In this paper, we study on the reliability of Very High-rate Power Line Communication (VH-PLC) for Smart Grid, so that the resultant data rate is over 400Mbps at a physical layer. Firstly, reviewing the research trend of the PLC, we discuss the required techniques for supporting the Smart Grid. Cons...
In this paper, we study on the reliability of Very High-rate Power Line Communication (VH-PLC) for Smart Grid, so that the resultant data rate is over 400Mbps at a physical layer. Firstly, reviewing the research trend of the PLC, we discuss the required techniques for supporting the Smart Grid. Considering a pre-specification with the value of several parameters, we investigate a multi-carrier modulation technique to overcome limitations of higher rate transmission under power line channel environments. Then, we propose a system specification of the VH-PLC in the sense of enhancing two features. One is resolving the problem of the co-existence of the deployed high-speed PLC according to the published standardization of KS X 4600-1 in Korea. The other is getting better performance on the grid adopting the diverse element techniques, such as multi-carrier modulation, a subcarrier utilization mode, a variable rate LDPC (Low Density Parity Check) code, and a time and frequency diversity technique. Further, a simulation tool, composed of an Event-Driven simulator and a Time-Driven simulator, is developed for the purpose of verifying the system performance and continuously cross-checking the test bench signal of the proposed VH-PLC system.
In this paper, we study on the reliability of Very High-rate Power Line Communication (VH-PLC) for Smart Grid, so that the resultant data rate is over 400Mbps at a physical layer. Firstly, reviewing the research trend of the PLC, we discuss the required techniques for supporting the Smart Grid. Considering a pre-specification with the value of several parameters, we investigate a multi-carrier modulation technique to overcome limitations of higher rate transmission under power line channel environments. Then, we propose a system specification of the VH-PLC in the sense of enhancing two features. One is resolving the problem of the co-existence of the deployed high-speed PLC according to the published standardization of KS X 4600-1 in Korea. The other is getting better performance on the grid adopting the diverse element techniques, such as multi-carrier modulation, a subcarrier utilization mode, a variable rate LDPC (Low Density Parity Check) code, and a time and frequency diversity technique. Further, a simulation tool, composed of an Event-Driven simulator and a Time-Driven simulator, is developed for the purpose of verifying the system performance and continuously cross-checking the test bench signal of the proposed VH-PLC system.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 먼저 SG 구축을 위해 검토되고 있는 전력선통신기술 개발현황, SG 환경에서 요구되는 통신 인터페이스 조건 및 그리드 구축 기준에 따른 다양한 전력선통신기술들에 대하여 분석해 본다. 또한 전기에너지 전송 및 관리용 통신수단인 동시에 사용자측 관점에서 다양한 부가서비스를 제공할 수 있는 미래 지능형 전력망의 핵심 통신기술인 초고속 전력선통신 시스템의 예비 사양도출에 대한 검토를 수행한다. 전송속도한계를 극복하기 위한 초고속 전력선통신 요소기술들과 전체 시스템 사양을 도출하기 위한 개략적인 송수신 기술을 간략히 설명하고, 시스템 목표에 따른 파라미터들을 추출하기 위해 필요한 통신 성능 시뮬레이션을 수행한다.
멀티캐리어 전송 성능 시뮬레이션 결과를 통하여 초고속 전력선통신 실현 가능성을 확인한다. 모의실험을 위한 멀티캐리어 변조방식의 송수신단 블록 구성은 그림 1과 같다.
본 논문에서는 먼저 SG 구축을 위해 검토되고 있는 전력선통신기술 개발현황, SG 환경에서 요구되는 통신 인터페이스 조건 및 그리드 구축 기준에 따른 다양한 전력선통신기술들에 대하여 분석해 본다. 또한 전기에너지 전송 및 관리용 통신수단인 동시에 사용자측 관점에서 다양한 부가서비스를 제공할 수 있는 미래 지능형 전력망의 핵심 통신기술인 초고속 전력선통신 시스템의 예비 사양도출에 대한 검토를 수행한다.
