[논문]부호 제거기를 활용한 STDR/SSTDR 기법의 탐지 성능 개선

박소령

doi:10.7840/kics.2016.41.6.620

부호 제거기를 활용한 STDR/SSTDR 기법의 탐지 성능 개선
Detection Performance Improvement of STDR/SSTDR Schemes Using Sign Eliminator 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.41 no.6, 2016년, pp.620 - 627

박소령 (The Catholic University of Korea, School of Information, Communications, and Electronics Engineering, Communication Signal Processing Lab.)

초록
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이 논문에서는 STDR(sequence time-domain reflectometry)이나 SSTDR(spread-spectrum time-domain reflectometry) 방식에서 인가 신호 제거 기법을 사용하여 케이블의 고장 위치를 탐지할 때, 제거기 앞단에 부호기(sign detector)를 추가하여 복원된 부호를 제거하는 기법을 제안한다. 제안하는 방법은 케이블 선로나 측정 회로에 의해 변형된 신호를 수열의 형태로 복원시킨 후 제거하기 때문에 부호기를 쓰지 않은 경우보다 인가 신호 부분을 효과적으로 제거할 수 있고, 결과적으로 고장에 의한 반사 신호 부분의 탐지 성능을 향상시킬 수 있다. 특히, 원거리 고장에서 제안한 고장 탐지 기법이 기존의 기법에 비해 오탐지율을 크게 낮출 수 있음을 모의실험으로 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes an advanced detection technique for cable fault by eliminating the sign of reference signal in STDR(sequence time-domain reflectometry) and SSTDR(spread-spectrum time-domain reflectometry). The proposed fault-detection technique can eliminate the reference signal more effectively than the conventional one since the sign detector can approximately recover the distorted reference signal by cable and connector, and consequently, can detect the reflected signal by fault more effectively than the conventional one. Especially, it is shown that the error rate of proposed technique can be significantly lower than the conventional one in the case of far fault simulation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 STDR이나 SSTDR 방식에서 인가 신호 제거 기법을 사용할 때, 제거기 앞 단에 부호기를 추가한 후 인가 신호의 부호를 제거하는 기법을 제안한다. 제안하는 방법은 케이블이나 측정 회로에 의해 변형된 신호를 수열의 형태로 복원시킨 후 제거하기 때문에 인가 신호 부분이 부호기를 쓰지 않은 경우보다 효과적으로 제거될 수 있고, 결과적으로 고장에 의한 반사 신호 부분의 탐지 성능을 향상시킬 수 있다.
이 논문에서는 수열 또는 변조된 수열의 시간 영역 상관을 이용하여 고장을 탐지하는 STDR/SSTDR 방식에서 인가 신호 제거 기법을 사용할 때, 제거기 앞단에 부호기를 추가하여 복원된 부호를 제거하는 기법을 제안하였다. 제안한 기법의 고장 탐지 성능을 기존의 기법과 비교하기 위하여, 케이블의 고장 유형을 단선 고장일 때와 합선 고장일 때의 두 종류로 설정하고 길이 15(m = 4)인 m-수열을 사용할 때 고장 위치의 변화에 따른 고장 오탐지율을 모의실험 하였다.

가설 설정

고장 형태가 단선(open circuit)인 경우의 종단 임피던스는 ∞로 가정하여 반사계수는 1이 되고, 합선(short circuit)인 경우의 종단 임피던스는 0으로 가정하여 반사계수는 -1이 된다.

제안 방법

. 또한, 케이블의 고장 유형을 단선일 때와 합선일 때의 두 종류로 설정하고, 길이 15(m = 4)인 m-수열을 사용할 때 고장 위치의 변화에 따른 고장 오탐지율을 비교하였다. 수열의 길이와 종류에 따라 탐지 성능이 다르지만^[5], 제안하는 기법을 적용하였을 때의 성능 변화 추이는 이진 수열을 사용한 경우라면 크게 다르지 않기 때문에 한 가지 수열을 사용한 모의실험 결과만을 논문에 넣었다.
이 논문에서는 MATLABⓇ 시뮬레이션으로 고장 탐지 성능을 모의실험 하였고, 표본화 주파수는 fs=200MHz, 케이블 전파속도는 vp = 2 × 108 m/s, 신호대잡음비는 20dB, 감쇠성분 α(f)는 지중 전력 케이블의 감쇠성분을 활용하였다[10].
이 장에서는 고장의 위치와 종류를 바꾸어가며 기존 고장 탐지 기법과 제안한 기법을 사용하였을 때의 고장 탐지 성능을 모의실험으로 살펴본다.
앞절에서 설명한 인가 신호 제거 기법에서 제거되지 못한 s(t)의 정보가 e(t)에 남아있는 이유는 r(t) 에서 인가 신호 부분이 s(t)와 다르게 변형되었기 때문이다. 이에 인가 신호 제거 이전에 r(t)를 부호기에 통과시켜서 변형된 인가 신호를 부호의 형태로 복원한 후 제거하는 기법을 제안한다.
이 논문에서는 수열 또는 변조된 수열의 시간 영역 상관을 이용하여 고장을 탐지하는 STDR/SSTDR 방식에서 인가 신호 제거 기법을 사용할 때, 제거기 앞단에 부호기를 추가하여 복원된 부호를 제거하는 기법을 제안하였다. 제안한 기법의 고장 탐지 성능을 기존의 기법과 비교하기 위하여, 케이블의 고장 유형을 단선 고장일 때와 합선 고장일 때의 두 종류로 설정하고 길이 15(m = 4)인 m-수열을 사용할 때 고장 위치의 변화에 따른 고장 오탐지율을 모의실험 하였다.

