코센 리포트
고성능 저가 고내구성 연료전지 시스템 개발 시급
금번 '2009 연료전지 세미나 및 박람회'는 2009년 11월15일부터 19일까지 미국 팜 스프링에서 개최되었다. 본 학술회의 참석 및 발표를 통해 최근의 전 세계 수소 연료전지 기술과 관련한 각국 정부의 정책을 포함하여 연구개발 결과와 앞으로의 기술 진전 방향을 판단 및 제시할 수 있는 기준을 얻을 수 있었다. 이러한 학회에 참석하여 논문을 발표함으로써 전 세계에 우리나라의 수소 연료전지 연구 개발 기술 수준을 알리는 동시에 선진 기술의 현황 파악 및 협력 가능성을 타진할 수 있는 좋은 기회를 가질 수 있었다.
자료제공: KOSEN(한민족과학기술자 네트워크)
www.kosen21.orgr
글: 임탁형(한국에너지기술연구원)
개요
수소 및 hydrocarbon 계열 연료를 사용하는 연료전지 발전기술은 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전력과 열을 생산하므로 고효율이며, 오염물질 방출이 제로인 특성을 갖는다. 또한, 연료전지는 다양한 연료 사용이 가능하며, 온실 효과와 공해 문제를 해결하고 화석 연료 고갈과 고유가에 대비할 수 있는 차세대 발전 기술이다. 따라서 다가오는 미래에는 그 적용 분야가 넓고 기여하는 바가 매우 크다고 할 수 있다. 최근에는 화석 연료를 대체할 수 있는 에너지인 수소를 사용하는 연료전지 발전 기술이 상용화되기 시작하면서 수소 사회의 실현을 목전에 두고 있다.
이에 따라 우리나라에서도 이 분야에 관한 연구가 20년 전부터 시작되어 왔으며 최근에는 수소 저장, 생산, 이용 분야뿐만 아니라 저온 작동 연료전지인 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC)와 고온 작동 연료전지인 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 고체산화물 연료전지(SOFC)기술에 관한 연구가 진행되고 있다. 또, International Conference 에도 많은 결과를 발표하여 우리나라 수소 연료전지 연구 개발 우수성을 인정받은 바 있다. 한편 이런 기술들이 개발될 경우 파급효과가 매우 크므로 선진각국들이 많은 예산을 투입해 R&D 에 힘쓰고 있으며, 연구 내용들은 중요하게 취급되어 공개되지 않고 있다. 수소 연료전지 기술 개발의 실용화 속도는 미국, 유럽, 일본, 캐나다가 세계를 선도하고 있으며, 관련 기술 학술회의도 이들 나라에서 개최되는 것이 가장 크다.
금번 '2009 연료전지 세미나 및 박람회'는 2009년 11월15일부터 19일까지 미국 팜 스프링에서 개최되었다. 본 학술회의 참석 및 발표를 통해 최근의 전 세계 수소 연료전지 기술과 관련한 각국 정부의 정책을 포함하여 연구개발 결과와 앞으로의 기술 진전 방향을 판단 및 제시할 수 있는 기준을 얻을 수 있었다. 이러한 학회에 참석하여 논문을 발표함으로써 전 세계에 우리나라의 수소 연료전지 연구 개발 기술 수준을 알리는 동시에 선진 기술의 현황 파악 및 협력 가능성을 타진할 수 있는 좋은 기회를 가질 수 있었다.
고체산화물 연료전지
S. Mukerjee, R. Kerr, S. Shaffer; Delphi Corp., West Henrietta, NY
? Delphi 사에서 개발한 APU용 SOFC 시스템은 다양한 연료를 이용하는 5kW급 보조전원용 SOFC 시스템이다. 진행된 연구 개발 결과로 단위 셀 면적을 105에서 403㎠으로 증가시켰으며, 5,000셀 이상의 단위 전지와 100개 이상의 스택을 생산해 냈다. 그리고 Gen 4 스택 설계를 완료했고, 고효율의 스택 성능(500mW/㎠ @ 570mA/㎠: 평균 전압 0.87V)을 달성했다. 더불어 단위전지, 연결재, BOP 생산공정 비용을 10% 이상 감소시켰으며, 30셀 스택의 경우 100회 이상의 열 사이클 실험을 수행해서 성능 저감 분석을 수행했다.
