인터넷 서비스가 주 정보원으로 작용하는 정보화 시대에 인터넷 망이 닿지 않는 지역에 인터넷 서비스를 제공하기 위해 전력선 통신이 이루어지고 있다. 고속의 통신 서비스를 제공하기 위하여 현재 30MHz까지 할당된 주파수 대역을 80MHz로 확대하려는 연구도 이루어지고 있다. 하지만, 전력선은 통신 선로가 아니므로 통신 신호의 흐름에 따라 방사되는 전파가 발생하고, 그 전파는 기존에 그 대역을 사용하는 무선통신 서비스와 간섭이 발생하게 된다. 본 논문에서는 전력선 통신과 무선 통신 서비스의 상호 간섭을 줄이기 위해 ETSI에서 규정한 간섭 채널을 기준으로, 간섭 신호의 대역폭을 고려하여 3단, 8단의 동적 Notch Filter를 연산하였다. 또한, 간섭 채널에 Notch Filter를 적용하였고, 적용한 결과를 스펙트럼 및 BER 성능을 통하여 검증하였다.
인터넷 서비스가 주 정보원으로 작용하는 정보화 시대에 인터넷 망이 닿지 않는 지역에 인터넷 서비스를 제공하기 위해 전력선 통신이 이루어지고 있다. 고속의 통신 서비스를 제공하기 위하여 현재 30MHz까지 할당된 주파수 대역을 80MHz로 확대하려는 연구도 이루어지고 있다. 하지만, 전력선은 통신 선로가 아니므로 통신 신호의 흐름에 따라 방사되는 전파가 발생하고, 그 전파는 기존에 그 대역을 사용하는 무선통신 서비스와 간섭이 발생하게 된다. 본 논문에서는 전력선 통신과 무선 통신 서비스의 상호 간섭을 줄이기 위해 ETSI에서 규정한 간섭 채널을 기준으로, 간섭 신호의 대역폭을 고려하여 3단, 8단의 동적 Notch Filter를 연산하였다. 또한, 간섭 채널에 Notch Filter를 적용하였고, 적용한 결과를 스펙트럼 및 BER 성능을 통하여 검증하였다.
Today is the Information age which Internet service acts a most important Information Source. So A Power Line Communication has been achieved to offer Internet service for Last-Mile area. And Research is achieved to frequence range from 30MHz to 80MHz for High-speed communication service. But, Power...
Today is the Information age which Internet service acts a most important Information Source. So A Power Line Communication has been achieved to offer Internet service for Last-Mile area. And Research is achieved to frequence range from 30MHz to 80MHz for High-speed communication service. But, Power Line is not suitable for communication, so, electric wave is generated from flow of communication information. And the electric wave is interfered with Wireless Communication Service using the same frequence range. In this paper, we calculated a 3 steps and 8 steps dynamic Notch Filter to consider the bandwidth of interference signals based on ETSI standard for reduce of interference between Power Line Communication and Wireless Communication Service. And we applied a Notch Filter and verified the application performance from Spectrum and BER.
Today is the Information age which Internet service acts a most important Information Source. So A Power Line Communication has been achieved to offer Internet service for Last-Mile area. And Research is achieved to frequence range from 30MHz to 80MHz for High-speed communication service. But, Power Line is not suitable for communication, so, electric wave is generated from flow of communication information. And the electric wave is interfered with Wireless Communication Service using the same frequence range. In this paper, we calculated a 3 steps and 8 steps dynamic Notch Filter to consider the bandwidth of interference signals based on ETSI standard for reduce of interference between Power Line Communication and Wireless Communication Service. And we applied a Notch Filter and verified the application performance from Spectrum and BER.
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문제 정의
앞에서는 Notch Filter와 OFDM 신호의 스펙트럼을 중심으로 그 성능을 분석하였으나, 통신 시스템에서 스펙트럼을 통한 성능 확인에는 한계가 있다. 그리하여 본 논문에서는 BER로써 제안한 Notch Filter의 성능을 확인하였다.
본 논문에서는 고속 전력선 통신과 기존 무선 서비스와의 간섭을 제거하기 위해 기존 무선 서비스가 사용하는 대역의 신호를 효과적으로 제거하기위한 Notch Filter 설계 방식을 제안하였다. 현재 고속 전력선 통신에 할당된 주파수 대역인 2~30MHz와 변조방식인 OFDM을 적용하여 모의실험을 진행하였으며, 간섭 신호로 작용하는 무선 서비스의 사용 주파수 대역을 선택한 후, 그 부분의 신호를 제거하여 전력선 통신 신호를 전송하여 일차적인 간섭을 줄이고, 통신 선로로 사용되는 전력선의 높은 부하와 간섭현상, 변동하는 임피던스와 신호 감쇠 현상 등에 의해 발생하는 잡음을 Notch Filter로 제거하여 이차적인 간섭을 제어하는 방식으로 채널의 대역폭과 각 채널의 간격에 따라 Notch Filter의 단수 및 제거 대역폭을 조절하였다.
