KR100966896B1 - 전력선 채널 적응형 통신 시스템 - Google Patents

전력선 채널 적응형 통신 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력선 채널 적응형 통신 시스템에 관한 것으로, 전송 데이터에 대한 적응형 첩 심볼 신호를 생성하는 적응형 심볼 맵퍼와, 전송모드 제어신호에 따라 제1 전송모드와 제2 전송모드 중 어느 하나의 전송모드로 변조하는 듀얼 전송모드 신호 변조기와, 디지털-아날로그 변환기와, 디지털-아날로그 변환기로부터 입력되는 신호를 결합하여 전력선으로 송출하고 전력선으로부터 입력되는 신호를 결합하여 출력하는 신호 커플러와, 전력선으로부터 입력되는 신호로부터 동기 획득을 수행하며 그 결과에 따른 동기 획득 신호를 출력하는 동기부와, 아날로그-디지털 변환기와, 아날로그-디지털 변환기로부터 출력된 신호를 기반으로 전력선 채널의 상태값을 측정하고 측정된 전력선 채널 상태값을 출력하는 채널변화 측정기와, 아날로그-디지털 변환기로부터 출력된 신호를 동기부로부터 입력되는 동기 획득 신호에 따라 제1 전송모드와 제2 전송모드 중 어느 하나의 전송모드로 복조하는 듀얼 전송모드 신호 복조기와, 전송 데이터를 복원하는 FEC 복호화기와, 동기부로부터 입력되는 동기 획득 신호와 채널변화 측정기로부터 입력되는 전력선 채널 상태값에 기초하여 적응형 첩 심볼 파형과 전송 데이터율 제어신호를 적응형 심볼 맵퍼로 출력하고, 전송모드 제어신호를 듀얼 전송모드 신호 변조기로 출력하는 채널 적응형 제어기를 포함한다.
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Description

전력선 채널 적응형 통신 시스템{power-line channel adaptive communications system}
본 발명은 전력선 채널 적응형 통신 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 전력선 채널의 특성은 거리에 따른 신호 감쇠뿐만 아니라, 각종 실내 전기기기, 정보 가전 및 사무기기들로부터 발생되는 잡음에도 영향을 많이 받으며, 특히 전력선 저주파 대역에서의 채널 상태는 다른 주파수 대역에 비해서 보다 열악한 채널 조건을 가지고 있다고 할 수 있다.
최근에 미국 HomePlug 표준화 단체에서는 협대역 전력선 채널에서 가전 기기를 제어할 수 있는 저주파 대역의 HPCC(HomePlug Command and Control) PLC 표준 규격이 제정되었다. 가전 기기제어 국제 표준은 저주파 대역의 전력선 채널 환경에 적합한 첩(Chirp) 대역확산 방식을 변복조 기술로 채택하고 있다. 첩 대역확산 변복조 기술은 전송 신호의 시간 대 주파수간 선형 변조 특성을 가지고 있어, 전력선에 발생하는 잡음과 채널 임피던스 변화에 대해서 안정적인 통신 성능을 제공한다. 첩 대역확산 신호 전송에 있어서, 전송 심볼 신호의 주파수 선형성을 이용하면 수신 신호의 데이터를 보다 쉽게 획득할 수 있는 동기부를 구현할 수 있다.
하지만, 전력선 네트워크에 고부하 기기가 연결되면 신호 레벨이 순간적으로 크게 변하기 때문에 통신 연결성에 문제를 줄 수 있다. 이러한 이유로 첩 대역확산 방식만으로는 신뢰성 있는 데이터를 전송할 수 없으므로 이를 보완할 수 있는 추가적인 기법이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전력선 채널 상태에 따라 전송 신호의 시간 및 주파수 특성을 변화시킴으로써, 채널 변화에 능동적으로 대처할 수 있도록 하는 전력선 채널 적응형 통신 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 전력선 채널 상태에 따라 듀얼 전송 모드를 지원함으로써, 효율적으로 데이터를 전송할 수 있도록 하는 전력선 채널 적응형 통신 시스템을 제공하는데 있다.
