[Wireless Charging] IEEE 1901 HD-PLC::소개
맹주현 (JuHyun Maeng), 이동혁(DongHyuk Lee)
IEEE 1901 HD-PLC은 전력선 통신에 대한 표준입니다. 이번 게시글은 이 표준의 개요(Overview)에 대한 글로써, 대략적인 설명을 다룹니다. 이후 글을 통해 이 표준의 PHY에서 사용하는 신호 변환 방식에 대한 설명을 다룰 것입니다.
위 그림은 V2G(Vehicle to Grid) OSI(Open Systems Interconnection Reference Model) 7 Layer를 나타냅니다. 이 Layer 중 Physical Layer와 Data Link Layer에서 표준으로 사용하는 IEEE 1901과 ITU-T 9955는 ISO/IEC 15118–3에서 이용됩니다.
ISO/IEC 15118은 전기 자동차 충전에 대한 표준이고, IEEE 1901과 ITU-T 9955는 전기 자동차를 포함하는 전력선 통신에 대해 정의하고 있습니다. 그리고 V2G는 전기자동차의 배터리 전력을 전력망으로 재송전하는 기술로써 위 그림과 같은 아키텍처를 기반으로 동작합니다.
ISO/IEC 15118은 여러 파트로 나누어져 있으며, 15118–3은 파트3 문서로써 전기 자동차의 유선 충전에서 사용되는 Physical Layer와 Data Link Layer에 대한 표준을 정의하고 있습니다. 그 중 ISO/IEC 15118–3에서 전력선 통신의 표준으로 채택하고 있는 IEEE 1901에 대한 설명을 다루고자 합니다. 참고로 IEEE 1901은 전기 자동차에 국한되지 않는 전력선 통신을 위한 Physical Layer와 Data Link Layer에 대한 표준입니다.
IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 1901–2010 개요
IEEE 1901–2010은 2005년에 표준화 작업을 시작하여서 2010년 12월에 승인된 표준 문서입니다. 이 표준은 전력선을 통하는 고속 통신 장치에 대해 장치가 사용하는 Physical Layer와 Data Link Layer를 설명하고 있습니다. 특히 일본의 Panasonic Communication에서 개발한 HD-PLC(High Definition — Power Line Communication)은 IEEE 1901 전력선 통신을 위한 국제 표준으로 채택되어 있습니다.
뒤이어 설명할 IEEE 1901 HD-PLC은 HD-PLC Alliance에서 발간한 IEEE 1901을 요약하는 표준 문서입니다. HD-PLC Alliance는 일본 기업인 Panasonic이 설립하였고, PLC에 대한 표준화를 위하여 활동하는 그룹입니다. HD-PLC Alliance에는 IEEE 또한 준회원으로 가입되어 있습니다.
IEEE 1901 HD-PLC 소개
IEEE 1901 HD-PLC은 홈 네트워킹, 오디오·비디오 및 스마트 그리드와 같은 애플리케이션을 위하여 개발된 전력선 통신에 대한 기술입니다. 우선 PLC을 간단히 설명하자면, 기존 가정집의 전기 콘센트를 네트워크 노드로 변환하여서 전력과 함께 데이터 신호를 전송하는 기술을 말합니다. 예를 들어 이 PLC을 통하여 가정집에서 전기 자동차를 충전하면서 동시에 새로운 노래에 대한 재생 목록을 전기 자동차에 다운로드할 수 있습니다.
이 PLC은 데이터 전송을 위하여 기존 전력선을 사용하고, 전력 신호와 데이터 신호의 직교성을 이용하며, PLC 어댑터를 통하여 데이터 신호를 추출합니다.
IEEE 1901 HD-PLC은 위 그림과 같이 PLC_PHY와 PLC_MAC과 관련한 블록으로 구성됩니다.
PHY(Physical) Layer
IEEE 1901 HD-PLC의 Physical Layer에서는 Wavelet OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)을 사용하며, Wavelet OFDM을 통하여 고효율 전송을 할 수 있습니다. 또한, Physical Layer의 26MHz 대역폭에서 최대 240Mbps의 전송 속도를 낼 수 있고, -35dB이 넘는 로브를 이용하여서 신호를 검출합니다. Wavelet OFDM은 신호가 변화하는 지점을 눈에 띄도록 하여서 신호 확인이 용이토록 하였고, OFDM은 직교성을 이용해 Datarate을 높였습니다.
