (test design)

3.2 데이터 송수신 검증

Telemetry 데이터는 JSON 포맷으로 구성되었으며, 차량 ID, 센서 값, 좌표, 타임스탬프가 포함되었다. MQTT 브로커는 Mosquitto 기반으로 구축되었으며 QoS Level 1을 적용하여 패킷 중복 방지를 구현하였다. 데이터 송신 주기는 1초로 설정하였고, 총 1만 건의 메시지를 송신하여 수신율 및 지연 특성을 분석하였다. 검증 결과 평균 수신율은 99.99% 이상을 유지하였으며, 왕복 지연(RTT)은 8–12 ms 범위로 측정되어 실시간 상태 모니터링 요구조건(20 ms 이하)을 충분히 만족하였다. 또한 데이터 유실 발생 시 MQTT QoS Level 1 재전송 매커니즘이 정상 동작함을 확인하였다. Listing 1은 게이트웨이에서 관제 서버로 telemetry 데이터를 발행(publish)하는 Python MQTT 코드 예시이다.

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Listing 1.

Example code for telemetry data transmission using Python (MQTT)

3.3 성능 시험 및 결과

성능 검증은 연구소 시험환경에서 수행되었으며, LTE 및 TVWS 장비(Base/EPC/CPE)를 포함한 전체 통신망을 구성하였다. 시험은 LTE 정상 상황과 강제 차단 상황을 모두 포함하였으며, LTE 차단 시 자동으로 TVWS 백홀로 전환되는 Failover 동작을 관찰하였다. 성능 측정 항목은 지연(Latency), 처리량(Throughput), 패킷 손실률(Packet Loss Rate, PLR), 전환 시간(Failover Time), 세션 연속성(Session Continuity)으로 정의하였다.

Fig. 4는 LTE 장애 발생 시 지연(Latency) 변화를 나타낸다. LTE 장애 직후 지연이 급격히 증가하였으나, 전환 완료 후 약 2초 이내에 안정 구간으로 수렴하였다. 이는 제안된 백홀 구조가 Table 5에서 정의한 전환시간 기준(≤3–5초)을 충분히 만족하는 결과이다. 또한 데이터 경로 전환 중에도 제어 패킷이 유지되어 작업자 안전을 위한 실시간 통신 안정성이 확보됨을 확인하였다. Fig. 5는 LTE 및 TVWS의 처리량 특성을 비교한 결과이다. LTE는 20–22 Mbps 내외, TVWS는 평균 11–14 Mbps 수준으로 나타났다. Failover 중 TVWS 처리량 감소에도 불구하고 Telemetry 및 저대역폭 영상 스트림은 지속적으로 유지되었으며, ABR(Adaptive Bitrate) 적용을 통해 서비스 품질을 확보하였다.

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Fig. 4.

Captured packets showing LTE–TVWS failover event (simulated)

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Fig. 5.

Measured throughput comparison between LTE and TVWS (simulated)

Table 5.

Validation metrics and methods

Metric Target Value / Condition Measurement Method
Latency (E2E) ≤ 10 ms Ping RTT, Wireshark timestamp analysis
Packet Delivery Ratio ≥ 99.99% Wireshark packet statistics
Failover Time ≤ 3–5 s LTE cut-off → TVWS switch log observation
Throughput ≥ 10 Mbps (video stream), ≥ 1 Mbps (telemetry) iperf3 traffic generator
Session Continuity VPN session re-key ≥ 30 min, path-change tolerant VPN log, session persistence check

Fig. 6은 VPN 로그를 통해 세션 지속성(Session Continuity)을 분석한 결과이다. 터널 재수립 없이 지속적으로 연결이 유지되었으며, 전환 과정에서 통신 중단이 발생하지 않음을 확인하였다. 이는 Failover 과정에서 응용 계층 서비스가 중단되지 않는 핵심 근거이다. Table 5는 성능 검증에 사용된 지표를 정리한 것이다. 모든 지표가 전력설비 유지보수 차량 요구조건을 만족하는 것을 확인하였다. 결과적으로, 제안된 이중 백홀 기반 게이트웨이는 단일 LTE 기반 시스템 대비 연결 지속성 측면에서 실질적 개선 효과를 제공하며, 재난 및 음영지역 전력설비 유지보수 환경에서 요구되는 통신 안정성과 가용성을 확보한 것으로 판단된다.