이를 위하여, 본 발명의 일 양상에 따른 전력선 채널 적응형 통신 시스템은 전송 데이터에 대한 적응형 첩 심볼 신호를 생성하는 적응형 심볼 맵퍼와, 적응형 심볼 맵퍼로부터 출력된 신호를 전송모드 제어신호에 따라 제1 전송모드와 제2 전송모드 중 어느 하나의 전송모드로 변조하는 듀얼 전송모드 신호 변조기와, 듀얼 전송모드 신호 변조기로부터 출력된 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환기와, 디지털-아날로그 변환기로부터 입력되는 신호를 결합하여 전력선으로 송출하고 전력선으로부터 입력되는 신호를 결합하여 출력하는 신호 커플러와, 전력선으로부터 입력되는 신호로부터 동기 획득을 수행하며 그 결과에 따른 동기 획득 신호를 출력하는 동기부와, 신호 커플러를 통해 수신되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기와, 아날로그-디지털 변환기로부터 출력된 신호를 기반으로 전력선 채널의 상태값을 측정하고 측정된 전력선 채널 상태값을 출력하는 채널변화 측정기와, 아날로그-디지털 변환기로부터 출력된 신호를 동기부로부터 입력되는 동기 획득 신호에 따라 제1 전송모드와 제2 전송모드 중 어느 하나의 전송모드로 복조하는 듀얼 전송모드 신호 복조기와, 전송 데이터를 복원하는 FEC 복호화기와, 동기부로부터 입력되는 동기 획득 신호와 채널변화 측정기로부터 입력되는 전력선 채널 상태값에 기초하여 적응형 첩 심볼 파형과 전송 데이터율 제어신호를 적응형 심볼 맵퍼로 출력하고, 전송모드 제어신호를 듀얼 전송모드 신호 변조기로 출력하는 채널 적응형 제어기를 포함한다.
이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 전력선 채널 적응형 통신 시스템을 첨부된 도 1 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 각종 실내 전기기기, 정보가전 및 사무기기 등으로 인해 발생되는 부하 변동 및 외부 잡음에서도 끊김없이 데이터의 전송이 가능할 수 있도록 전력선 채널 상태에 따라 전송 신호의 시간 및 주파수 특성을 변화시키거나 듀얼 전송 모드를 지원할 수 있는 송수신 구조를 갖는 전력선 채널 적응형 통신 시스템을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 개략적인 통신 시스템의 구성을 나타내는 예시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 통신 시스템은 송신단(TX), 채널 적응형 제어기, 스위치(switch), 신호 커플러(signal coupler) 및 수신단(RX) 등을 포함할 수 있다.
송신단은 FEC(Forward Error Correction) 부호화기, 직/병렬(serial-to-parallel: S/P) 변환기, 적응형 심볼 맵퍼(mapper), 듀얼 전송모드 신호 변조기, D/A(Digital-to-Analog) 변환기, BPF(Band Pass Filter) 및 증폭기 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 송신단의 동작 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다. FEC 부호화기는 전송 데이터를 전력선 채널에서 혹시 발생될 수 있는 데이터의 오류를 검출하고 정정이 가능하도록 부호화시키고 직/병렬 변환기는 이를 n비트의 병렬 데이터로 변환시킬 수 있다.
적응형 심볼 맵퍼는 변환된 병렬 데이터를 기반으로 적응형 첩 심볼을 생성시킬 수 있는데, 이러한 적응형 첩 심볼 또는 적응형 첩 심볼 신호는 업-첩(up-chirp) 및 다운-첩(down-chirp) 형태를 가지며 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112008061434831-pat00001
Figure 112008061434831-pat00002
여기서, E는 전송신호의 심볼 에너지를 의미하고 Ts는 첩 신호의 지속시간을 의미하며, p(t)는 사각창함수(rectangular window)를 의미할 수 있다. 또한, fi는 i 번째 적응형 첩 심볼 신호의 주파수 값을 의미하는데, 이를 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112008061434831-pat00003
,
Figure 112008061434831-pat00004
여기서, ai, bi는 i 번째 적응형 첩 심볼 신호의 시간 및 주파수 특성을 나타내는 변수를 의미하고, f1은 첩 확산 신호의 시작 주파수를 의미하며, fBW는 신호의 주파수 대역을 의미하며, T1은 최소 단위 시프트의 지속시간을 의미할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 첩 신호의 파형을 나타내는 제1 예시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 첩 신호의 파형을 나타내는 제2 예시도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 앞의 [수학식 2]에서 알 수 있듯이 생성될 수 있는 적응형 첩 심볼의 패턴은 ± 부호로 조합될 수 있는 (a)ai=1, bi =1, (b) ai=1, bi =-1, (c) ai=-1, bi =-1, (d) ai=-1, bi =1 인 경우의 4N 개의 첩 신호 파형 중 어느 하나로 표현 가능함을 알 수 있다. 사용된 각각의 첩 심볼은 선형 피드백 시프트 레지스터(Linear Feedback Shift Register: LFSR)에 의해서 시간 Ti 간격으로 이동되면서 구분될 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 적응형 첩 심볼의 패턴은 n 비트 단위로 2n 가지의 형태의 첩 신호 파형으로 표현될 수 있는데, 예컨대, 4비트 단위로 데이터가 묶여지면 비트 패턴은 0000 ~ 1111 가지 즉, 16(=24) 가지의 형태로 나타낼 수 있다.