본 논문에서는 현재 스마트그리드의 각 분야별 통신 인터페이스로 주목을 받고 있는 전력선통신기술의 역할과 초고속 전력선통신시스템의 실현가능성을 검토하였다. 무엇보다도, 기존 KS 및 ISO/IEC 표준을 따르는 전력선통신시스템과 상호공존이 가능하고, 실제 전력선 채널 변화에 가변 적응할 뿐만 아니라, 빈번히 발생하는 임펄스성 잡음에 의한 영향을 최소화할 수 있는 초고속 전력선통신 시스템 구조를 제안하였다.
본 절에서는 초고속 전력선통신 시스템 구현을 위한 통신성능 달성목표와 예비 사양도출을 통한 실현 가능성을 제시한다. 목표로 하는 데이터 전송속도를 지원하기 위한 전력선통신 채널의 요구사항과 시스템 모델을 구체화시키기 위해 고려하고 있는 기본적인 성능 목표는 다음과 같다.
앞 절에서 설명된 VH-PLC 사양의 적합성을 검증하기 위하여 통신성능을 검증할 수 있는 평가도구를 개발한다. 즉, C++ 클래스기반으로 개발되어진 ED (Event-Driven) 방식의 시뮬레이터와 Mathworks사 Simulink의 GUI 환경을 기반으로 개발된 TD (Time-Driven) 방식의 시뮬레이터이다.
가설 설정
수신 성능 시뮬레이션의 결과는 그림 3과 같다. 패킷의 길이를 20,000 바이트, 송수신단간의 클록 주파수 차이가 없으며, 신호의 반사가 없는 AWGN 채널로 가정하였다. 성능 곡선에서 보이는 바와 같이 멀티캐리어 송수신방법을 사용하여 400Mbps를 지원하기 위해서는 표 1에 보인 바와 같이 1024QAM과 7/8 부호화율을 사용하여야 하는데, 이 때 채널의 SNR은 35dB이상이 되어야 패킷 오류율 1%를 달성할 수 있음을 알 수 있다.
제안 방법
본 논문에서는 현재 스마트그리드의 각 분야별 통신 인터페이스로 주목을 받고 있는 전력선통신기술의 역할과 초고속 전력선통신시스템의 실현가능성을 검토하였다. 무엇보다도, 기존 KS 및 ISO/IEC 표준을 따르는 전력선통신시스템과 상호공존이 가능하고, 실제 전력선 채널 변화에 가변 적응할 뿐만 아니라, 빈번히 발생하는 임펄스성 잡음에 의한 영향을 최소화할 수 있는 초고속 전력선통신 시스템 구조를 제안하였다. 시스템의 사양검증을 위해서는 Mathworks사의 Simulink S/W를 사용하여 GUI기반으로 하는 Time-Driven방식의 시뮬레이터와 C++ S/W를 기반으로 하는 Event- Driven 방식의 상위 시스템 시뮬레이터를 개발하였다.
지금까지 400Mbps급 이상의 전송속도 목표달성을 위한 멀티캐리어 변조방식의 예비사양을 도출하였다. 본 절 에서는 실제 전력선 채널모델[8,9]에서 성능열화 극복을 위한 성능향상 기술들을 검토한 후, VH-PLC 물리계층 (PHY) 기술을 간략히 소개한다.
이 때, FFT 알고리즘을 이용한 신호의 복조를 위해 윈도윙(windowing)을 통하여 FFT 길이에 맞는 신호를 분리하는 작업을 수행한다. 수신 신호의 긴 심볼(Long symbol)을 이용하여 복조된 부반송파의 변조 값으로부터 채널의 응답을 추정하며, 송수신단간의 클록 주파수 차이로 인한 부반송파의 페이즈 오차를 보정한다. 수신된 각 비트의 로그-우도확률(log-likelihood) 함수를 계산함으로써 디매퍼(Demapper) 블록에서 심볼에 해당하는 비트열을 복원한다.
