스마트 그리드를 위한 전력선 통신의 신뢰성 향상 기법 연구

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2014. 8. 김성철.지구 온난화, 증가하는 에너지 요구 및 최대 부하에 따른 위험 문제 등을 해결하기 위해, 스마트 그리드 구축을 위한 많은 노력들이 진행 중이다. 스마트 그리드를 구현하기 위해서는 향상된 정보통신 기술이 필요하며, 이는 통신 네트워크를 통한 안정성 있는 데이터 전송 여부에 달려있다. 스마트 그리드를 위한 여러 통신기술 후보 중 전력선통신 (PLC), 특히 중전압 (MV) 전력선 상의 고속 PLC에 집중하였다. 전력선 통신 네트워크의 신뢰성은 전력선이 스마트 그리드의 통신 매체로 올바르게 동작하기 위한 선결 조건이다. 본 논문에서는 전력선 통신을 보다 신뢰성 있고 강건하게 만들기 위한 방안에 대하여 연구한다. 이를 위해 OFDM 기반의 전력선 통신 시스템에서 최대비합성 (MRC) 다이버시티 구조를 고안한다. 이러한 시스템에서 최대비합성 다이버시티 이득을 최대화하기 위한 최적의 부반송파 페어링 (subcarrier pairing) 기법을 제안한다. 모의실험을 통해 제안하는 기법의 성능 향상 여부를 검증한다. 다이버시티 이득은 주파수 효율의 감소를 유발한다. 앞의 제안된 부반송파 페어링 기법으로 인해 본질적으로 발생하는 주파수 효율 감소를 해결하기 위해, 무선 MIMO 채널의 전처리 (precoding) 기법을 적용한다. 모의실험 결과를 통해, 높은 변조 지수로 페어링 기법을 이용하는 것이 매우 많은 계산량이 필요한 전처리 기법과 비교하여 유사한 성능을 나타냄을 알 수 있다. 다음으로 최대비합성 기반 최적 부반송파 페어링 기법을 전력선/무선 다이버시티 시스템에 확장한다. 이 시스템에서 전력선과 무선시스템의 각 부반송파들은 짝을 이루어 최대비합성을 수행한다. 전체 데이터 전송률을 최대화하기 위해 앞과 유사한 최적 부반송파 페어링 기법을 제안한다. 모의실험 결과를 통해 제안된 기법이 데이터 전송률과 아웃티지 확률 측면에서 상당한 성능 향상을 나타낸다.To solve the problems of global warming effects, rising energy-hungry demands, and risks of peak loads, many efforts to build a Smart Grid system are underway. A smart grid requires advanced information, and communication technologies to support its intelligent features, and it depends on the reliable data transmission via a communication network. Among the candidates of communication technology for smart grid, we focus on a power line communications (PLC), especially a broadband PLC over a medium voltage (MV) powerline network. The reliability of the PLC network are prerequisite for an appropriate communication medium for smart grid. This dissertation considers a strategy to make the PLC network more reliable and robust. We consider a maximal ratio combining (MRC) diversity scheme for a power line orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. An optimal subcarrier pairing scheme is proposed to maximize the MRC gain. Numerical results are presented to verify that the proposed scheme provides enhanced performance. Diversity gain comes at the expense of spectral loss. We adopt the precoding scheme proposed for wireless MIMO system to compensate the spectral loss due to the inherent transmission mechanism of the above subcarrier pairing scheme. It is shown that the proposed pairing scheme with higher modulation order achieves a comparable performance to the precoding scheme which requires high computational cost. We extend the optimal subcarrier pairing with MRC approach to powerline/wireless diversity system, where the powerline and wireless subcarriers are paired to perform maximal ratio combining (MRC). An similar optimal subcarrier pairing scheme is proposed to maximize the data rate for MRC reception in powerline/wireless diversity OFDM systems. Numerical results show that, by using the proposed optimal subcarrier pairing, significant performance enhancement can be achieved in terms of Ergodic data rate and outage probability.1 Introduction 1 1.1 Smart Grid 1 1.2 Communication and Networking in the Smart Grid 5 1.2.1 Network Topologies 6 1.2.2 Communication Technologies for the Smart Grid 8 1.3 Dissertation Outline 11 2 Power Line Communications for Smart Grid 12 2.1 Power Line Channel Characteristics 15 2.2 PLC Channel Modeling 15 2.3 PLC Channel Noise Characteristics 17 2.4 MV Channel Description for This Dissertation 19 2.4.1 Implementation of Powerline Channel 19 2.4.2 Typical Topology 22 2.5 MV Powerline Noise 25 3 Optimal Subcarrier Pairing for Maximal Ratio Combining in OFDM Power Line Communications 27 3.1 Motivation 27 3.2 Optimal Subcarrier Pairing for Maximal Ratio Combining 28 3.2.1 System Model 28 3.2.2 Optimal Subcarrier Pairing 31 3.3 Numerical Results 33 3.3.1 Simulation Environments 33 3.3.2 SER Performance Analysis 35 3.3.3 Performance Comparison with Equal Gain Combining 38 3.4 Precoding Scheme to Compensate Spectral Loss Due to Diversity Transmission 40 3.4.1 Review of the Minimum Distance-Based Precoder for MIMO Spatial Multiplexing Systems 41 3.4.2 Optimal Minimum Distance-Based Precoder for QPSK Constellation 41 3.4.3 Application to PLC OFDM System 44 3.4.4 Performance Comparison of max-dmin Precoder for QPSK Modulation 44 3.4.5 Performance Comparison of max-dmin Precoder for 16-QAM Modulation 49 3.4.6 Complexity Analysis 53 3.5 Conclusion 53 4 Optimal Subcarrier Pairing for MRC in Powerline/Wireless Diversity OFDM Systems 55 4.1 Motivation 55 4.2 Powerline/Wireless Diversity OFDM Systems 57 4.3 Optimal Subcarrier Pairing for Powerline/Wireless Diversity 60 4.4 Numerical Results 62 4.4.1 Channel Models 63 4.4.2 Performance Comparison 67 4.5 Conclusion 76 5 Concluding Remarks 77 5.1 Summary 77 5.2 Future Works 78Docto