이후, 듀얼 전송모드 신호 생성기는 이렇게 생성된 적응형 첩 심볼을 기반으로 듀얼 전송모드 즉, 제1 전송모드의 신호 또는 제2 전송모드의 신호 중 하나의 신호를 발생시킬 수 있다. 여기서, 제1 전송모드는 RM(Robust Mode)를 의미하고, 제2 전송모드는 ZERM(Zero-crossing Robust Mode)를 의미할 수 있다.
D/A 변환기는 듀얼 전송모드 신호 변조기로부터 출력된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환시키고 대역통과 필터는 변환된 아날로그 신호를 해당 주파수의 신호만 통과시키기 위해 필터링하며 증폭기는 이를 증폭시킴으로써, 송신단은 증폭된 신호를 전력선과 송수신 신호 결합을 위한 신호 커플러를 통해 전력선 채널로 전송할 수 있다.
수신단은 전치 필터(pre-filter), 전치 증폭기(pre-amp), 채널 필터, A/D(Analog-to-Digital) 변환기, ZCP(Zero Cross Point) 검출기, 채널변화 측정기, 동기부, 듀얼 전송모드 신호 복조기 및 FEC 복호화기 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 수신단의 동작 원리를 간략히 설명하면 다음과 같다. 수신단은 전력선과 송수신 신호 결합을 위한 신호 커플링을 통해 전력선 채널에서 신호를 수신할 수 있다. 전치 필터는 수신된 신호를 전치 필터링하고 전치 증폭기는 이를 증폭하며 채털 필터는 증폭된 신호를 채널 필터링을 한 후 A/D 변환기는 채널 필터로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 수신 샘플을 획득할 수 있다.
이때, 수신단은 제로크로스 검출기를 통해서 수신 동기를 맞추고, 채널변화 측정기를 통해서 전력선 채널의 상태 값을 채널 적응형 제어기에 전달할 수 있다. 채널 적응형 제어기는 이러한 채널변화 측정기의 결과 값과 듀얼 전송모드를 위한 제어신호를 입력받아 송신단의 적응형 심볼 맵퍼와 듀얼 전송모드 신호 생성기에 전송모드 변환을 위한 신호를 전달하여 적응형 심볼의 유형과 전송모드를 바꿀 수 있다.