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Fig. 6.

VPN session continuity log during failover test (simulated)

4. 결 론

본 연구에서는 전력설비 유지보수 차량의 안전성과 운용 효율성을 향상시키기 위한 게이트웨이 및 통신 아키텍처를 제안하고, 설계 및 검증 과정을 수행하였다. 제안된 아키텍처는 차량 내부 센서 및 제어 신호, 영상 데이터 등을 실시간으로 수집·전송할 수 있도록 다중 인터페이스(LTE, UWB, CAN, GPS, Wi-Fi/BLE)를 통합한 게이트웨이 구조로 설계되었으며, VPN 기반 암호화와 QoS 관리 기능을 통해 보안성과 신뢰성을 동시에 확보하였다.

프로토타입 보드 제작 및 시험을 통해 다중 인터페이스가 안정적으로 동작함을 확인하였으며, MQTT 프로토콜을 활용한 Telemetry 데이터 송신 검증 결과, 실시간 Telemetry 데이터가 성공적으로 관계 서버로 전달됨을 확인하였다. 또한 LTE와 TVWS를 결합한 이중 백홀 구조는 실험적으로 검증한 결과, LTE 차단 시에도 TVWS로 전환되어 통신 연속성을 유지할 수 있었고, 지연(Latency), 처리량(Throughput), 패킷 손실률(Packet Loss Rate), 전환 시간(Failover Time), 세션 연속성(Session Continuity) 등 주요 성능 지표가 요구 조건을 충족하였다. 특히 VPN 세션 전환 과정에서도 끊김없이 유지됨으로써, 제어 신호의 안정적인 전달이 가능함을 입증하였다.

본 연구의 학술적 의의는 다음과 같다. 첫째, 기존 전력설비 차량 연구가 주로 기계적 안정성이나 작업 절차 개선에 한정되었던 것과 달리, 본 연구는 네트워크 아키텍처와 통신 안정성을 동시에 고려한 종합적 접근을 시도하였다. 둘째, LTE와 TVWS를 결합한 이중 백홀 구조는 국내 전력설비 차량 운용 환경에 적합한 새로운 통신 모델을 제시하며, 향후 재난·음영지역 기반 통신 환경에서도 적용 가능성을 확장하였다.

산업적 의의 또한 크다. 전력설비 유지보수 차량은 고위험 작업 환경에서 운용되므로, 제안된 시스템은 작업자 안전 모니터링, 장비 상태 진단, 화재·사고 예방 등 필수 기능을 안정적으로 지원할 수 있다. 나아가, 본 연구에서 제시된 게이트웨이와 통신 구조는 향후 국산화 및 상용화 기반으로도 활용될 수 있다.

그러나 본 연구는 현재 실차 기반 실증이 제한된 상황으로, 연구소 환경 내 시험 결과에 기반하여 성능을 평가하였다. 따라서 향후 실제 전력설비 유지보수 차량을 대상으로 현장 운용 환경에 따른 통신 품질 평가 및 장기 안정성 검증이 필요하다.

또한, TVWS 외에도 5G/GG 기반의 초저지연 통신, 위성통신 등 차세대 백홀 기술을 통합한 확장 연구가 요구된다.

특히 발전소·송변전 설비와 같은 극한 환경에서 장기간 운용을 위한 노이즈·온도·전력 품질 영향 분석도 추가될 필요가 있다. 종합적으로, 본 연구는 전력설비 유지보수 차량용 지능형 게이트웨이 및 통신 아키텍처의 설계와 검증을 통해 실용적 대안을 제시하였다. 향후 실차 실증과 상용화 단계를 거쳐 국내 전력설비 운전 안전성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

Acknowledgements

This work was supported by the Korea Electric Power Research Institute (KEPRI) under the project titled “Development of Safety Function Modules for Live-Line Maintenance Vehicles.”

References

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