[논문]효율적인 전력선통신 라우팅 경로 탐색 기법

서충기; 김준하; 정준홍

doi:10.5370/kiee.2018.67.9.1216

효율적인 전력선통신 라우팅 경로 탐색 기법
An Efficient Routing Path Search Technique in Power Line Communication 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.9, 2018년, pp.1216 - 1223

서충기 (Energy ICT R&D Team of KDNERI, KEPCO KDN) , 김준하 (Energy ICT R&D Team of KDNERI, KEPCO KDN) , 정준홍 (Energy ICT R&D Team of KDNERI, KEPCO KDN)

Abstract ▼ AI-Helper

As field of application of AMI, AMR uses the power line as the primary means of communication. PLC has a big merit without installation of the new network for communication in a field using the power line which is the existing equipment. However, there is a serious obstacle in commercialization for the instability by noise and communication environment. Therefore, the technical method for maintaining the communication state which overcome such demerit and was stabilized is required essentially. PLC routing technology is applied with the alternative plan now. The routing technology currently managed by field includes many problems by applying the algorithm of an elementary level. PLC routing path search problem can be modeled with the problem of searching for optimal solution as similar to such as optimal routing problem and TSP(Travelling salesman problem). In this paper, in order to search for a PLC routing path efficiently and to choose the optimal path, GA(Genetic Algorithm) was applied. Although PLC was similar in optimal solution search as compared with typical GA, it also has a difference point by the characteristic of communication, and presented the new methodology over this. Moreover, the validity of application technology was verified by showing the experimental result to which GA is applied and analyzing as compared with the existing algorithm.

주제어

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문제 정의

하나의 통신 셀 범위에는 통상 1개의 DCU master 모뎀, 다수의 repeater 모뎀 및 slave 모뎀이 설치되어 있으며 상호간 전력선으로 연결되어 있기 때문에 PLC에서는 전체 경로에 대한 통신상태뿐만 아니라 경로상의 모뎀 간 통신 상태도 최적 경로를 판단하는 중요한 요소로써 고려되어야 한다. 따라서 본고에서는 기존의 방식에 비해 PLC 최적화된 node 선택 기법을 다음과 같이 제시하였다.
[8] 통신 성능에 따른 최적 라우팅 경로를 구하는 문제는 한정된 계산 시간과 리소스를 가지고 최적의 해를 찾아야 한다는 점, 그리고 통신이라는 특성상 실시간 처리가 가능해야 한다는 점에서 유전자 알고리즘을 이용한 최적화 방법이 효율적이다. 따라서 본고에서는 다중경로 PLC 라우팅에 GA를 이용한 방법을 제안하였다. 기존 알고리즘[9]과 제안된 알고리즘에 대한 비교를 표 1에 나타내었다.
연결된 모든 전력선에 통신신호가 전송되는 PLC 통신방식의 특징으로 인해 PLC에는 유일한 최적 경로뿐만 아니라 통신이 가능한 다양한 최적 경로를 효과적으로 찾을 수 있는 알고리즘을 적용하는 것이 합리적인데 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm, GA)은 이 목적에 적합한 알고리즘이다. 본고에서는 현재 운용중인 PLC에 적용되어 있는 bit per symbols(bps) 기반의 알고리즘에 비해 빠르고 효과적으로 라우팅 경로를 탐색할 수 있는 유전자 알고리즘을 구현하였고 PLCAMI의 한 분야인 AMR에 적용함으로써 원활한 원격검침 서비스가 가능하도록 하는 연구를 진행하였다.
유전 알고리즘은 선택(selection)과 교차(crossover), 돌연변이 연산자를 이용하여 문제에 대한 후보 해 또는 유기체의 집합인 개체군을 새로운 개체군으로 반복적으로 변형함으로써 최적 해를 찾는 것이다[2,5]. 통신성능에 따라 최적 라우팅 경로를 구하는 문제는 한정된 계산 시간과 리소스를 가지고 최적의 해를 찾아야 한다는 점과 실시간처리가 가능해야 한다는 점 때문에 유전 알고리즘이 매우 효율적일 것이므로 본 연구에서는 다중경로 PLC 라우팅에 GA를 이용하는 방법을 제안하였다.

