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Tech Guide - BPL(Broadband over PowerLine)
2005년 12월 14일 00:00:00
상호운용성 보장되는 BPL 위한 발걸음 ‘홈플러그 AV’

홈플러그 AV 솔루션 개발 활발 … 내년 중반 관련 규격 발표 전망



찰리 라쉬(Charlie Raasch)
커넥선트시스템즈 기술계획이사
charlie.raasch@conexant.com


홈플러그(HomePlug) AV 규격에 정의된 기술들이 약간 변형된 것이 홈플러그 BPL(Broadband over PowerLine) 규격의 기초다. 현재 규격 제정 작업이 진행 중으로 내년 중반에 발표될 전망으로 BPL 규격을 가정내 규격에 기반토록 만듦으로써 액세스 네트워크와 가정내 네트워크간의 원활한 상호운용성이 제공된다. <편집자>

전력선 통신기술 개발에 있어 홈플러그 AV(HPAV) 규격의 도입은 한 획을 긋는 중요한 전기다. 이 규격은 2~28MHz의 주파수 대역으로 최대 200Mbps의 물리적 계층 데이터 전송속도를 제공한다. 이에 못지 않게 중요한 것은 효율적인 MAC 및 터보 코딩으로 인해 애플리케이션 계층의 데이터 속도 또한 150Mbps에 이른다는 것이다.
미국의 PSD(Power Spectral Density) 마스크에서는 물리적 계층의 최대 전송속도는 150Mbps고, 이 물리적 계층의 전송속도에서 애플리케이션 계층의 최대 전송속도는 140Mbps다. 홈플러그 AV 시스템은 보안과 QoS를 제공하기 때문에 네트워크 상의 시간에 예민한 패킷들을 효과적으로 전송할 수 있다. 이 규격은 가정이나 AC 전력 인프라 내에 설치돼 있는 기존 AC 전선을 통해 고품질, 멀티 스트림의 엔터테인먼트 지향적인 네트워크를 제공하기 위해 개발됐다.

홈플러그 BPL
홈플러그 AV 규격에 정의된 기술들이 약간 변형된 것이 홈플러그 BPL(Broadband over PowerLine) 규격의 기초다. 현재 규격 제정 작업이 진행중이고 내년 중반에 규격 제정이 완료될 전망이다. BPL 규격을 가정 내 규격에 기반하도록 만듦으로써 액세스 네트워크와 가정 내 네트워크 사이의 매끄러운 상호운용성이 제공될 수 있다.
다른 브로드밴드 액세스 기술들과는 달리 전력선은 멀티-드롭과 동질성의 특징을 갖고 있기 때문에 각각의 노드가 BPL CPE(Customer Premise Equipment)가 되는 구성이 가능하다. <그림 1>은 이런 위상 구조를 보여주고 있다. 이러한 위상적 구조로 서비스 제공업체, 특히 비디오 서비스 제공업체들은 소비자들에게 사용하기 쉬운 서비스 모델들을 제공할 수 있다.
비디오 터미널에 BPL CPE가 임베디드 돼 있다면, 사용자는 이 디바이스를 연결하기만 하면 바로 BPL 네트워크에 나타나게 된다. 이런 모델은 브로드밴드 콘센트의 개념을 제공하는데 이렇게 되면 각각의 전기 콘센트 모두에서 액세스가 가능해진다.
AV와 BPL간의 상호운용성을 이용해 조금 더 전통적인 게이트웨이 모델의 구성도 가능하다. <그림 2>처럼 TDM과 CSMA 방법을 통해 AV 네트워크와 BPL 네트워크가 분리된다. 두 개의 논리적인 네트워크가 같은 매개체 상에 존재하지만, 서로 완전히 분리돼 있다.