Femtocell/Macrocell Interference Analysis in WiBro System

펨토셀을 도입함으로써 이동통신시스템의 실내 커버리지를 확장하고 시스템 용량을 증대시킬 수 있다. 펨토셀이 효과적으로 동작하기 위해서는 펨토셀과 매크로셀간의 전파 간섭에 대한 분석이 필요하다. 본 논문에서는 와이브로 시스템에 펨토셀을 적용하는 경우 발생할 수 있는 간섭 영향을 살펴본다. 펨토셀과 매크로셀간의 동기가 유지된 경우를 가정하여, 펨토셀이 매크로 셀과 동일한 채널에서 동작하는 경우와 인접 채널에서 동작하는 경우에 대하여 시스템 레벨 시뮬레이션을 수행하여 평균 셀 throughput 을 구하고 펨토셀과 매크로셀간 간섭 영향 특성을 분석한다.이 논문은 두뇌한국 21 사업과 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT 핵심기술개발사업 [2008-F-007-01, 3 차원 환경에서 지능형 무선 통 신 시스템 연구] 에 의하여 지원되었

Through-wall Characterization of Ultra WideBand signal

초광대역통신은 실내환경 근거리에서 운용되는 다양한 시스템으로 적용 가능한 통신기법이다. 본 논문에는 초광대역통신의 효율적인 망 구성을 위해 필요한 초광대역 신호의 벽 재질에 따 른 감쇄에 대한 연구결과가 나타나있다. 분석은 일반 건물에 주로 사용되는 4 가지 재질의 벽 에 대하여 3GHz 대역의 600MHz 신호를 투과시켜 특성을 모델링하였다. 분석기법은 전자기학과 유한차분시간영역법을 이용하여 이론적 감쇄량을 예측한 후 회로망분석기 기반의 측정시스템 을 사용하여 측정결과를 모델링하는 방식이다. 수직입사 시에 감쇄량의 분석은 선택된 주파수 영역의 평균 감쇄량과 함께 주파수에 따른 감쇄량의 표준편차 값이 주파수 선택특성분석을 위 해 비교되었으며 벽을 통과한 후 수신되는 각도에 따른 감쇄량을 분석하여 수신지점에 따른 감쇄경향을 모델링하였다.본 논문은 Brain Korea 21 project 와 서울시 산학 연 협력사업 (10544)의 도움으로 작성되었습니다

ZigBee 기반 실내 무선측위를 위한 경로 손실 측정

본 논문에서는 ZigBee 기반 실내 무선 측위에 필요현 경로 손실 모델을 구하기 위해 일반적인 사무실 실내 환경에서 상용 ZigBee 칩셋을 이용하여 경로 손실을 측정하였다.이 논문은 두뇌한국21사업에 의하여 지원되었

System Capacity and Interference Anlaysis for the Deployment of WCDMA system at 900 MHZ

WCDMA at 900 MHz will propagate further than its equivalent at 2100 MHz due to the lower frequency. So, there is a growing interest in deploying WCDMA system in the 900MHz frequency band in order to reduce the cost of coverage for mobile communications services. In this paper, we analyzed WCDMA system capacity and effect of interference at 900 MHz by system level simulation.

Localization Algorithms Using Wireless Communication Systems

사용자의 위치를 고려한 맞춤형 위치기반서비스 제공을 위해서는 사용자의 정확한 위치를 추정하는 기법 개발이 선행되어야 한다. 본 논문에서는 무선 통신시스템을 기반으로 사용자의 위치를 추적하는 기법에 대한 연구동향을 살펴보고 초광대역 통신시스템에서 지연변수를 이용한 복합형 무선 측위 기법을 제시한다. 먼저, 무선 측위를 위한 초광대역 통신의 장, 단점을 다른 통신시스템과 비교한 후 무선 측위에 사용되는 측위 파라미터에 따른 기법들을 소개하며 현재 진행되고 있는 복합형 무선 측위 기법의 연구동향을 살펴본다. 모의 실험을 통해 얻어진 성능분석결과를 이용하여 지연변수 값으로부터 가시경로의 존재 유, 무를 판단하고 그에 따라 거리 추정값을 선택하는 복합형 측위 기법을 제시한다.;For efficient Localization Based Services, development of accurate localization algorithm has to be preceded. In this paper, research trend of localization algorithm using Ultra WideBand (UWB) radio is reported and hybrid localization algorithm using delay parameters is proposed. As communication for localization, the UWB is compared with other systems. After introducing localization algorithms using UWB, proposed hybrid algorithms are presented. In our proposed hybrid algorithm, anchor nodes determined the existence of line-ofsight path from measured delay parameters. Then, using time of arrival and received signal strength information, calculated range estimation results are sent to the central processor. The performance of our algorithm is compared to existing algorithms using simulation and it is confirmed that about 20% of localization error of conventional localization algorithm using TOA is reduced in localization algorithm with three base stations.본 연구는 부분적으로 SK텔레콤과 서울시 산학연 협력사업(10544)의 지원을 받았음