성능/효과

STDR에서의 결과인 그림 2, 4, 6과 비슷하게, 기본 상관 함수인 |Csr (τ)| 에서는 고장 위치에서 상관 값이 크지 못하고, 인가 신호를 제거한 뒤의 상관 함수인|Cse (τ)| 에서는 τ1에서의 상관 값이 고장 위치에서의 상관 값보다 커질 수 있으며, 제안한 기법에서의 상관함수인 | Czsez (τ)| 에서는 고장 위치에서 상관 값이 뚜렷하게 커져서 고장 위치를 가장 잘 찾을 수 있다.
다만, 모의실험에서 2% 이내의 거리 오차만을 탐지로 판단하였기 때문에, 제안한 기법을 포함한 모든 STDR/SSTDR 방식의 고장 탐지 기법에서 8m 이내의 근거리 고장은 대부분 오탐지로 판정되었는데, 이와 같이 매우 가까운 고장인 경우에는 절대적인 거리오차를 기준 값으로 설정하거나 폭이 좁은 펄스를 사용하여 분해능을 높이는 방법이 있을 수 있다.
02μs를 사용하였다. 단선과 합선 고장에서 모두, 기본 STDR은 약 130m보다 원거리의 고장을 찾아내지 못하고, 기존의 인가 신호 제거 기법은 약 200m보다 원거리의 고장을 찾아내지 못하는 반면, 제안한 기법은 약 320m까지의 원거리 고장을 탐지하고 있음을 볼 수 있다.
06μs와 f_c = 1/T_c을 사용하였다. 단선과 합선고장에서 모두, 기본 SSTDR은 약 27m보다 원거리의 고장을 찾아내지 못하고, 기존의 인가 신호 제거 기법은 약 120~150m보다 원거리의 고장을 찾아내지 못하는 반면, 제안한 기법은 약 320m까지의 원거리 고장을 탐지하고 있음을 볼 수 있다.
제안하는 방법은 케이블 선로나 측정 시 연결 회로에 의해 변형된 관측 신호를 수열의 형태로 복원시킨후 제거하기 때문에, 부호기를 쓰지 않은 경우보다 인가 신호 부분을 효과적으로 제거할 수 있어서 고장에 의한 반사 신호 부분의 탐지 성능을 향상시킬 수 있었다. 특히, 제안한 고장 탐지 기법은 기존의 기법에서는 고장을 탐지할 수 없는 200~300m 정도의 원거리고장에서도 거의 오류 없이 고장을 탐지할 수 있음을 보였다.
이 논문에서는 STDR이나 SSTDR 방식에서 인가 신호 제거 기법을 사용할 때, 제거기 앞 단에 부호기를 추가한 후 인가 신호의 부호를 제거하는 기법을 제안한다. 제안하는 방법은 케이블이나 측정 회로에 의해 변형된 신호를 수열의 형태로 복원시킨 후 제거하기 때문에 인가 신호 부분이 부호기를 쓰지 않은 경우보다 효과적으로 제거될 수 있고, 결과적으로 고장에 의한 반사 신호 부분의 탐지 성능을 향상시킬 수 있다. II장에서는 기존의 STDR/SSTDR 방식, 인가 신호 제거 기법 및 부호기 추가 기법, 제안한 고장 탐지 기법을 차례대로 설명하고, III장에서는 모의실험으로 탐지 성능을 비교하며, IV장에서 결론을 맺는다.
제안하는 방법은 케이블 선로나 측정 시 연결 회로에 의해 변형된 관측 신호를 수열의 형태로 복원시킨후 제거하기 때문에, 부호기를 쓰지 않은 경우보다 인가 신호 부분을 효과적으로 제거할 수 있어서 고장에 의한 반사 신호 부분의 탐지 성능을 향상시킬 수 있었다. 특히, 제안한 고장 탐지 기법은 기존의 기법에서는 고장을 탐지할 수 없는 200~300m 정도의 원거리고장에서도 거의 오류 없이 고장을 탐지할 수 있음을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	케이블 배선 시스템의 결함이 경제, 사회, 산업, 보안 등에서 큰 손실을 야기할 수 있는 이유는?	케이블 배선 시스템은 가정, 건물, 공장, 발전소 등의 민간 및 사회 설비에서부터 방공무기체계 등의 군수 설비까지 모든 곳에서 사용되고 있기 때문에, 케이블 배선 시스템의 결함은 경제, 사회, 산업, 보안 등에서 큰 손실을 야기할 수 있다. 특히, 원거리에 설치된 케이블의 점검은 많은 인력과 시간이 소요되거나 직접적인 점검이 불가능할 수 있고, 방공 유도무기체계와 같이 레이더, 교전통제소, 발사대 그리고 미사일등 다수 장비가 한 체계로 구성되어 있을 경우에는 케이블의 작은 고장이 무기 체계 전체 운용에 큰 문제로 확산될 수 있다.
	기본적인 TDR 방식의 단점을 극복하기 위해 어떤 방법들이 제안되었는가?	가장 기본적인 TDR 방식은 인가 신호로 펄스를 사용하는데, 펄스가 감쇠에 취약하기 때문에 원거리 고장에 대한 탐지 성능이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 인가 신호로 자기상관(autocorrelation) 성질이 좋은 수열(sequence)을 사용하는 STDR(sequence TDR) 방식과, 더 나아가 원하는 주파수 대역을 활용할 수 있도록 하기 위해 수열에 정현파 변조를 적용한 SSTDR(spread-spectrum TDR) 방식이 제안되었고, STDR과 SSTDR 방식에서 다양한 길이와 종류의 수열을 사용하였을 때의 고장 위치 탐지 성능에 대한 연구도 진행되었다[3-5].
	TDR 방식이란?	TDR 방식은 특정 형태의 신호를 케이블에 인가(injection)한 뒤 고장 위치에서 반사되어 돌아오는 신호를 탐지하는 가장 간단한 기법으로, 인가하는 신호의 형태에 따라 탐지 성능이 달라질 수 있다. 가장 기본적인 TDR 방식은 인가 신호로 펄스를 사용하는데, 펄스가 감쇠에 취약하기 때문에 원거리 고장에 대한 탐지 성능이 떨어지는 단점이 있다.

