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Cooperative Multi-hop Relay Powerline Communications for Smart Grid Applications : 스마트 그리드를 위한 다중홉 협력 릴레이 통신 방식 연구

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Authors

김경회

Advisor
김성철
Major
전기·컴퓨터공학부
Issue Date
2012-02
Publisher
서울대학교 대학원
Abstract
A smart grid requires advanced information, control and com¬munication technologies to support its intelligent features, and it depends on the reliable data transmission via a communica¬tion network. The last mile of a power communica¬tion network which connects power grid companies to consumers is one of candidates for two-way interactive smart grid applications. To facilitate various smart grid applications on the power grid, a broadband PLC over a medium voltage (MV) electric power network is required to communicate between power suppliers and consumers. In recent decades, the MV broadband PLC has drawn a considerable amount of research interest related to the development of a high-performance, yet cost-efficient, digital data transmission system.
This dissertation proposes cooperative multi-hop amplify-and-forward (AF) relay protocols for a medium voltage (MV) powerline access network. Relay transmission scheme is a promising protocol since it provides enhanced network channel capacity which exploits cooperative diversity by combining the relayed signal and the direct signal. This study proposes signaling models for the cooperative multi-hop AF relay protocol for a medium voltage powerline communications.
The proposed protocols divide a time frame into two phases regardless of the number of relay nodes. Thus, each relay node has an extra time efficiency compared with the conventional time division multiple access (TDMA)-based multi-hop protocol. The proposed dual-phase multi-hop systems can be considered as a virtual MIMO system. Therefore, multiple inputs are used to increase diversity gain or spatial multiplexing gain. To achieve these gains, this study proposes a brand new signaling model for the cooperative multi-hop AF relay protocol and derives closed form expressions of the channel capacity.
The channel capacities of the proposed protocols are analyzed over the MV power-line channel and noise models. Numerical simulations show that the proposed protocols introduce notable capacity increases compared to conventional multi-hop schemes.
A parallel use of powerline and wireless communications with multi-hop relaying is considered for the robustness and stability of smart grid communication. This study proposes a powerline/wireless unified relaying structure, where the relay node receives and combines the signals from the source node through both the powerline and wireless channels and then forwards the combined signal to the destination node. It is presented that the proposed relaying structure achieves the powerline/wireless diversity gain in the source-to-relay channels. Numerical results also show that the proposed scheme provides the enhanced performance over the separate use of relays in the powerline and wireless channels.
스마트 그리드에서 제어 신호 및 정보를 원활히 교환하기 위하여 통신 기술이 반드시 필요하다. 즉, 스마트 그리드의 다양한 기능은 통신 네트워크를 통한 안정적인 데이터 전송에 기반하여 실행될 수 있다. 전력 공급 회사와 소비자 간을 연결하는 전력선 통신망은 양방향 인터랙티브 스마트 그리드 서비스 구축을 위한 통신 솔루션 중 하나이다. 전력 공급자와 소비자간의 중전압 전력망 광대역 전력선 통신을 통해 다양한 스마트 그리드 어플리케이션을 실행하는 방법으로 활용할 수 있다. 최근 십 여 년간의 많은 연구를 통해, 중전압 광대역 전력선 통신은 고성능이며 비용 효율적인 디지털 데이터 전송 시스템으로 발전하고 있다.
본 논문에서는 중전압 전력선 액세스 네트워크를 위한 다중홉 amplify-and-forward (AF) 릴레이 협력 통신 프로토콜을 제안한다. 릴레이 전송 방식은 릴레이를 통해 전달된 신호와 직접적으로 전송된 신호를 결합하여 협력 이득을 얻어 전체 채널 용량을 증가시킬 수 있어 최근 각광받고 있다. 중전압 전력선 액세스 네트워크를 위한 다중홉 amplify-and-forward (AF) 릴레이 협력 통신 프로토콜에서의 신호 모델을 제안한다.
제안된 프로토콜은 릴레이 노드의 개수와 관계없이 하나의 시간 프레임을 두 개의 위상으로 분할한다. 따라서, 각각의 릴레이 노드는 기존의 시분할 다중화 접속 (TDMA) 기반의 다중홉 프로토콜과 비교하여 추가적인 시간 효율성을 갖는다. 본 프로토콜에서 제안된 이중 위상 다중홉 시스템은 수식적으로 가상의 MIMO 시스템으로 전환하여 전개할 수 있다. 따라서, 다중 입력은 다양성 이득 또는 공간 다중화 이득을 늘리기 위한 수단으로 활용할 수 있게 된다. 이러한 이득을 취하기 위해, 두 종류의 신호 모델을 제안하였고, 채널 용량을 구하기 위한 수식을 도출하였다.
가상의 중전압 전력선 채널 및 잡음 모델에서 제안한 프로토콜의 채널 용량을 분석하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안한 프로토콜이 기존의 다중홉 프로토콜과 비교하여 채널 용량이 상당히 증가함을 확인할 수 있었다.
스마트 그리드 통신의 안정성 증대를 위해, 전력선 채널과 무선 채널을 멀티홉 릴레이 채널로 동시에 이용하는 방법을 제안하였다. 전력선과 무선 채널이 통합된 형태의 릴레이 구조를 제안하였는데, 여기서 릴레이 노드는 전력선과 무선 채널에서 수신한 신호를 합성하고, 증폭하여 다시 무선 채널과 전력선 채널로 재송신한다. 이렇게 할 경우, 제안한 릴레이 구조는 전력선/무선 다양성 이득을 얻을 수 있다는 것, 즉 전력선과 무선에서 릴레이를 별개로 이용하는 방법보다 좋은 채널 용량을 갖는다는 것을 시뮬레이션 결과를 통해 보였다.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/156592

http://dcollection.snu.ac.kr:80/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000000590
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