무엇보다도, 기존 KS 및 ISO/IEC 표준을 따르는 전력선통신시스템과 상호공존이 가능하고, 실제 전력선 채널 변화에 가변 적응할 뿐만 아니라, 빈번히 발생하는 임펄스성 잡음에 의한 영향을 최소화할 수 있는 초고속 전력선통신 시스템 구조를 제안하였다. 시스템의 사양검증을 위해서는 Mathworks사의 Simulink S/W를 사용하여 GUI기반으로 하는 Time-Driven방식의 시뮬레이터와 C++ S/W를 기반으로 하는 Event- Driven 방식의 상위 시스템 시뮬레이터를 개발하였다. 모의실험 결과, 목표 통신성능을 만족하는 400Mbps급 초고속 전력선통신 시스템구현에 대한 실현 가능성을 보여주었다.
그림 5는 짧은 PSDU 패킷송신과 데이터 프레임 송신을 위한 송‧수신기에 대한 상세 구조도로 각 송신 데이터 프레임의 종류에 따라 독립적으로 실행가능하다. 실제 가정 내 전력선채널을 모델링한 결과와 Rayleigh 분포특성을 갖는 이론적 채널모델링을 통하여 채널블록을 설계하였고[8,9], 송신기의 동작 시나리오에 따라 모의실험되어진다. 그림 6은 ED 방식의 시뮬레이터를 수행한 통신성능을 나타낸 것으로 주어진 통신채널 내에서 물리계층의 최대 전송속도를 보여준다.
또한 전기에너지 전송 및 관리용 통신수단인 동시에 사용자측 관점에서 다양한 부가서비스를 제공할 수 있는 미래 지능형 전력망의 핵심 통신기술인 초고속 전력선통신 시스템의 예비 사양도출에 대한 검토를 수행한다. 전송속도한계를 극복하기 위한 초고속 전력선통신 요소기술들과 전체 시스템 사양을 도출하기 위한 개략적인 송수신 기술을 간략히 설명하고, 시스템 목표에 따른 파라미터들을 추출하기 위해 필요한 통신 성능 시뮬레이션을 수행한다. 마지막으로는 전력선채널과 목표 성능을 실현하기 위한 성능향상 기술의 방안과 초고속 전력선통신 시스템 실현화 가능성을 가늠하여보고, 현재 작업 중인 국가표준안을 기반으로 하는 초고속 전력선통신 PHY 기술을 소개함으로 결론을 맺고자한다.
또한 다수의 부반송파를 효과적으로 이용한다. 즉, 시간 및 주파수 다이버시티 데이터 전송 모드를 두는 부반송파 가용모드 기법을 적용하여 전력선채널 에서 쉽게 나타날 수 있는 임펄스성 잡음에 효과적으로 대응하도록 한다[11]. 마지막으로 채널의 시간에 따른 변화가 심할 때 코히어런트 복조방법 대신에 성능의 열화를 감수하고서라도 차등 복조방식을 사용한다.
먼저, 기존 국내 고속 전력선통신 시스템 국가표준인 KS X4600-1과 국제표준규격 ISO/IEC 12139-1을 따르는 24Mbps급 고속전력선 통신시스템과 동일한 전력선채널 상에서 양립할 수 있기 위해서는 제어프레임의 체크시퀀스, 리드-솔로몬(5,3) 부호, 다이버시티 매핑, 위상편이 변조 및 512 샘플 FFT기법을 포함하는 상호공존기술 등이 동일하게 적용되어져야 한다[2,3]. 한편, 전력선채널 환경에서 400Mbps급 이상의 전송속도를 안정적으로 달성하면서 채널의 SNR을 최소화하기 위한 방안으로 데이터 프레임 헤더체크시퀀스를 두고, 데이터프레임헤더 채널부호화로 LDPC (Low Density Parity Check)와 같은 성능이 우수한 부호화기를 사용한다. 이 때, 채널부호화 성능을 결정하는 매트릭스 크기에 따른 시스템의 복잡도를 줄이기 위해 데이터 프레임 정보비트로 부터 24x24 단위행렬의 크기를 순환이동 방법으로 생성하는 방법을 고안하여 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8의 다양한 부호화 율을 가변 지원토록 한다[10].