참고문헌 (10)

N. H. Rahim, I. S. Chairul, S. A. Ghani, M. S. A. Khiar, N. Abas, and Y. H. M. Thayoob, "Simulation of TDR circuit for the analysis of wave propagation in XLPE cable model," in Proc. IEEE Int. Conf. Power and Energy, pp. 796-801, Kota Kinabalu Sabah, Malaysia, Dec. 2012.
S. H. Doo, K. S. Kwak, and J. B. Park, "Estimation of fault location on a power line using the time-frequency domain reflectometry," J. IEIE, vol. 57, no. 2, pp. 268-275, Feb. 2008.
P. Smith, C. Furse, and J. Gunther, "Analysis of spread spectrum time domain reflectometry for wire fault location," IEEE Sensors J., vol. 5, no. 6, pp. 1469-1478, Dec. 2005.

상세보기
R. A. Guinee, "A novel transmission line test and fault location methodology using pseudorandom binary sequences," in Proc. IET Irish Conf. Sign. Syst., pp. 350-355, Galway, Ireland, Jun. 2008.
J. J. Han and S. R. Park, "Performance comparison and improvement of STDR/SSTDR applying various sequences," J. KICS, vol. 39, no. 11, pp. 637-644, Nov. 2014.
J. J. Han, S. Noh, and S. R. Park, "Performance improvement of STDR scheme employing sign correlator," J. KICS, vol. 40, no. 6, pp. 990-996, Jun. 2015.

원문보기 상세보기
J. J. Han, S. R. Park, and S. Noh, "Improvement of detection performance in STDR/SSTDR using sign detector," Electron. Lett., vol. 51, no. 16, pp. 1281-1282, Aug. 2015.

상세보기
M. Zimmermann and K. Dostert, "A multipath model for the powerline channel," IEEE Trans. Commun., vol. 50, no. 4, pp. 553-559, Apr. 2002.

상세보기
J. H. Yoo, S. H. Choe, and N. Pine, "MIMO-OFDM BPLC over statistical power line channels with cross-talk," J. KICS, vol. 36, no. 12, pp. 1565-1573, Dec. 2011.

원문보기 상세보기
C. K. Lee, T. S. Yoon, and J. B. Park, "Localization of concentric neutrals corrosion on live underground power cable based on time-frequency domain reflectometry," J. IEIE, vol. 62, no. 2, pp. 239-245, Feb. 2013.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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