제안 방법

이를 적용한 시뮬레이션을 통해 알고리즘의 타당성을 검증하였으며 검증된 코드를 PLC 에이전트에 구현하여 실증을 진행하였다. 검침 성공률 향상을 위하여 유전자 알고리즘의 적용 외에도 preprocess 기법, 경로 보정 기법, 검침 성공률 변화에 따른 라우팅 기법, 그리고 3회의 polling 주기에 걸쳐 평균화된 모뎀의 통신 속도 값 활용 등 다양한 새로운 알고리즘을 제안, 구현하여 실험 결과를 도출하였다. 모뎀 40개에 대한 실험 결과 최소 허용 fitness 레벨에 대한 평균 경로 찾기는 모뎀 통신 속도 50~450 bps에서 100%의 성공률을 보였으나 통신 속도가 470~550bps 구간에서는 2~98%, 570~610bps 구간에서는 0%의 결과를 보였다.
또한 생성된 mesh node와 연결된 node의 bps 값을 사용하여 식 (3). 과 같이 초기 부모 염색체(parent chromosome)의 집단을 생성하고 각 부모 염색체 후보군에 대한 적합도(fitness)를 평가하여 부모 염색체를 선택한다.
또한 네트워크 관리 에이전트는 연결된 원격지 PLC 모뎀의 bps 값 정보를 주기적으로 수집하고 제안된 알고리즘을 적용한 계산을 수행하여 target slave 모뎀이 새롭게 설정된 경로를 통해 통신을 할 수 있도록 계산된 최적 경로 정보를 slave 모뎀으로 송신한다. target slave 모뎀은 네트워크 관리 에이전트로부터 수신한 정보를 기반으로 새로운 라우팅 경로를 사용하여 데이터를 전송한다.
이와 같은 시뮬레이션 결과를 통해 우리는 시스템 적용을 위한 최적 환경변수를 추출할 수 있었고, 최소 허용 fitness 레벨 및 preprocess를 통한 최소통신 속도 값을 통신 가능 임계값으로 활용하면 검침 성공률 향상을 위한 효율적인 통신 경로 설정이 가능함을 증명하였다. 또한 시뮬레이션의 결과를 바탕으로 DCU 네트워크 관리 에이전트에 알고리즘을 실제 적용하였고 DCU master 모뎀과 하위 모뎀들 간의 신호를 0~47dB까지 단계적으로 감쇄시키면서 신호 세기 및 변동률, 그리고 그에 따른 1일 평균 검침 성공률을 측정하였다. 측정 결과 제안된 알고리즘은 기존 알고리즘에 비해 신호 감쇄 40dB이상에서 검침 성공률이 평균 2~23% 정도 향상됨을 알 수 있다.
본 논문에서는 AMR 기반 AMI 시스템에서 문제점으로 대두되고 있는 PLC의 노후 선로로 인한 잡음과 라우팅 경로 탐색의 비효율성을 해결하여 결과적으로 AMI 시스템의 검침 성공률을 향상시키기 위한 경로 탐색 기법으로 유전 알고리즘을 적용하여 최적의 라우팅 경로 계산 및 설정을 수행하였다. PLC 최적 경로선택 문제는 TSP 및 최단경로 도출 문제와 유사하기 때문에 계산의 효율성 및 정확도 측면에서 기존의 단순한 조화평균법 계산알고리즘을 유전 알고리즘으로 대치하는 것이 유용하다.
본고에서는 DCU와 slave 모뎀 간의 최적 라우팅 경로를 선택하기 위해 유전자 알고리즘을 적용하였고 기존의 bps 조화평균법을 이용한 라우팅 알고리즘과 비교, 검증을 실시하였다. 알고리즘의 비교 검증을 위한 시뮬레이션을 위해 모뎀 bps 초기 값은 임의로 설정한 값을 사용하여 계산을 수행하였다.
전체 라우팅 경로 중 최적 경로를 구하기 위해 제안된 유전자 알고리즘에서는 DCU가 수신한 인접 모뎀 간의 상/하향 bps 값의 조화평균을 구하여 초기 값으로 설정하였다. DCU의 master 모뎀과 라우팅을 원하는 slave 모뎀 간에 유전자 알고리즘을 적용하면 염색체 배열에 대한 평가를 수행하여 최적의 경로(전체경로의 신호가 가장 좋은 경로)를 선택할 수 있다.
기존 알고리즘[9]과 제안된 알고리즘에 대한 비교를 표 1에 나타내었다. 제안 알고리즘은 기존 알고리즘과 비교하여 시스템의 통신 안정성 및 신뢰성 확보를 위해 전처리와 검침 성공률 변화에 따른 라우팅 재설정 기능을 추가하였다.
PLC 최적 경로선택 문제는 TSP 및 최단경로 도출 문제와 유사하기 때문에 계산의 효율성 및 정확도 측면에서 기존의 단순한 조화평균법 계산알고리즘을 유전 알고리즘으로 대치하는 것이 유용하다. 제안된 유전 알고리즘에서는 node(모뎀)간 통신 속도 임계 치를 경로 선택 평가에 포함시킴으로써 기존의 방식에 비해 더 나은 최적 경로를 구할 수 있도록 새로운 node(모뎀) 선택 기법을 제시하였다. 이를 적용한 시뮬레이션을 통해 알고리즘의 타당성을 검증하였으며 검증된 코드를 PLC 에이전트에 구현하여 실증을 진행하였다.