결국, 수신단은 A/D 변환기로부터 출력된 디지털 신호의 수신 동기를 맞추어 듀얼 전송모드 신호 복조기와 FEC 복호화기를 거쳐 전송 데이터를 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 전력선 채널 상태에 따라 전송 신호의 시간 및 주파수 특성 즉, 적응형 첩 심볼의 패턴을 변화시킴으로써, 채널 변화에 능동적으로 대처할 수 있다. 또한, 본 발명은 전력선 채널 상태에 따라 듀얼 전송모드 즉, 제1 및 제2 전송모드를 지원함으로써, 효율적으로 데이터를 전송할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 적응형 심볼 맵퍼의 상세한 구성을 나타내는 예시도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 적응형 심볼 맵퍼는 멀티 플렉서, 순환 쉬프트 부호화기(cyclic shift encoder) 및 심볼 맵퍼 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이렇게 구성된 적응형 심볼 맵퍼의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다. 예컨대, n=4 비트라고 하면, 순환 쉬프트 부호화기의 입력은 2 비트가 될 수 있다. 이러한 경우, 쉬프트의 최대 횟수 M은 4(=22)를 가지며, 순환 쉬프트 부호화기의 출력 m은
Figure 112008061434831-pat00005
을 통해 구할 수 있다. 멀티 플렉서는 2비트를 갖는 2개의 ⓐ,ⓑ 입력을 가지며, 제어신호 ⓒ에 의해서 하나의 입력을 출력으로 보낼 수 있다. 심볼 맵퍼에서 2비트로 표현될 수 있는 비트열은 총 4개이므로, 4가지 유형의 첩 심볼 형태로 변환됨을 알 수 있다. 이렇게 변환된 심볼 맵퍼의 출력값과 순환 쉬프트 부호화기의 출력값이 합쳐져서 적응형 심볼 맵퍼의 출력 ⓓ가 나올 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 순환 쉬프트 부호화기의 상세한 구성을 나타내는 예시도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 순환 쉬프트 부호화기는 멀티 플렉스, 쉬프트 레지스터 및 카운터 등을 포함하여 구성될 수 있다. 순환 쉬프트 부호화기의 입력값은 쉬프트 레지스터에 순차적으로 저장이 되어 그 값들이 모두 차게 되며, 저장된 값들이 쉬프트(shift) 되면서, 그 값들은 순환 쉬프트 부호화기의 출력값 M으로 전달될 수 있다. 또한, 카운터(CNT)에서 로드(Load) 신호가 멀티 플렉서에 입력되면, 새로운 데이터 즉, 입력값이 쉬프트 레지스터에 순차적으로 입력될 수 있는데, 여기서 사용된 파라미터의 정의는 다음의 [표 1]과 같다.
[표 1]
Figure 112008061434831-pat00006
여기서, m은 데이터 비트열을 의미하고, M은 쉬프트할 수 있는 최대 횟수를 의미하며, fn은 쉬프트 횟수를 의미할 수 있다. 즉, 순환 쉬프트 부호화기는 fn을 의미할 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 듀얼 전송모드 신호 변조부의 상세한 구성을 나타내는 예시도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 듀얼 전송모드 신호 변조부는 ROM(Read Only Memory), 확장 심볼 변환기, 제1 전송모드 송신부, 제2 전송모드 송신부 및 멀티 플렉서 등을 포함하여 구성될 수 있다.
듀얼 전송모드 신호 변조부는 앞에서 설명한 적응형 심볼 맵퍼의 출력값을 입력받으며, 이 값 중에서 m은 ROM에 입력되며 해당 비트열에 대한 첩 패턴을 l값으로 출력할 수 있다. l값과 입력값 중 2비트는 다시 확장 심볼 변환기에 입력되어 확장 심볼 변환기는 제1 전송모드 송신부(S1) 및 제2 전송모드 송신부(S2)로 전송될 값을 생성할 수 있다. 멀티 플렉서는 채널 적응형 제어기에서 출력되는 제어 신호 ⓔ에 의해서 제1 및 제2 전송모드 중 하나의 전송모드를 선택해서 출력시킬 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 채널 적응형 제어기의 상세한 구성을 나타내는 예시도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 채널 적응형 제어기는 채널 적응형 심볼 파형(symbol waveform) 선택기 및 듀얼 전송모드 제어기 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 채널 적응형 제어기의 역할은 크게 다음과 같다. 1)첫 번째, 전송 데이터율(date rate)을 향상시킬 수 있다. 즉, m이 (a2a3an -2)일 때 확장형의 경우 (a0a1)를 덧붙여서 신호 ⓒ로 전송하므로 1 심볼 파형 당 2비트를 더 전송할 수 있다. 2)두 번째, 참조신호 ⓗ와 상위 계층에서 전달된 신호 ⓖ에 의해서 채널 변화에 잘 적응할 수 있도록 심볼 파형이 선택되며, 선택한 심볼 파형은 신호 ⓑ로 출력될 수 있다. 3)세 번째, 듀얼 전송모드 신호를 발생시킬 수 있다. 즉, 수신 S/N비가 외부 잡음에 의해 매우 낮은 경우 제로크로스 검출기를 통해서 입력받은 신호 ⓘ를 통해 제로크로스 지점 부근에서 심볼 파형을 전송시키기 위한 플래그를 발생시켜 제2 전송모드 송신부(S2) 신호를 출력하도록 신호 ⓔ를 듀얼 전송모드 신호 변조부로 전달할 수 있다.