PHY
물리적 계층은 2~28MHz의 주파수 대역에서 작동하며 200Mbps의 PHY 채널 전송속도와 150Mbps의 정보 전송속도를 제공한다. 이 기술은 원도우드 OFDM(windowed OFDM)과 강력한 TCC(Turbo Convolutional Code)를 사용해 샤논지수(Shannon Capacity) 0.5dB 이하의 우수한 성능을 제공한다. 윈도우드 OFDM은 각 나치(notch)의 깊이가 30dB를 초과하고 나치 밖에서도 유용한 스펙트럼의 손실이 많지 않은 유연한 스펙트럼 나칭(spectrum notching) 능력을 제공한다.
917개의 사용 가능한 반송파(신호음)를 가진 긴 OFDM 신호가 유연한 보호 간격과 함께 사용된다. 송신기와 수신기 사이의 채널 특성에 따라(반송파 하나, 신호 하나 당 1비트의 정보를 전달하는) BPSK부터(반송파 하나, 신호 하나 당 10비트의 정보를 전달하는) 1024 QAM까지가 독립적으로 각각의 반송파에 적용될 수 있다.
홈플러그는 유난히 어려운 채널에 ROBO 모드를 사용하는데 이것은 데이터의 확실한 전달을 위해 강력한 코딩과 BPSK, 데이터의 반복 등을 함께 사용하는 것이다. 종종 채널의 특성이 두 개의 노드간에 신호되는데 그 결과의 톤 맵(ton map)은 수신기에 의해 저장된다. 전력선은 급하게 변하는 채널이 아니기 때문에 각 패킷마다 채널 트레이닝은 필요하지 않다.

MAC 프로토콜/서비스
홈플러그 AV MAC은 QoS 요구사항을 만족시키기 위해 경쟁이 없는 주기(Contention Free period)를 제공한다. 이 주기는 CCo(Central Coordinator)라고 불리는 것에 의해 미리 정해진 적절한 길이의 주기적인 TDMA 할당에 기반한다. 또한 실시간 정보가 아닌 정보와 대량의 네트워크 정보를 효율적으로 전송하도록 만들어 주는 CSMA/CA 지역도 제공된다.
CCo란 네트워크 상의 모든 노드간의 커뮤니케이션 스케줄을 정하는 홈플러그 네트워크의 기능이다. 또한 TDMA 주기를 관리하고 신호 전달을 확실히 하기 위해 스트림에 주기적인 시간 슬롯을 할당한다. 또한 TDMA 주기와 CSMA/ CA 주기 사이의 시간 할당도 관장한다. 이 주기는 AC 전력선의 두 개의 사이클인 60Hz 시스템의 33.3ms와 50Hz 시스템의 50ms에 기반하고 있다.

TDMA 스트림
스트림이 정해지면 필요한 대역폭, 지연, 지터(jitter), QoS 등에 대한 요구사항이 CCo에 커뮤니케이션 된다. 만약 CCo가 통신 매개체의 한계 내에서 스트림이 정해질 수 있다고 판단하면 스트림에 관련된 스테이션들로 하여금 채널에 신호를 보내게 해 채널을 평가하고 톤 맵을 생성한다.
이 맵은 수신기로부터 송신기로 제공되며 또한 이 정보를 이용해 TDMA 주기의 얼마나 많은 시간이 이 스트림을 위해 할당돼야 하는지를 결정하는 CCo에게도 제공된다. 이 스트림은 스테이션에서 스테이션으로 통신되지만 CCo도 이 스트림이 일관되게 전달되는지 확인하기 위해 이 통신을 듣게 된다. 만약 잘 전달되지 않는다면 CCo는 스트림에 더 많은 시간을 할당한다.

보안
홈플러그 AV와 홈플러그 BPL은 보안을 위해 128비트 AES 암호화를 제공한다. 이 암호화를 이용해 같은 물리적 매개체 상에 복수의 논리적 네트워크가 구성될 수 있어 BPL과 홈 네트워크를 분리할 수 있으며, 인접하고 있는 복수의 네트워크를 구성하는 것도 가능하다.
스테이션이 논리적 네트워크에 합류하기 위해서는 NMK (Network Membership Key)를 획득해야만 한다. 만약 NMK를 이미 보유하고 있다면 네트워크에 즉각적으로 합류할 수 있고, 그렇지 않다면 NMK를 제공받아야 한다. NMK를 제공하는 방법으로는 여러 가지의 방법이 정의돼 있다.

