광대역 전력선 통신 계측 장비를 위한

채널 추정 알고리즘 연구

김경회, 김성철

서울대학교 전기컴퓨터공학부

e-mail : {khkim, sckim}@maxwell.snu.ac.kr

Channel Estimation Algorithm for Broadband Powerline Communication Analyzing Equipment.

Kyong-Hoe Kim, Seong-Cheol Kim

School of Electrical Engineering and Computer Science

Seoul National University

Abstract

This paper deals with the channel estimation algorithm for broadband powerline communication analyzing equipment. Estimation of the channel transfer function has been implemented according to a new method which exploits periodic broadband OFDM signals.  For implementation on a DSP, The proposed algorithm causes less computational load and requires less memory.

본 논문은 Brain Korea 21 사업 및 전력IT UPLC 과제의 연구 결과로 작성되었음

I. 서론

광대역 고속 전력선 통신을 위한 1 ~ 30 MHz까지의 주파수 대역에서는 통신 매체로서 상당히 열악한 특성을 갖기 때문에, 전력선 통신이 상용화가 이뤄지기 위해서는 전력선의 고주파 특성-감쇠, 지연, 잡음 특성, 임피던스-등이 자세하게 분석되어야 한다[1]. 현재까지의 전력선 연구에서는 표준적인 일반 상용 계측장비(스펙트럼 분석기, 회로망 분석기, 디지털 오실레이터 등)를 이용한 측정이 주로 이뤄졌다. 이러한 경우, 전력선 측정에 적합하도록 계측 장비 설치를 하기

가 복잡하며 시간을 많이 필요로 하고, 경제적인 부담 또한 크다.

위와 같은 배경에서, 작고 경제적인 시스템 구성으로, 쉽고 빠른 측정 셋업이 가능하고, 또한 빠른 측정 결과 데이터 처리를 통해, 측정 결과를 전력선 환경 분석에 곧바로 활용할 수 있는 것을 목표로 하는 전력선 환경 계측 장비의 개발이 현재 진행 중이다. 본 논문에서는 전력선 통신 계측 장비에 포함된 전력선 채널 추정 알고리즘을 다룬다.

II. 본론

2.1 채널 분석의 개요

일반적으로, 채널 분석은 채널을 통해 특정 신호를 보낸 후에, 잡음이 더해진 수신 신호를 분석하여 이루어진다. 채널 분석을 위한 여러 가지 방법이 알려져 있지만, 각각 몇 가지 다른 단점을 갖고 있다. 송신기와 수신기로 신호 발생기와 스펙트럼 분석기를 사용할 경우 동기화를 위해 별도의 연결이 필요하고, 회로망 분석기를 사용하면, 송신부와 수신부 사이의 거리가 멀 경우 측정이 어려워진다. 따라서 본 계측 장비에서 사용된 알고리즘은 OFDM 신호와 같은 주기적인 광대역 신호를 적용하였다. 주기적인 신호를 사용하기 때문에, 동기화가 필수적이지는 않다. 따라서 절대적인 지연은 측정불가능 하지만, 충격 응답과 지연 확산(delay spread)와 같은 채널 특성에 관한 상대적인 정보는 모두 측정가능하다.

그림 1. 채널 추정을 위한 측정 시스템 모델

2.2 채널 측정 시스템 모델

채널 분석은 그림 1에 나타난 OFDM 기반 측정 시스템 모델을 기반으로 수행된다. 채널 전달 함수 H[k]는 전송 신호 B[k]와 수신 신호 R[k]를 이용하여 추정할 수 있다. 여기에서 k는 주파수 도메인에서의 이산 시간(discrete-time) 인덱스 값이다. 전송 신호 B[k]는 BPSK로 변조된 주기적인 파일롯 신호이다. B[k]는 일반적인 OFDM 송신기 구조에 따라 변조되어 아날로그 파트로 전달되고, 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다. (순환 접두부(cyclic prefix) 및 쉐이핑(shaping)관련 부분은 수식 전개의 편의성을 위해 생략되었음)

b(nT) = b[n] = IFFT( B[k] )        (1)

여기서, T는 샘플링 주기이고, n은 시간 도메인에서의 이산 시간 인덱스 값이다. 측정 시간 동안에 실제 채널 전달 함수가 시불변(time-invariant)임을 가정하면, 수신기 ADC의 입력 r(t)는 다음 식을 따른다[2].

[eqn: r(t)=b(t)*h _{t} (t)*h(t)*h _{r} (t)+w(t)*h _{r} (t)]   (2)

여기서 ht(t)와 hr(t)는 각각 송신기 선로상의 임펄스 응답과 수신기 선로상의 임펄스 응답이고, w(t)는 전력선 상에 존재하는 잡음 성분을 의미한다.

시간 도메인에서의 수신 신호 r(t)는 OFDM 수신기 구조에 따라 변조되고, 이는 주파수 도메인의 R[k]가 된다.

R[k] = FFT( r(nT) )            (3)

수신기와 송신기 선로상의 전달 함수에 의한 영향을 제거하기 위해, 보정(calibration) 모드가 사용된다. 보정 모드에서는 송신기와 수신기가 직접 연결되어, 측정 시스템만으로 인한 신호 왜곡을 구할 수 있다. 보정 모드에서의 수신 신호 c[k]는 다음 식과 같다.

[eqn: c(t)=b(t)*h _{t} (t)*h _{r} (t)]          (4)

C[k] = FFT( c(nT) )            (5)

여기서, 식 (2)에 식 (4)를 대입하면 다음 식과 같다.

[eqn: r(t)=c(t)*h(t)+w(t)*h _{r} (t)]         (6)

따라서 주파수 도메인에서의 채널 추정 값, 즉, 채널 전달 함수는 다음과 같다.

[eqn: hat{H} [k]= {R[k]} over {C[k]}]               (7)

채널 추정의 첫 번째 단계에선, 수신 신호 한 주기가 보정 모드에서 측정되고, 두 번째 단계는 채널을 통해 전송된 수신 신호 한 주기를 측정하고, 이를 이용하여 채널 전달 함수의 추정 값을 계산한다. 이러한 과정은 비편향(unbiased) 추정이므로, 여러 번의 연속된 주기 동안 추정을 반복하고, 그 평균을 구한다면, 측정 결과를 개선시킬 수 있다.

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 전력선 통신 계측 장비를 위한 채널 추정 알고리즘을 다루었다. 본 논문에서 제안한 채널 추정 알고리즘은 OFDM 변조 방식을 응용한 주파수 도메인에서의 알고리즘이기 때문에, 빠른 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)과 그 역변환 연산을 필요로 한다. 이러한 알고리즘을 DSP에서 구현하는 경우, 연산량과 메모리를 적게 필요로 하기 때문에 계측 장비에 적용하기 용이하다. 새로운 측정 방법에 대한 테스트와 모의실험을 통해 우수한 결과를 얻을 수 있었다.

참고문헌

[1] Klaus Dorsert, "Powerline Communications", Prentice Hall, 2001

[2] Holger Philipps, "Development of a Statistical Model for Power-Line Communication Channels", ISPLC 2000, pp. 153-160, 2000