본 논문에서는 전력선 통신과 기존 무선 통신 서비스를 위한 Notch Filter에 대해 연구하였으며, 두 시스템 상호간의 간섭을 줄이기 위해 전력선 통신에서 무선 통신 서비스 사용 대역의 신호를 제거하여 전송하는 방식을 제안하였다. 제안한 방법을 통해 전력선 통신과 기존 무선 통신 서비스간의 간섭을 제어할 수 있을 것으로 예상된다.
현재 세계적으로 전력선 통신에 사용하는 변복조 방식은 OFDM 방식을 채택하고 있다. 이에 본 논문에서는 OFDM 신호를 기반으로 하여 간섭 신호를 제거하기에 알맞은 Notch Filter 설계 방식을 제안하였다.
가설 설정
하지만, Notch Filter를 적용할 경우, 간섭 채널 대역을 사용하여 전송되던 전력선 통신의 통신 신호가 손실되는 현상이 발생하게 된다. 그리하여 본 논문에서는 기존 무선 서비스가 사용하는 대역을 알고 있다는 가정 하에, 그 채널을 선정하여 해당 채널의 신호를 제거한 후, 그 부분에는 통신 신호를 실어 보내지 않는 방식을 택하였다. 해당 채널에 신호를 제거하여 통신 신호를 전송하지 않지만, 전력선을 통해 통신 신호가 흐르는 동안 가변 임피던스와 신호 감쇠 등의 현상이 발생할 것을 고려하여 AWGN을 추가하여 발생하는 잡음에 Notch Filter를 적용하는 방법으로 시스템을 구성하였다.
시스템에서 그 채널 부분에 간섭이 존재한다는 것을 알고 있다는 가정 하에 그 부분의 신호를 제거하여 데이터를 싣지 않은 채 전송한다. 잡음의 영향을 고려하기 위해 AWGN을 추가하여 발생하는 잡음부분에 Notch Filter를 적용하여 스펙트럼으로 결과를 확인한다.
제안 방법
OFDM 신호에 적용시킬 Notch Filter 연산을 위해 적절한 간섭 채널을 선정하였다. 선정된 채널은 4번 채널, 5번 채널과 11번 채널로 4번 채널은 100kHz의 좁은 대역폭을 사용하고, 5번 채널은 최소 대역폭인 100kHz와 최대 대역폭인 800kHz의 중간인 360kHz의 대역폭을 사용하며, 11번 채널은 최대인 800kHz의 대역폭을 사용한다.
각 채널의 대역폭에 알맞은 Notch Filter의 설계를 위해, [그림 6]에서 Notch Filter의 스펙트럼을 통해 확인해 보았다. 각 450kHz와 800kHz의 대역폭을 제거 가능한 Notch Filter를 설계하였다. Notch Filter의 통과대역 리플은 필터 설계에서 가장 엄격한 스펙으로 규정 되어 있는 1dB로 설정하였다.
2%로 하였고, FFT size는 [표 1]에 따라 2048로 정하였다. 대역 효율에 따라 유효부 반송파를 정하였고, 유효 대역폭과 유효 부 반송파를 통해 각 샘플의 간격을 연산하였다.
데이터 비교를 위하여 간섭 채널 선정 후, 해당 채널의 신호를 제거하여 AWGN을 추가하여 그대로 복조한 BER과 AWGN 추가 후 Notch Filter를 적용하여 복조한 BER을 비교하도록 하였다.
Notch Filter는 특정의 주파수에서 급격한 감쇠 특성을 가지고 있는 필터로써, 보통 송전선에 의해 유도되는 60Hz 잡음을 제거하는데 사용되어 왔다. 본 논문에서는 Digital Notch Filter 중 IIR Notch Filter를 적용하였다.
본 논문에서는 국제적으로 전력선 통신을 위해 채택하고 있는 OFDM 방식에 Notch Filter를 적용하였다. 2장에서는 Notch Filter를 적용할 전력선 통신의 환경에 대해 설명하고, 3장에서는 Notch Filter에 대해 알아본다.
본 논문에서는 시뮬레이션 가능한 Notch Filter 표준규격을 정하기 위해, 유럽 전력선 통신 표준인 ETSI TS 102 447 V1.1.1과 ETSI TS 102 578 V1.1.19에서의 Notch Filter 부분을 분석하였다.