? 베르사 파워 시스템 (Versa Power System: VPS)은 연료극 지지체 평판형 SOFC 셀을 개발하고 있다. VPS 사는 2000년 이후 저비용의 TSC(T: 테입 캐스팅, S: 소결, C: 공소결) 공정을 확립했다. 연료극지지 평판형 SOFC 단전지의 경우 10%의 성능 향상이 이뤄졌으며, 성능감소는 예전 수준의 반으로 감소했다. 대용량 스택에 사용될 SOFC 단전지의 대면적화가 진행되고 있는데 TSC2 공정을 적용해 33×33㎠ 셀을 제조했으며, 매년 MW 규모의 셀을 생산하고 있다.
Integrated Coal Gasification and Solid Oxide Fuel Cell Systems for Centralized Power Generation
H. Ghezel-Ayagh, J. Walzak, R. Way, S. Jolly, K. E. Davis, C. Willman, P. Huang, D. Patel; FuelCell Energy, Inc, Danbury, CT
? FuelCell Energy 사는 발전용 연료전지를 전문으로 생산하는 회사로서 대부분의 연구 자금을 DOE에서 받는다. 최근 진행되는 연구 과제로는 오염물질 방출이 제로이며, 석탄 합성가스를 연료로 운전되는 MW 규모의 SOFC 발전소를 개발하는 것이다.
FCE 팀은 7개의 팀으로 구성되어 있는데, FuelCell Energy(FCE)사는 250kW-MW 규모의 발전소 시스템을 제작하고 상용화 하는 일을 맡고 있다. Versa power system(VPS) 사는 SOFC 셀 및 스택을 개발하고 있으며, Gas Technology Institute (GTI)는 연료극 관련 연료처리 공정을 개발하고 있다.
FCE 의 개발 스케줄은 2009년 올해 20kW급의 스택 모듈을 개발했으며, 2011년에는 멀티 스택 타워, 2013년에는 250kW 모듈 데모 유니트, 2015년에는 5MW의 개념 설계 발전소를 계획하고 있다.
Development of High Power Density Seal-Less SOFCs
? 지멘스사는 차세대 셀 개념으로 델타8 셀을 제안했다. 이 셀은 한쪽 끝이 막혀 밀봉이 필요 없고, 스택의 단위 부피당 전력밀도가 증가된 새로운 개념의 셀로서 이를 통해 제작 비용을 감소할 수 있다.
델타8의 경우 온도 1,000도, 연료 이용률 80%, 연료로 수소를 사용해 250mW/㎠의 전력밀도를 얻었다. 셀당 0.7V에서 525W의 출력을 얻었다. 원통형과 비교하면 온도 1,000도, 연료 이용률 80%, 연료 수소, 0.7V 일 때 면적을 3배로 증가시키면 셀 당 출력이 6.5배 증가했다. 이와 더불어 델타8셀과 델타8 셀 간을 연결하는 연결재로서 높은 전도도와 유연성을 갖는 삼각형 형태의 금속 메쉬를 개발했다. 셀들이 구성된 번들을 원통형과 비교했을 경우 원통형 번들은 24 셀(3X8)로 구성됐으며, DC 출력 2.6kW, 무게는 34kg 이었다.
개념 설계 측면에서 델타8 셀 구성된 모듈을 설계하고 있는데, 이는 파워 시스템 빌딩 블록(power system building block)이란 것으로 480 개의 델타8 셀로 구성됐으며, 천연 가스를 주입하고 약 대기압에서 250kW의 출력을 보일 것으로 예상되고 있다. 모듈 크기는 높이 3.4m, 너비 3.7m, 길이 1.9m이다.
용융탄산염연료전지
Development of CO2 Capture System with MCFC
M. Toyota, Y. Hirokawa, M. Dairaku; The Chugoku Electric Power Co., Inc., Higashihiroshima, Japan
? 일본 Chugoku 전력회사에서는 MCFC 시스템에 화력발전소의 배가스를 조합하여, 배가스 중의 CO2를 효과적으로 농축 분리하는 시스템에 대해 발표했다. 화력발전소의 배가스를 탈황시킨 후 MCFC의 공기극에 공급하며, 배가스 중의 CO2는 MCFC의 전해질을 통하여 연료극으로 이동하고 연료극 후단에 CO2 회수 장치를 통하여 다시 촉매연소기로 공급되는 시스템이다. CO2 회수율을 최대 76% 달성했다.
H. Ghezel-Ayagh, M. Farooque, D. Patel1, R. Sanderson; FuelCell Energy, Inc, Danbury, CT, USA
? 미국 FCE사에서는 MCFC 시스템을 이용하여, CO2를 분리 회수하는 시스템에 대한 분석을 수행했다. 화력발전소 배가스를 공기극 산화제로 투입했으며, CO2는 전해질을 통하여 연료극으로 보내고 연료극 후단에 CO2 분리장치를 통하여 CO2를 분리 회수하는 시스템이었다.