대상 데이터

알고리즘의 비교 검증을 위한 시뮬레이션을 위해 모뎀 bps 초기 값은 임의로 설정한 값을 사용하여 계산을 수행하였다. 또한 최적 경로 선택 여부의 실제적인 검증을 위해 모뎀 100대를 설치하여 실험하고 그 결과를 확인하였다. 라우팅 경로 계산에 사용된 유전자 알고리즘 환경 변수를 표 2에 나타내었다.

데이터처리

제안된 유전 알고리즘에서는 node(모뎀)간 통신 속도 임계 치를 경로 선택 평가에 포함시킴으로써 기존의 방식에 비해 더 나은 최적 경로를 구할 수 있도록 새로운 node(모뎀) 선택 기법을 제시하였다. 이를 적용한 시뮬레이션을 통해 알고리즘의 타당성을 검증하였으며 검증된 코드를 PLC 에이전트에 구현하여 실증을 진행하였다. 검침 성공률 향상을 위하여 유전자 알고리즘의 적용 외에도 preprocess 기법, 경로 보정 기법, 검침 성공률 변화에 따른 라우팅 기법, 그리고 3회의 polling 주기에 걸쳐 평균화된 모뎀의 통신 속도 값 활용 등 다양한 새로운 알고리즘을 제안, 구현하여 실험 결과를 도출하였다.

이론/모형

본 연구는 “경로 최적화 알고리즘을 적용한 전력선 통신기반 저압원격검침 네트워크 관리 에이전트에 관한 연구”의이론 및 실험결과를 기반으로 하였음.