[그림 4]와 같이 FIR Notch Filter와 비교하여 IIR Notch Filter의 주파수 특성이 좋게 나타남을 확인할 수 있다. 본 논문에서는 식 (3)과 같은 전달함수를 이용해 Notch Filter를 연산한 후, 기존 무선 서비스 대역에서 사용하고 있는 대역에 필터를 적용함으로써 사용 대역과의 간섭을 줄이는 역할을 하게 된다.
본 논문에서는 이러한 상황을 고려하여 한 개의 채널 대역폭을 여러 개의 Notch Filter를 합산하여 제거하도록 하는 방법으로 각 채널 대역폭에 알맞게 필터의 단수를 조절하고, 그 Slope 계수 또한 조정하는 방식을 제안하였다..
앞 절에서 설명하였듯이 하나의 필터로는 해당 채널 대역을 제거하는데 무리가 있으므로, 3개의 필터를 중첩하여 채널을 제거하는데 적용하였다. 하나의 필터는 총 42.
무선 통신 시스템의 경우, 한 번에 여러 채널 대역이 사용되는 형태를 지니게 된다. 여러 채널 대역이 동시에 간섭을 발생시킬 때, 그 간섭을 제어하는 것이 본 모의실험의 목적이므로, 앞 절에서 선정한 4번, 5번과 11번 채널이 사용되고 있다는 전제 하에 선정된 채널들을 동시에 제거하는 형태로 실험을 진행하였다.
모의실험을 위한 시스템 흐름은 [그림 7]과 같다. 우선 ETSI 규정에 따라 Type I에 맞추어 OFDM 신호를 발생시키고, [표 2]의 간섭 채널들 중 제거하고자 하는 채널을 선정한다.
우선, OFDM 신호를 발생한 후, 간섭 채널을 선정하여 해당 채널의 신호를 제거하는 부분까지는 Time Domain 상에서 이루어지며, Frequency Domain으로 변환하여 AWGN을 추가하여 Notch Filter를 적용하고, 다시 Time Domain 상에서 수신 데이터를 복조하여 송신부와 수신부의 데이터를 비교, BER을 연산하는 방식을 적용하였다.
Notch Filter 하나가 총 100kHz 구간을 필터링 하도록 하였으며, 그 제거 레벨은 약 -32dB이다. 이러한 Notch Filter를 100kHz 간격으로 배치하여 3단 Notch Filter와 동일한 구간을 제거 가능하도록 설계하였다.
이렇게 채널 대역을 제거한 통신 신호가 전력선의 특성상 잡음의 영향을 받을 것을 고려하여 SNR을 10dB로 한 AWGN 신호를 추가하여 잡음의 정도를 확인하였다.
이에 3단 Notch Filter는 넓은 채널 대역의 잡음을 제거하기에 알맞지 않은 것으로 판단되어 8단의 Notch Filter를 적용하였다.
시스템에서 그 채널 부분에 간섭이 존재한다는 것을 알고 있다는 가정 하에 그 부분의 신호를 제거하여 데이터를 싣지 않은 채 전송한다. 잡음의 영향을 고려하기 위해 AWGN을 추가하여 발생하는 잡음부분에 Notch Filter를 적용하여 스펙트럼으로 결과를 확인한다.
채널을 제거한 부분을 확대하여 원 신호와 비교하였다. 그림은 인접한 4, 5번 채널과 11번 채널로 분류하여 나타내었다.
그리하여 본 논문에서는 기존 무선 서비스가 사용하는 대역을 알고 있다는 가정 하에, 그 채널을 선정하여 해당 채널의 신호를 제거한 후, 그 부분에는 통신 신호를 실어 보내지 않는 방식을 택하였다. 해당 채널에 신호를 제거하여 통신 신호를 전송하지 않지만, 전력선을 통해 통신 신호가 흐르는 동안 가변 임피던스와 신호 감쇠 등의 현상이 발생할 것을 고려하여 AWGN을 추가하여 발생하는 잡음에 Notch Filter를 적용하는 방법으로 시스템을 구성하였다.