또한, MCFC 시스템을 이용하여 CO2를 분리 회수하는 것이 다른 기술(Amine 흡수법, Oxyfuel법)과 비교하였을 때, 비용이 가장 저렴하여 경제성이 우수한 것으로 분석되었다.
고분자전해질연료전지
A. Ishizuka, K. Takahashi1, T. Ohtani1, N. Saito1; Honda R&D Co., LTD., Tochigi, Japan
? Honda에서는 수직 흐름 개념의 PEMFC 스택을 개발하여, 무게와 성능을 대폭적으로 개선했다. 1999년 모델과 비교할 경우 스택 발전 용량은 60kW에서 100kW로 증가했으며, 부피와 무게는 134리터에서 51리터, 202kg 에서 67kg으로 감소했다.
Performance of New Residential PEFC Cogeneration Systems
Y. Ito, M. Kawamura, A. Horie1; Tokyo Gas Co., Ltd, Tokyo, Japan
? 동경 가스에서는 가정용 연료전지 시스템의 새로운 모델(2009, 5~)을 소개했다. 새로운 모델의 증실험 결과 전기효율 37%(LHV: lower heating value) 이상, 열 회수효율은 52%(LHV)였다. 가격은 약 $30,000 정도였다.
수소 제조
W. A. Whittenberger, S. Chattopadhyay; Hygear., Garrettsville, OH
? Hygear 사에서는 고온용 PEMFC에 사용 가능한 수소 생성기를 개발하고 있다. 특징으로는 연료극 사용 후 가스를 연소하기 위한 버너를 이용했으며, shift 반응기를 냉각하기 위한 시스템을 적용했다는 것이다. 또한 최종 생성물 중에 CO 농도를 0.6 vol. %로 하는 결과를 발표했다.
Compact Reformer Deve lopment in Samsung SDI: Targeting from Portable to Residential Fuel Cell Application
J-G. Ahn, W. Shin, I. Son, J. Choi, J. Kim, I. Song; Samsung SDI, Suwon-si, Republic of Korea
? 삼성 SDI 는 LPG를 연료로 사용하는 1kW급 소형 연료개질기를 개발했으며 가격, 내구성, 효율을 향상시키는 설계 방법을 적용했다. 전체 시스템 크기는 단열재를 모두 포함해 3.5L 미만이었으며, 2,200시간의 연속 운전 후 초기성능의 90%를 유지했다. 또한, 연료극 배출 가스를 사용하기 위해 촉매 연소 기술을 사용했으며, 효율은 약 80%(HHV: higher heating value) 수준이었다.
H-P. Schmid; WS Reformer GmbH, Renningen, Germany
? FLOX사에서는 열교환 시스템이 일체화된 콤팩트 연소기를 이용한 개질기를 개발했다. 특징으로는 고온 PEMFC용으로서 부분 산화 반응기가 제외됐으며, 원료는 도시가스와 LPG 를 사용했다는 것이다. 또한, 제어부를 단순화하여 조작 특성이 용이했으며, kW당 12kg의 무게를 갖는 콤팩트 개질 시스템이었다.
M. Shiraki, D. Sekine, H. Itsuki, F. Hoshi, J. Komiya, M. Hondo, H. Fujiki; Tokyo Gas Co., Ltd., Tokyo Japan
? 도쿄 가스에서는 기존 가정용 개질기의 개선형을 소개했다. 기존 제품의 경우 40,000시간 운전후 73%(LHV)의 열효율을 유지했는데, 개선형의 경우 내부구조 개선을 통해 30% 정도의 소형화를 달성했다. 이러한 소형화는 내부 촉매구조 및 형상을 개선함으로써 얻어졌는데 모노리스 형태의 촉매 구조체를 사용했다. 수성가스 전환반응(WGS) 촉매는 비귀금속계 촉매였으며, 전체 개질기의 무게를 절반 정도로 감소시켰다.
Desulfurization Technology for Petroleum Fueled Fuel Cell Applications
M. Osawa; Idemitsu Kosan Co., Ltd., Sodegaura, Japan
? Idemitsu Kosan 에서는 1kW급 연료개질 시스템의 실증 운전 결과를 발표했다. 고효율의 연료개질 시스템으로서 연료로는 등유를 사용했다. multi-fuel 연소기를 적용해 도시가스도 사용가능했으며 부분 산화 반응기의 온도를 110~180℃ 정도로 유지했다.