성능/효과
그림 8은 송‧수신되는 신호의 각 주요 임계 또는 관심지점에 대하여 연속적으로 샘플들을 추적‧분석 및 모니터링 하는 실시간 상태를 보여준다. TD방식의 시뮬레이션 결과, 시간영역 및 주파수 영역에서의 전력선에 전송되는 실제 샘플들이 시간흐름에 따라 KS X 4600-1 표준 클래스-A를 따르는 DMT-A 모뎀장치에서의 전송신호와 함께 공존할 수 있으며, 해당 신호레벨과 동일하게 수행됨을 보여 주고 있음을 알 수 있다.
신호의 다중경로지연 및 주어진 전력선채널 정보에 따른 수신 데이터의 통신성능과 LDPC 채널코덱의 유무에 따른 통신성능을 함께 보여준다. 모의 실험결과, 대략 28dB의 SNR에서 400Mbps 전송속도를 보장함을 알 수 있다. 채널부호화를 적용하지 않을 경우, 최소 34dB SNR이 보장되어야 최소한의 통신연결성을 보장할 수 있으며, 400Mbps의 전송속도를 제공하기 위해서 37dB 이상의 SNR이 필요함을 알 수 있다.
시스템의 사양검증을 위해서는 Mathworks사의 Simulink S/W를 사용하여 GUI기반으로 하는 Time-Driven방식의 시뮬레이터와 C++ S/W를 기반으로 하는 Event- Driven 방식의 상위 시스템 시뮬레이터를 개발하였다. 모의실험 결과, 목표 통신성능을 만족하는 400Mbps급 초고속 전력선통신 시스템구현에 대한 실현 가능성을 보여주었다. 개발된 두 건의 시스템 상위설계 시뮬레이터들은 향후, 초고속 전력선통신 시스템의 SoC (System-on-Chip) 반도체회로 구현을 위해 반드시 필요한 기초 설계 개발도구로써 그 역할을 담당하게 된다.
패킷의 길이를 20,000 바이트, 송수신단간의 클록 주파수 차이가 없으며, 신호의 반사가 없는 AWGN 채널로 가정하였다. 성능 곡선에서 보이는 바와 같이 멀티캐리어 송수신방법을 사용하여 400Mbps를 지원하기 위해서는 표 1에 보인 바와 같이 1024QAM과 7/8 부호화율을 사용하여야 하는데, 이 때 채널의 SNR은 35dB이상이 되어야 패킷 오류율 1%를 달성할 수 있음을 알 수 있다.
후속연구
전송속도한계를 극복하기 위한 초고속 전력선통신 요소기술들과 전체 시스템 사양을 도출하기 위한 개략적인 송수신 기술을 간략히 설명하고, 시스템 목표에 따른 파라미터들을 추출하기 위해 필요한 통신 성능 시뮬레이션을 수행한다. 마지막으로는 전력선채널과 목표 성능을 실현하기 위한 성능향상 기술의 방안과 초고속 전력선통신 시스템 실현화 가능성을 가늠하여보고, 현재 작업 중인 국가표준안을 기반으로 하는 초고속 전력선통신 PHY 기술을 소개함으로 결론을 맺고자한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
차세대 멀티미디어 통합용 스마트 그리드 지향 유‧무선 전송 기술개발의 필요성이 증대되는 배경은?
최근 녹색기술을 통한 CO2 절감 및 에너지효율의 극대화를 위하여 기존 ICT (Information and Communication Technology) 기술들에 대한 융‧복합 발전이 가속화되고 있다. 2008년 말부터는 전 세계적으로 스마트 그리드 (Smart Grid; SG) 기술이 주목을 받으며, 녹색기술의 실현을 위한 차세대 멀티미디어 통합용 스마트 그리드 지향 유‧무선 전송 기술개발의 필요성이 증대되고 있다[1,2].
국가단위 최초 SG 구축 계획에 있어 부족한 부분은 무엇인가?