MAC(Media Access Control) Layer
QoS(Quality of Service) Architecture
HD-PLC의 MAC Layer는 멀티미디어 전송을 위하여 설계된 구조이며, QoS를 유지하기 위해 아래 그림과 같은 세 개의 시간 블록으로 구분하여 이용됩니다. 세 개의 시간 블록은 Beacon, CFP(Contention Free Period), CP(Contention Period)로 구성됩니다.
Beacon은 전력선 통신을 사용하여서 데이터를 송·수신하는 다수 노드 사이의 동기를 맞춰주는 역할을 합니다. 또한, 데이터를 수신하는 PLC 노드는 데이터를 송신하는 PLC 스테이션이 주기적으로 망에 전송하는 Beacon을 기준으로 하여서 다음 주기의 Beacon까지 매체를 점유해 데이터를 전송합니다. 이처럼 Beacon으로 노드 사이의 전송 스케줄링이 관리되기 때문에 다른 노드와의 충돌을 방지할 수 있습니다.
CFP는 데이터를 전송하려는 노드들 사이에서 경쟁을 통하여 매체를 점유하지 않고, 사전에 정의된 전송 스케줄링을 기반으로 하는 비경쟁 구간입니다.
CP는 경쟁 구간으로서 CP에서 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)를 통하여 QoS를 보장합니다.
그리고 CSMA/CA를 이용하여서 충돌 회피를 하는 것과 같이 가상 토큰 슬롯을 사용해 여러 노드 사이의 프레임 전송에 대한 중재를 수행하는 DVTP(Dynamic Virtual Token Passing)이 있습니다. 참고로 CP에서 DVTP을 사용할 경우에는 CSMA/CA를 사용할 수 없습니다.
유선인 PLC은 전력선에 연결된 기기 사이에서 통신으로 인한 잡음 및 간섭이 발생할 수 있는데, 이와 같은 신호를 회피하기 위하여 무선 환경에서 사용하는 CSMA/CA를 이용합니다. 왜냐하면 이러한 잡음 및 간섭 신호는 유선 환경에서 발생하는 간섭 신호를 감지하여서 충돌을 방지하듯이 하는 것이 어렵기 때문에 무선 환경에서 CSMA/CA를 통하여 간섭 신호를 회피하는 것처럼 잡음 및 간섭 신호를 회피합니다. 또한 기존 전력선을 사용하기 때문에 전력선 채널에 대한 대역폭이 낮아진 상황에서 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)과 같은 이더넷 환경에서 사용하는 충돌 검출 알고리즘을 사용하는 것은 비효율적입니다.
현재 HD-PLC에서 사용하는 충돌 회피 알고리즘은 Priority Control CSMA/CA와 DVTP이 있습니다.
CSMA/CA
CSMA/CA는 Data Link Layer에서 사용하는 충돌 회피 알고리즘입니다. HD-PLC은 충돌 회피를 하기 위해 Priority Control CSMA/CA를 사용하며, 위 그림과 같이 전송을 하기 위해 매체를 점유하는 IDLE 구간은 GAP state와 CONTENTION state로 구성됩니다. 먼저 GAP state에서는 우선순위에 따라 데이터를 전송하며, CONTENTION state에서는 기존 CSMA/CA를 통하여 충돌 회피를 합니다.
GAP state에서의 우선순위는 각 노드가 전송하려는 데이터 종류에 따라서 PLC 모뎀에서 정해집니다.
DVTP
DVTP은 기본적으로 토큰 패싱 방식을 기반으로 합니다. 이 토큰 패싱은 토큰이라는 특정 제어 프레임을 사용하여서 다수 노드 사이의 데이터 전송에 대한 스케줄링을 관리하는 알고리즘입니다.
동작 방식은 아래 그림과 같은 네트워크 망의 노드들 사이를 순환하는 토큰(패킷)을 데이터를 전송하려는 특정 노드가 얻어서 매체를 점유한 후, 그 노드만이 데이터를 전송합니다. 전송을 완료한 노드가 토큰을 망에 반납하면 데이터를 전송하려는 다른 노드가 토큰을 얻어서 데이터를 전송하며, 이와 같은 과정을 반복합니다.