성능/효과

각각의 node는 현장에서 모뎀에 해당하고 한 개의 DCU에 통상적으로 모뎀 40~50개 정도를 연결하기 때문에 최적 경로 라우팅 알고리즘에 GA를 사용하더라도 현장 운용에 문제가 없음을 실험 결과를 통해 확인 할 수 있다.
모뎀간의 신호가 정상 상태(신호감쇄=0dB)인 경우 모뎀의 topology 및 모뎀간의 통신 속도는 기존의 시스템과 제안된 시스템 간에 비슷한 성능을 보장한다. 그러나 신호감쇄를 준 경우 제안된 시스템이 기존의 시스템에 비하여 안정적으로 모뎀 간의 통신 경로를 유지하고 검침을 수행함에 따라 검침의 성공률이 크게 향상됨을 그림 13과 같이 확인할 수 있다.
PLC의 특성상이 통신 경로는 시간 및 환경 요인(유입 잡음 등)에 의하여 주기적으로 변경 되어 질 수 있다. 따라서 InPros 프로그램의 검증을 위해 반복적인 실험 및 검증을 진행하였으며 기존의 라우팅 선택방식과 비교하여 최적의 통신 경로를 효과적으로 계산하는 것을 확인하였다.
모뎀 200개의 경우 평균 계산 시간이 117~479ms 정도 소요되지만 이는 모뎀 등록에 소요되는 시간(10~30초)에 비해 극히 짧은 시간이므로 제안한 알고리즘을 적용하는데 문제가 없음을 알 수 있다. 또한 preprocess 적용 전, 후의 시뮬레이션을 진행하였으며 모뎀 통신 속도 370bps 이상에서 preprocess를 적용하지 않은 경우 경로 계산 회수 및 계산 시간이 급격히 증가하나 preprocess를적용하면 이 구간에서 경로 계산 회수가 일정하게 유지되거나 감소하는 경향을 보인다. 따라서 preprocess를 적용하는 것이 성능 면에서 우수함을 알 수 있다.
이는 최소 허용 fitness 레벨 값이 클수록 연결된 경로의 수가 적어지기 때문이다. 또한 모뎀 수량 변화에 따른 평균 경로 계산 회수와 계산 시간에 대한 시뮬레이션을 통해 수량이 증가하면 계산 횟수나 시간이 일정하게 증가함을 알 수 있다. 모뎀 200개의 경우 평균 계산 시간이 117~479ms 정도 소요되지만 이는 모뎀 등록에 소요되는 시간(10~30초)에 비해 극히 짧은 시간이므로 제안한 알고리즘을 적용하는데 문제가 없음을 알 수 있다.
또한 모뎀 수량 변화에 따른 평균 경로 계산 회수와 계산 시간에 대한 시뮬레이션을 통해 수량이 증가하면 계산 횟수나 시간이 일정하게 증가함을 알 수 있다. 모뎀 200개의 경우 평균 계산 시간이 117~479ms 정도 소요되지만 이는 모뎀 등록에 소요되는 시간(10~30초)에 비해 극히 짧은 시간이므로 제안한 알고리즘을 적용하는데 문제가 없음을 알 수 있다. 또한 preprocess 적용 전, 후의 시뮬레이션을 진행하였으며 모뎀 통신 속도 370bps 이상에서 preprocess를 적용하지 않은 경우 경로 계산 회수 및 계산 시간이 급격히 증가하나 preprocess를적용하면 이 구간에서 경로 계산 회수가 일정하게 유지되거나 감소하는 경향을 보인다.
검침 성공률 향상을 위하여 유전자 알고리즘의 적용 외에도 preprocess 기법, 경로 보정 기법, 검침 성공률 변화에 따른 라우팅 기법, 그리고 3회의 polling 주기에 걸쳐 평균화된 모뎀의 통신 속도 값 활용 등 다양한 새로운 알고리즘을 제안, 구현하여 실험 결과를 도출하였다. 모뎀 40개에 대한 실험 결과 최소 허용 fitness 레벨에 대한 평균 경로 찾기는 모뎀 통신 속도 50~450 bps에서 100%의 성공률을 보였으나 통신 속도가 470~550bps 구간에서는 2~98%, 570~610bps 구간에서는 0%의 결과를 보였다. 이는 최소 허용 fitness 레벨 값이 클수록 연결된 경로의 수가 적어지기 때문이다.
그러나 preprocess 적용 시 모뎀 통신 속도를 너무 높이게 되면 최적 경로가 하나도 존재하지 않는 상태가 발생할 수 있기 때문에 적절한 수준의 모뎀 통신 속도를 임계값으로 설정하는 것이 중요하다. 이와 같은 시뮬레이션 결과를 통해 우리는 시스템 적용을 위한 최적 환경변수를 추출할 수 있었고, 최소 허용 fitness 레벨 및 preprocess를 통한 최소통신 속도 값을 통신 가능 임계값으로 활용하면 검침 성공률 향상을 위한 효율적인 통신 경로 설정이 가능함을 증명하였다. 또한 시뮬레이션의 결과를 바탕으로 DCU 네트워크 관리 에이전트에 알고리즘을 실제 적용하였고 DCU master 모뎀과 하위 모뎀들 간의 신호를 0~47dB까지 단계적으로 감쇄시키면서 신호 세기 및 변동률, 그리고 그에 따른 1일 평균 검침 성공률을 측정하였다.
또한 시뮬레이션의 결과를 바탕으로 DCU 네트워크 관리 에이전트에 알고리즘을 실제 적용하였고 DCU master 모뎀과 하위 모뎀들 간의 신호를 0~47dB까지 단계적으로 감쇄시키면서 신호 세기 및 변동률, 그리고 그에 따른 1일 평균 검침 성공률을 측정하였다. 측정 결과 제안된 알고리즘은 기존 알고리즘에 비해 신호 감쇄 40dB이상에서 검침 성공률이 평균 2~23% 정도 향상됨을 알 수 있다. 이는 PLC 통신의 특성상 검침 성공률이 모뎀 통신 속도가 낮은 구간에서 현저히 떨어지기 때문에 전체 검침 성공률 향상 측면에서 상당히 의미 있는 결과이다.