본 논문에서는 고속 전력선 통신과 기존 무선 서비스와의 간섭을 제거하기 위해 기존 무선 서비스가 사용하는 대역의 신호를 효과적으로 제거하기위한 Notch Filter 설계 방식을 제안하였다. 현재 고속 전력선 통신에 할당된 주파수 대역인 2~30MHz와 변조방식인 OFDM을 적용하여 모의실험을 진행하였으며, 간섭 신호로 작용하는 무선 서비스의 사용 주파수 대역을 선택한 후, 그 부분의 신호를 제거하여 전력선 통신 신호를 전송하여 일차적인 간섭을 줄이고, 통신 선로로 사용되는 전력선의 높은 부하와 간섭현상, 변동하는 임피던스와 신호 감쇠 현상 등에 의해 발생하는 잡음을 Notch Filter로 제거하여 이차적인 간섭을 제어하는 방식으로 채널의 대역폭과 각 채널의 간격에 따라 Notch Filter의 단수 및 제거 대역폭을 조절하였다.
대상 데이터
[표 1]에서 Type Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ은 전력선 신호의 대역폭에 따라 나누어진다. 본 논문에서는 2~30MHz 대역으로 총 28MHz 대역을 적용하므로, Type Ⅰ을 선정하였다. 각 Type은 10MHz 20MHz, 30MHz을 전력선 사용 대역폭으로 규정하고, 그에 따라 System clock, IDFT interval, Cyclic prefix, Symbol interval등이 변화한다.
각 Type은 10MHz 20MHz, 30MHz을 전력선 사용 대역폭으로 규정하고, 그에 따라 System clock, IDFT interval, Cyclic prefix, Symbol interval등이 변화한다. 본 논문에서는 Type I에 규정된 내용을 기반으로 2k(2048)의 FFT size를 모의실험에 적용하였다.
OFDM 신호에 적용시킬 Notch Filter 연산을 위해 적절한 간섭 채널을 선정하였다. 선정된 채널은 4번 채널, 5번 채널과 11번 채널로 4번 채널은 100kHz의 좁은 대역폭을 사용하고, 5번 채널은 최소 대역폭인 100kHz와 최대 대역폭인 800kHz의 중간인 360kHz의 대역폭을 사용하며, 11번 채널은 최대인 800kHz의 대역폭을 사용한다. 또한, 4번 채널과 5번 채널은 채널 간격이 100kHz로 필터 사용 시 두 채널에 간섭이 있을 것으로 예상된다.
시스템은 크게 신호 발생부와 채널 제거부로 나누어지는데, 전력선 신호는 현재 국내에 할당되어있는 2~30MHz 대역을 사용하였으며, 간섭으로 작용하는 채널은 ETSI TS 105 578 V1.1.19에 배정되어 있는 HF Broadcasting Band를 적용하여 구성하였다.
성능/효과
3단의 Notch Filter를 적용한 결과보다 잡음 제거 특성이 좋게 나타남을 스펙트럼으로써 확인 가능하다.
4번 채널의 BER 그래프 확인 결과, SNR이 12dB 이상이 되면 Notch Filter를 적용한 경우의 BER 성능이 더 좋게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
4번과 5번 채널에 Notch Filter를 적용한 결과, 불규칙하게 나타났던 간섭 채널 제거 구간의 잡음들이 제거된 것을 확인할 수 있다.
5번 채널 또한, SNR이 12dB 이상이 되면 Notch Filter를 적용한 경우의 BER 성능이 좋게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그 외의 구간에서는 거의 동일한 BER 성능을 보인다.
4번, 5번 채널과 동일한 방식으로 3단 Notch Filter를 적용한 BER 결과는 [그림 24]와 같다. SNR이 18dB 이상이 되면 Notch Filter를 적용한 경우의 BER이 성능이 좋게 나타났으나, 3단의 경우 스펙트럼에서 잡음이 잘 제거되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
그 결과, 스펙트럼으로 선택 대역에 발생한 잡음이 제거되는 것을 확인하였고, BER 성능 또한 Notch Filter를 적용한 결과가 좋게 나타남을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 방법을 적용할 경우, 기존 무선 시스템과 전력선 통신 사이의 간섭을 제어할 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
고속 전력선 통신을 위해 현재 2~30MHz 대역에서 80MHz 대역까지 사용 대역을 확장할 경우, 고주파에서 더욱 커지는 표피 효과로 인해 방사 전파의 영향이 커지게 되므로, 이러한 영향을 줄이기 위한 간섭 및 잡음 제어에 대한 연구가 중요한 위치를 차지하게 될 것이다.
그 결과, 스펙트럼으로 선택 대역에 발생한 잡음이 제거되는 것을 확인하였고, BER 성능 또한 Notch Filter를 적용한 결과가 좋게 나타남을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 방법을 적용할 경우, 기존 무선 시스템과 전력선 통신 사이의 간섭을 제어할 수 있을 것으로 기대된다.
앞에서는 Notch Filter와 OFDM 신호의 스펙트럼을 중심으로 그 성능을 분석하였으나, 통신 시스템에서 스펙트럼을 통한 성능 확인에는 한계가 있다. 그리하여 본 논문에서는 BER로써 제안한 Notch Filter의 성능을 확인하였다.