토큰 패싱은 다수 노드 사이에서 데이터 전송 시 충돌은 전혀 발생하지 않지만, 네트워크 망이 커질수록 토큰을 얻기까지의 시간이 많이 필요하기 때문에 실시간 전송에는 적합하지 않습니다.
HD-PLC에서 사용하는 DVTP은 Virtual Token Slot을 이용하여서 다수 노드 사이의 프레임 전송에 대한 중재를 노드 각각이 자율적으로 수행합니다. Slot은 PLC 터미널 수에 맞춰 할당되고, 해당 PLC 터미널에 맞는 Virtual Token Slot에서 데이터를 전송합니다. 위 그림과 같이 2번 Slot을 통하여 PLC 터미널 2의 데이터를 전송하고, 다음 주기에서 4번 Slot을 이용해 PLC 터미널 4의 데이터를 전송합니다. 이런 과정을 반복하면서 다수 노드에 대한 전송 스케줄링이 관리되기 때문에 충돌을 방지할 수 있습니다.
Frame Concatenation
HD-PLC에서는 다수 노드의 파편이 목적지로 전송되기 위하여 우선 PLC 스테이션이 이 파편들을 수집하며, PLC 스테이션은 수신한 파편을 노드별 프레임으로 구성합니다. 이 과정에서 각 노드의 PLC 모뎀 측 한 파편에 대한 전송 속도가 증가하면, PLC 스테이션에서 하나의 프레임에 대한 페이로드로 할당할 수 있는 부분이 감소할 수 있습니다. 왜냐하면 전송 속도 증가로 프리엠블과 헤더의 길이가 증가할 수 있기 때문이며, 그로 인하여 하나의 프레임에 대한 자원이 더 많이 필요하게 되면서 페이로드로 할당할 수 있는 부분이 감소하게 될 수 있습니다.
그래서 페이로드 영역을 최대화하기 위해 HD-PLC은 Container Block의 페이로드에 Control 영역을 두어서 페이로드를 처리합니다.
HD-PLC은 위 그림과 같이 Container Block에 최대 60개의 Segment Block을 구성합니다. 또한 각 Segment Block은 최대 31개의 MSDU(MAC Service Data Unit)을 가지고, Control 필드를 통하여 프레임 사이의 간격을 맞춰줍니다.
ISP(Inter System Protocol)
HD-PLC은 TDM(Time Domain Multiplex)를 통하여 호환 불가능한 시스템 사이에서 전력선 자원을 공유할 수 있습니다. 한 노드는 ISP Window 구간 내 전력선 자원을 점유해 다른 시스템의 자원을 사용하게 됩니다. 이 ISP Window는 각 PLC 시스템이 RR(Round Robin Scheduling)을 이용하여서 할당되며, 이 구간은 Beacon과 같은 역할을 합니다.
Edit by
맹주현
한양대학교 컴퓨터·소프트웨어학과 박사과정
maengjuhyun@gmail.com
관심분야 : Blockchain, Network, DDS
이동혁
한양대학교 컴퓨터·소프트웨어학과 석사과정
shine5601@naver.com
관심분야 : DDS, Network, Blockchain
그림 출처
V2G OSI 7 Layer 구성
https://ettrends.etri.re.kr/ettrends/132/0905001671/26-6_058-067.pdf
ISO/IEC 15118 구성
https://v2g-clarity.com/knowledgebase/what-is-iso-15118/
IEEE 1901–2010 표준 문서
https://www.techstreet.com/standards/ieee-1901-2010?product_id=1777803
IEEE 1901 HD-PLC 집적회로 구성
IEEE 1901 HD-PLC (High Definition Power Line Communication)
Wavelet OFDM Spectrum 예시
IEEE 1901 HD-PLC (High Definition Power Line Communication)
QoS Scheduling Period 구성
IEEE 1901 HD-PLC (High Definition Power Line Communication)
Priority Control CSMA/CA 동작 방식 예시
IEEE 1901 HD-PLC (High Definition Power Line Communication)
토큰 패싱 동작 방식 예시
https://www.orosk.com/what-is-token-passing/
DTVP 동작 방식 예시
IEEE 1901 HD-PLC (High Definition Power Line Communication)
프레임 구조
IEEE 1901 HD-PLC (High Definition Power Line Communication)