후속연구

본 연구에서 도출한 새로운 알고리즘의 타당성 결과를 바탕으로 SoC를 설계하여 H/W 기반의 시스템을 구축한다면 S/W 알고리즘에 비해 성능 면에서 월등한 검침 시스템을 구성할 수 있으며 이를 DCU 시스템에 적용함으로써 현재보다 더 안정적인 검침 데이터 취득 및 서비스가 가능할 것이다[10,11].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PLC의 장점은 무엇인가?	원격자동검침(Automatic Meter Reading, AMR)은 원격검침을 위해 전력선통신(Power Line Communication, PLC)을 사용하는 원격검침인프라(Auto Metering Infrastructure, AMI)의 한 웅용분야이다[1]. PLC는 광대역통신 및 지능형 전력망 구축을 위해수용가의 전력선을 통신망으로 사용하는 유선 네트워크 통신이고 추가적인 통신망 설치 없이 기존의 전력선을 이용하여 광대역 통신을 수행할 수 있다는 측면에서 다른 광대역 통신방식에 비해 장점을 가지고 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 노후화된 전력선 사용, 잡음에 취약한 통신대역 (5~25 MHz)의 사용 그리고 상/하향(upload/download) 동일 주파수 대역의 사용 등에 따른 다양한 종류의 인입 잡음에 취약한 문제점을 가지고 있다[2].
	원격자동검침이란 무엇인가?	원격자동검침(Automatic Meter Reading, AMR)은 원격검침을 위해 전력선통신(Power Line Communication, PLC)을 사용하는 원격검침인프라(Auto Metering Infrastructure, AMI)의 한 웅용분야이다[1]. PLC는 광대역통신 및 지능형 전력망 구축을 위해수용가의 전력선을 통신망으로 사용하는 유선 네트워크 통신이고 추가적인 통신망 설치 없이 기존의 전력선을 이용하여 광대역 통신을 수행할 수 있다는 측면에서 다른 광대역 통신방식에 비해 장점을 가지고 있다.
	선로 상태 및 잡음에 대한 취약성으로 PLC 상용화에 장애요인이 되고 있는데 이를 해결하기 위해 진행하고 있는 노력은?	선로 상태 및 잡음에 대한 취약성은 통신의 안정성 및 신뢰성을 떨어뜨림으로써 PLC 상용화에 상당한 장애요인이 되고 있다. 따라서 이에 대한 대안으로 잡음이 많은 통신 대역을 차단함으로써 통신 성능을 향상시키는 방법 그리고 잡음에 영향을 받는 통신 경로를 회피하고 통신상태가 양호한 경로를 지능적으로 찾아 통신 안정성을 확보하는 방법(라우팅 기술) 등의 연구가 진행되고 있다. 이중에서 라우팅 기술은 PLC의 단점인 신호 감쇄로 인한 통신 속도 저하나 통신 두절 상태에서도 원활한 서비스를 가능하게 해 주는 기술이다.

참고문헌 (11)

Park. B.S, Hyun, D.H, Cho. S.K, "Implementation of AMR system using power line communication", Transmission and Distribution Conference and Exhibition 2002: Asia Pacific. IEEE/PES, Vol. 1, pp. 18-21, Oct. 2002.
Seo. C.K, Jeong. S.M, Chung. D.J, "A Research on the Extraction and Interpretation of power line communication Noise Pattern Using Genetic Algorithm", Advanced Engineering Forum, Vol. 2-3, pp. 645-648, 2012.
General Technical Specifications of KEPCO, "Data Concentration Unit for Low Voltage AMI system", KEPCO, GS-5895-0026, pp. 23-25, 101-102, Feb. 2011.
ISO, Information technology-Telecommunications and information exchange between systems-power line communication (PLC)-High speed PLC medium access control (MAC) and physical layer (PHY), ISO/ IEC12139-1, 2009.
Seo. C.K, "A study on the implementation of intelligent power distribution Geometric Information System Using Genetic Algorithm", Dept. Info. and Comm. Eng., Inha University, Aug. 2015.
Moon. B.R, "Easy-to-learn genetic algorithm, An evolutionary approach", Hanbit Media, pp. 59-81, 2008.
Kitano Hiroaki, "Basic Theory Engineering Applications of Genetic Algorithms and Artificial Life Genetic Algorithms", Daechung Information System, pp. 35-36, 1996.
Jeong. S.W, Kim. H.S, Kim. D.S, Jeong. D.J, "Implementation of Adaptive Genetic Algorithm Processor for Evolvable Hardware", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 53, No. 4, 2004.
General Technical Specifications of KEPCO, "Data Concentration Unit for Low Voltage AMI system", KEPCO, GS-5895-0026, pp. 171-175, Dec. 2017.
Barry Shackleford et al., "A High-Performance Hardware Implementation of a Survival-Based Genetic Algorithm", ICONIP'97, pp. 686-691, Nov. 1997.
N. Yoshida, T. Moriki and T. Yasuoka, "GAP: Genetic VLSI processor for genetic algorithm", Second International ICSC Symp. On Soft Computing, pp. 341-354, 1997.

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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