본 발명에 의한, 전력선 채널 적응형 통신 시스템은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 개략적인 통신 시스템의 구성을 나타내는 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 첩 신호의 파형을 나타내는 제1 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 첩 신호의 파형을 나타내는 제2 예시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 적응형 심볼 맵퍼의 상세한 구성을 나타내는 예시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 순환 쉬프트 부호화기의 상세한 구성을 나타내는 예시도이다.
도 6은 도 1에 도시된 듀얼 전송모드 신호 변조부의 상세한 구성을 나타내는 예시도이다.
도 7은 도 1에 도시된 채널 적응형 제어기의 상세한 구성을 나타내는 예시도이다.

Claims (14)

  1. 적응형 첩 심볼 파형과 전송 데이터율 제어신호에 따라, 전송 데이터에 대한 적응형 첩 심볼 신호를 생성하는 적응형 심볼 맵퍼;
    상기 적응형 심볼 맵퍼로부터 출력된 신호를 전송모드 제어신호에 따라 제1 전송모드와 제2 전송모드 중 어느 하나의 전송모드로 변조하는 듀얼 전송모드 신호 변조기;
    상기 듀얼 전송모드 신호 변조기로부터 출력된 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환기;
    상기 디지털-아날로그 변환기로부터 입력되는 신호를 결합하여 전력선으로 송출하고, 전력선으로부터 입력되는 신호를 결합하여 출력하는 신호 커플러;
    전력선으로부터 입력되는 신호로부터 동기 획득을 수행하며, 그 결과에 따른 동기 획득 신호를 출력하는 동기부;
    상기 신호 커플러를 통해 수신되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기;
    상기 아날로그-디지털 변환기로부터 출력된 신호를 기반으로 전력선 채널의 상태값을 측정하고, 상기 측정된 전력선 채널 상태값을 출력하는 채널변화 측정기;
    상기 아날로그-디지털 변환기로부터 출력된 신호를 상기 동기부로부터 입력되는 동기 획득 신호에 따라 제1 전송모드와 제2 전송모드 중 어느 하나의 전송모드로 복조하는 듀얼 전송모드 신호 복조기;
    상기 듀얼 전송모드 신호 복조기로부터 출력된 신호를 복호화하여 전송 데이터를 복원하는 FEC 복호화기; 및
    상기 동기부로부터 입력되는 동기 획득 신호와, 상기 채널변화 측정기로부터 입력되는 전력선 채널 상태값에 기초하여 적응형 첩 심볼 파형과 전송 데이터율 제어신호를 상기 적응형 심볼 맵퍼로 출력하고, 전송모드 제어신호를 상기 듀얼 전송모드 신호 변조기로 출력하는 채널 적응형 제어기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 채널 적응형 통신 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전력선 채널 적응형 통신 시스템이:
    전송 데이터를 데이터의 오류를 검출하고 정정이 가능하도록 부호화시키는 FEC(Forward Error Correction) 부호화기;
    상기 FEC 부호화기로부터 출력된 데이터를 병렬 데이터로 변환하여 상기 적응형 심볼 맵퍼로 출력하는 직/병렬 변환기;
    상기 디지털-아날로그 변환기로부터 출력된 신호를 필터링하는 밴드 패스 필터(Band Pass Filter); 및
    상기 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)로부터 필터링된 신호를 증폭하여 상기 신호 커플러로 출력하는 증폭기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 채널 적응형 통신 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전력선 채널 적응형 통신 시스템이:
    상기 신호 커플러로부터 수신된 신호를 전치 필터링하는 전치 필터;
    상기 전치 필터로부터 필터링된 신호를 증폭하는 전치 증폭기; 및
    상기 전치 증폭기로부터 출력된 신호를 채널 필터링하여 상기 아날로그-디지털 변환기로 출력하는 채널 필터;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 채널 적응형 통신 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전송모드는 RM(Robust Mode)이고, 상기 제 2 전송모드는 ZERM(Zero-crossing Robust Mode)인 것을 특징으로 하는 전력선 채널 적응형 통신 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 동기부가:
    상기 전력선으로부터 수신된 신호로부터 수신 동기를 획득하는 제로크로스(Zero Cross Point) 검출기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 채널 적응형 통신 시스템.
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