? 수소제조 기술에서는 막 반응기를 이용한 수소제조 기술 발표가 많았으며, 그 내용들을 요약하면 다음과 같다.
* 일본 Tokyo Gas: 막 반응기 시스템 개발 중으로 수소발생량 40 Nm3/h의 시스템을 3000시간 운전했음.
* 일본 Renaissance: WGS 반응기에 CO2 분리막을 설치해 후단 CO2 농도를 1% 이하로 유지했음.
* 미국 TNO: 디젤 사용 개질기로서 초임계 디젤 리포머를 개발했는데 그 과정으로 디젤 연료와 초임계 상태의 물을 혼합해 디젤을 증발시키고, 후단에서 분리기를 통하여 황성분을 제거하여 합성가스를 제조하는 시스템을 개발했음.
* 미국 Precision Combustion: 자열 개질기를 사용한 디젤 리포머를 개발했는데, 이를 위하여 자체 개발한 금속 microlith를 사용했음.
결론
? 연료전지의 부품 대량 생산을 통한 가격 저감을 위하여 분리판, 전극, 전해질은 물론 스택 생산의 연구가 이루어지고 있으며 각 공정에 기반 한 자동 생산공정 시스템이 개발되어야 할 것으로 생각된다.
? 고분자 연료전지의 경우 실증운전이 이루어지는 단계이며, 대부분 연료전지의 상용화를 위한 생산기술, 가격 저감화, 내구성에 대한 연구가 집중적으로 수행되고 있다.
? 일본에서 시행 중인 가정용연료전지의 실증사업이 마지막 단계로 접어들고 있으며, 주요 기업에서 양산 공정이 구축되고 있고, 2009년 이후에 소량 양산을 통한 상용화가 시도될 예정이다.
? 연료전지 모델링의 연구 동향은 (1) 전체 연료전지 시스템을 모델링하여 최적 설계와 운전제어에 초점을 맞추는 분야와, (2) 연료전지 내부에서 일어나는 구체적인 현상을 파악하여 성능과 내구성 향상을 위한 기초 해석 분야로 진행되고 있다.
? 시장 진입을 위해서는 고성능/저가/고내구성 연료전지 시스템의 개발이 요구되며 선진국에서도 이를 위한 연구에 집중하고 있다. 또한, 가격 경쟁력 확보를 위해 저가 장수명 연료전지를 위한 연구 개발은 물론 기반 확립을 위해 연료전지 각 요소품의 평가, 분석 기술 및 기준 확립을 위한 노력도 필요할 것으로 생각된다.
? 국내 연구자의 발표동향:
금년 학회에는 약 1500명이 참석하였는데, 아시아권에서는 한국, 일본에서 주로 참석하였으며, 한국에서는 KIER, KIST등에서 많이 참석하였다. 발표는 PEMFC, HT fuel cell, SOFC, Hydrogen and fuel processor 등으로 분류하여 발표하였는데, SOFC 관련 연구발표가 가장 많았으며 이는 현재 연구비가 가장 많이 집중되고 있는 분야를 반영하고 있는 것으로 보인다. 수소 및 연료 처리 분야에서는 자열 개질, 수증기 개질, 촉매 부분 산화 반응, 액체연료의 탈황기술에 대한 연구결과가 많이 발표되었다.
? 국내외에서 참석한 관련연구자 소개
국내: 임태훈, 한종희, 윤성필(KIST), 문길호(두산중공업), 이관영(고려대), 소현(삼성SDI), 전중환, 김승구(RIST), 임탁형, 김상경, 김민진, 손영준, 박구곤, 윤왕래, 서용석, 정운호, 동상근(KIER), 김태진(전북 TP)
국외: Wayne A. Surdoval(U.S. Department of Energy, National Energy Technology Laboratory), S. Mukerjee (Delphi Corp.), M. Wandel(Topsoe Fuel Cell A/S), B. Borglum(Versa Power Systems), J. R. Archer(NexTech Materials), R. J. Rosenberg(VTT Technical Research Center of Finland), H. Ghezel-Ayagh(FuelCell Energy), J. Stevenson(Pacific Northwest National Laboratory), E. Wachsman(University of Florida), M. Tucker(Lawrence Berkeley National Laboratory), B. Rietveld(Energy research Center of the Netherlands), D. S. Schmidt(Acumentrics), S. D. Vora(Siemens Energy), J. C. Poshusta(Protonex Technology), T. Horita, H. Yokokawa(AIST), E. Fontell(W?rtsil?)