특히, 국가적으로 2009년 11월 SG 최종 로드맵이 확정된 이후, 2013년까지 실증 및 스마트 미터를 보급하게 되어 있으며, 2020년까지 소비자측 전력망 지능화 완료계획, 2030년까지 국가단위 최초 SG 구축 계획을 하고 있어 앞으로 초고속 전력선통신시스템 기반 관련 시장이 활발해 질 것으로 기대를 모으고 있다[2]. 그러나 현재까지는 특고압, 고압, 저압, 가공, 지중선 등 다양한 전력선 채널특성 분석과 지능형 전력망, 지능형 소비자, 지능형 운송, 지능형 신재생, 지능형 전력서비스 5개 분야로 나뉜 SG 서비스 환경에 적합한 맞춤형 통신 인터페이스 기술 검토가 부족한 상황이다. 즉, SG 서비스 환경에 따라 요구되어지는 전송속도, 물리적 한계 극복을 위한 전송거리확장, 고신뢰성, 상호공존성, 상호 운영성 및 전기‧통신 전파 법‧규제 완화 등 전력선통신 기술 영역에서 풀어야 할 숙제가 여전히 많다.
고속전력선통신기술은 어떤 장점이 있는가?
녹색 통신기술의 대안 중 하나로 주목받고 있는 고속전력선통신기술은 전기에너지 공급 측면에서 별도의 외부 통신선을 필요로 하지 않고, 전기‧정보 설비 환경에서 기 포설된 전력선을 통하여 자유롭게 필요한 정보공유, 제어‧관리가 편리한 장점을 지니고 있다. 국내의 경우, 2005년 3월부터 스마트 그리드 전신인 산업자원부 전력IT 사업이 진행되어24Mbps 국내 보급형 광대역 고속 전력선통신모뎀이 개발되었고, 국가산업표준(KS X 4600-1)과 2009년 국제표준(ISO/ IEC 12139-1)으로 제정되었다[3,4].
참고문헌 (11)
최성수, "400Mbps급 초고속 전력선통신기술(KS X 4600-2)", 2010 UPLC 비전과 융합기술 세미나자료, 한국전기연구원, pp.3-17, 2010년 4월.
지식경제부, "스마트그리드 로드맵", 2010. 1.
산업자원부 기술표준원, "정보기술-전기통신과 시스템간의 정보교환-전력선통신 (PLC) -고속PLC 매체접근 제어(MAC) 및 물리층 (PHY) -제1부: 일반요구사항, KS X 4600-1", 2007년.
ISO/IEC 12139-1, Power Line Communications (PLC) - High Speed PLC Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY), Part 1: General Requirements, July 2009.
최성수, 오휘명, 김용화, 김영선, "스마트그리드를 위한 초고속 전력선통신 시스템 실현에 관한 연구", pp.300-301, 대한전기학회, 대한전자공학회 정보 및 제어 통합학술대회, 2010년 10월.
최 성수 외, "400Mbps급 초고속 전력선통신 시스템의 상위 시뮬레이터 설계", pp.302-303, 대한전기학회, 대한전자공학회 정보 및 제어 통합학술대회, 2010년 10월.
S. Galli and O. Logvinov, "Recent Developments in the Standardization of Power Line Communications Within the IEEE," IEEE Commun. Mag., pp.64-71, Jul. 2008.
H. M. Oh, S. Choi, Y. Kim, J. Lee, and K. C. Whang, "A systematic Approach to Analyzing Multipath Parameters from PLC Channel Response", IEEE Trans. Power Del., pp.2339-2345, Oct. 2008.
Y. Kim, "Multipath Parameter Estimation for PLC Channels Using the GEESE Algorithm", IEEE Trans. Power Del., pp.2339-2345, Oct. 2010.
오 휘명, 최 성수, 김 영선, 김 용화 "채널 상태에 따른 정보 비트율 가변에 적응적인 LDPC부호기 및 복호기 구조", 특허출원: 10-2010-0114072, 대한민국, 2010 년 11월.
김 용화, 최 성수, 오 휘명, 김 영선, "임펄스성 잡음의 영향을 감소시키기 위한 다중 반송파 기반의 패킷 송신 방법, 특허출원: 10-2009-0037431, 대한민국, 2009년 4월.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.