상호운용성과 공존
어떤 기술이 급속히 퍼지기 위해서는 네트워크 상의 디바이스들 간에 완벽한 상호운용성이 필수다. 업계가 완전한 상호운용성을 위해 노력해 나아가는 과정에서 다양한 BPL 규격이 공존할 수 있도록 하는 것은 중요한 디딤돌이 된다.
홈플러그 1.0은 전력선을 이용한 광대역 네트워킹 기술 중에서 현재까지 가장 널리 보급된 기술로 전세계적으로 수백만 대의 디바이스가 이미 보급돼 있다. 홈플러그 AV와 BPL 기술은 동시에 공존하면서 기존의 홈플러그 1.0 네트워크와 상호운용될 수 있으며 200Mbps까지의 확장성도 제공한다.
BPL과 가정 내 전력선 기술은 전력선 채널의 효율적인 공유를 허용해야 할 필요가 있다. MAC과 채널에 액세스하는 방법이 모든 기술과 공존하면서 똑같은 역량으로 효율적으로 작동해야만 한다. 홈플러그는 PHY 계층을 효율적으로 나칭하는 능력을 통해 FDM과 공존할 수 있지만 이것이 전력선의 스펙트럼을 가장 효율적으로 사용하는 결과가 되는 것은 아니다.
최소한 공존이 확실히 가능하고 이상적으로는 상호운용이 가능하도록 하기 위해 IEEE P1901 그룹이 최근 구성됐다. 홈플러그의 발기 회원들은 공존, 상호운용성, 그리고 궁극적으로는 공통된 표준을 확보하기 위해 이 그룹 내에서 활발한 활동을 펼치고 있다.

간섭
홈플러그의 PHY 계층 기술은 HAM 밴드와 같은 해당 주파수 대에서의 전자파 방출을 줄이거나 효율적으로 제거하는 방법을 제공한다. 홈플러그의 윈도우드 OFDM은 송출되는 신호의 파워 스펙트럼 밀도 특성에 깊은 널(Null) 부분(전자파 방출량이 없거나 매우 적은 부분)을 생성해내는 능력을 제공한다. 정상적인 OFDM 역시 깊은 널 생성이 허용되지만 윈도우드 OFDM 쪽이 기울기가 훨씬 더 급격하며 유용한 대역폭에서의 절충현상이 적은 널을 생성한다.
지금까지 보급됐거나 현재 보급되고 있는 BPL 및 비 홈플러그(non-HomePlug) 가정용 전력선 네트워킹 기술들 중에는 스펙트럼이 별로 좋지 못해 자신들이 나타나서는 안 되는 주파수 대에 전자파를 방출하는 경우가 있다. 이것은 아마추어무선사(HAM)들의 원성을 사고 있으며 그 주파수 대에 그런 스펙트럼이 나타나는지 아닌지에 대한 논란이 일고 있다. 하지만 홈플러그에 기반한 BPL과 가정용 전력선 기술은 통제되는 스펙트럼에 의도하지 않은 방출이 생기는 것에 대한 우려를 불식시킨다.

결론
홈플러그는 최근 홈플러그 AV 규격을 발표했으며 몇몇 반도체 업체들이 현재 홈플러그 AV 솔루션을 활발히 개발하고 있다. 이 솔루션들과 홈플러그 AV내에서 개발된 기본적인 PHY 및 MAC 개념들이 BPL 네트워크로 옮겨가게 될 것이다. 액세스 및 가정 내 네트워킹은 매끄럽게 상호작동해 가정이나 AC 전력 인프라 내에 설치돼 있는 AC 전선을 통해 고품질, 멀티 스트림의 엔터테인먼트 지향적인 네트워크를 제공할 수 있을 것이다.
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