본 논문에서는 전력선 통신과 기존 무선 통신 서비스를 위한 Notch Filter에 대해 연구하였으며, 두 시스템 상호간의 간섭을 줄이기 위해 전력선 통신에서 무선 통신 서비스 사용 대역의 신호를 제거하여 전송하는 방식을 제안하였다. 제안한 방법을 통해 전력선 통신과 기존 무선 통신 서비스간의 간섭을 제어할 수 있을 것으로 예상된다.
Notch Filter의 경우, 제거 대역폭과 단수에 따라 제거 레벨과 기타 대역의 간섭 정도가 변하게 되는데, 이러한 대역폭과 단수를 조절하여 본 논문에서 사용한 채널 정보 외의 채널에서도 적용 가능할 것으로 보인다. 하지만, 제거 대역폭과 필터 중심 주파수에 따라 변하는 제거 레벨을 동일하게 해야 전력선 통신과 무선 통신 시스템의 간섭으로 인한 잡음을 제거하는데 더 나은 성능을 발휘할 수 있으므로, 제거 대역폭과 필터 중심 주파수에 따라 제거 레벨을 평준화 시키는 부분에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.
30MHz 대역을 할당하여 사용하고 있다. 향후 80MHz 대역까지 확장될 것이나, 본 논문에서는 2~30MHz 대역을 고려하여 [표 3]과 같이 파라미터 연산 후 OFDM 신호를 발생하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
항공과 해상의 안전/조난통신, 방송, 아마추어무선, 전파 천문 등은 왜 전력선 통신의 활성화를 반대하는가?
그러나 전력선 통신에 이용되는 전력선은 기본적으로 60Hz의 전력을 전송하도록 설계되었으므로 이보다 높은 고주파 신호를 보내게 되면 표피효과(Skin Effect)로 인하여 전파가 방사되어 부근의 무선통신 시스템에 영향을 주게 된다. 그러므로 현재 전력선 통신에서 사용하는 주파수 대역(80MHz 이하)의 일차 이용자(ITU-R 에서 국제적으로 할당)인 항공과 해상의 안전/조난통신, 방송, 아마추어무선, 전파 천문 등은 간섭에 대한 우려 때문에 전력선 통신의 활성화를 반대하고 있다. 현재 허용 전계강도 기준치가 규정되어 있지만, 전계강도 기준치만으로는 간섭을 완벽히 제거할 수 없으므로 별도의 주파수 대역 제거 시스템의 필요성이 대두되고 있다[1].
전력선 통신이란 무엇인가?
인터넷 서비스가 주 정보원으로 작용하는 정보화 시대에 인터넷 망이 닿지 않는 Last Mile Solution에 적합한 서비스로서 전력선 통신에 대한 연구가 이루어지고 있다. 전력선 통신(Power Line Communication: PLC)은PLT(Power Line Carrier, Mains Communication, Power Line Telecom) 또는 PLN(Power Line Networking)으로도 불리며 전력을 실어 나르는 도체에 데이터를 전송시키는 통신시스템이다. 최근에 전력선 통신 기술은 매우 발전되어서 200Mbps 정도의 고속통신을 할 수 있게 되었다.
기존 무선 서비스가 사용하는 대역의 신호를 효과적으로 제거하기위한 Notch Filter 설계 방식을 적용한 결과는 어떠한가?
그 결과, 스펙트럼으로 선택 대역에 발생한 잡음이 제거되는 것을 확인하였고, BER 성능 또한 Notch Filter를 적용한 결과가 좋게 나타남을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 방법을 적용할 경우, 기존 무선 시스템과 전력선 통신 사이의 간섭을 제어할 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌 (11)
장동원, 이영환, "전력선을 이용한 유비쿼터스 고속 데이터 통신 연구", 주간기술동향 통권, 1367 호, 2008(10).
N. Pavlidou, A. J. Han Vinck, and Y. Javad, "Power Line Communications: State of the Art and Future Trends," IEEE Communications Magazine, pp.34-40, 2003(4).
안준오, 고속 전력선통신 도입을 위한 주파수 이용방안 연구, 한국전파진흥협회, 2005(12).
김철, 100kHz - 1MHz 대역용 전력선 통신 Filter 개발에 관한 연구, (주)플레넷, 2001(12).
Miroslav Vlcek and Pavel Zahradnik, 'ast Analytical Design Algorithms for FIR Notch Filters," IEEE Transactions on circuit and systems, Vol.51, No.3, pp.608-623, 2004(3).
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