G.hn: 새로운 ITU-T 홈 네트워크 표준
현재 다양한 유선 홈 네트워크 기술들이 사용자에게 보급되어 있지만, 대부분 단 한 가지의 배선 방식만 지원하며 상호 호환되지 않는 단점을 가지고 있다. 2006년 ITU-T는 단일화된 차세대 네트워크 기술을 위하여 G.hn이라는 표준화 과제를 시작하였다. 댁내에 존재하는 모든 종류의 배선(전화선, 전력선, 동축 케이블, 이더넷 케이블) 상에서 이론상 최대 1Gbps 속도로 동작하는 것을 목표로 하고 있다. ITU-T 권고안 G.9960은 G.hn의 네트워크 구조와 물리(PHY) 계층 및 매체 접속 제어(MAC)에 대한 명세를 정의하고 있다. 데이터 링크 계층을 포함한 전체 표준은 2009년 내로 완료될 전망이다. G.hn은 일반 가정은 물론 소규모/홈 오피스나 집합주택, 호텔, 회의실과 같은 공공 장소를 대상으로 한다. 본 논문은 여러 종류의 배선을 위한 단일 전송 방식을 정의하는 G.hn 기술에 대한 개요를 제공함으로써 새롭게 제안되는 유선 홈 네트워크 표준과 최근 기술 동향을 파악하는 데 유용한 내용을 제공하고 있다고 사료된다.
자료제공: KOSEN(한민족과학기술자 네트워크)
www.kosen21.org
글: 허종만 (삼성전자)
개요
홈 네트워크 기술은 1990년대 후반 댁내에 Cat-5 배선을 추가하지 않고 표준 이더넷 연결을 제공하기 위한 방편으로 소개되었다. 오늘날 다양한 홈 네트워크 기술이 사용 중이며 그 중 IEEE 802.11 기반 무선랜(WLAN)이 가장 인기 있는 기술이다. 하지만, 무선랜의 경우 주파수 특성이 열악하며, 상호 간섭 문제로 인해 서비스 품질(QoS) 요구사항을 만족하는 고속 서비스 제공이 어려운 단점을 가지고 있다. 이러한 단점으로 인해 댁내 전력선, 전화선, 동축 케이블을 사용한 고속의 유선 홈 네트워크 기술 개발이 재조명되고 있다. 그러나 오늘날의 유선 홈 네트워크 시장은 다양한 종류의 배선을 사용한 다수의 기술로 세분화되어 있다. 전력선의 경우, HD-PLC(High-Definition Power Line Communication) Alliance, HPA(HomePlug Powerline Alliance), UPA(Universal Powerline Association)의 3군데 컨소시엄이 시장을 점유하고 있다. ITU-T 권고안 G.9954는 전화선과 동축 케이블에서 사용되고 있으며, MoCA9Multimedia over Coax Alliance)가 개발한 기술 역시 미국 등지에서 널리 사용되고 있다. 종합하면 적어도 3개의 전력선 기술, 2개의 전화선 기술, 2개의 동축 케이블 기반 기술이 존재한다. 이러한 기술들은 상호 운용이 불가능하기 때문에 사용자나 가전업체, 서비스 제공자들에게 불편함이 따른다. 2005년 IEEE P1901 Working Group은 100Mbps 이상의 고속 통신 기기 표준 개발을 목표로 한 전력선 기술 단일화를 제창하였다. 각 기기들은 100MHz 이하의 주파수를 이용하며, 댁내는 물론 접속망 응용 지원을 목표로 한다. 이 표준은 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform) 기반 OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplex) 기법을 사용한 물리(PHY) 계층 및 매체 접속 제어(MAC) 방법, 웨이블릿 OFDM 기반 PHY/MAC, G.hn 호환 PHY/MAC을 포함한다.
2006년 ITU-T는 차세대 홈 네트워크 단일화 송수신기 권고안 개발을 목표로 G.hn 과제를 시작하였다. 이 송수신기는 댁내 전화선, 전력선, 동축 케이블, Cat-5 케이블 상에서 동작 가능하며, 최대 1Gbps 전송속도를 목표로 한다. 2008년 12월 ITU-T는 G.hn의 네트워크 구조와 물리 계층 및 매체 접속 제어에 대한 일부 상세를 정의한 G.9960에 합의하였다. G.hn은 전력선 통신 접속에 대한 내용은 다루지 않지만 P1901 시스템 혹은 접속 시스템 과의 공존 기법과 현재 연구 중인 스마트 그리드 응용 분야에 대해서 다루고 있다. G.hn은 네트워크 상에서 250개까지의 기기 동작을 허용하며, 기기를 위한 다수의 프로파일을 정의한다. 댁내 게이트웨이와 같은 high-profile 기기는 매우 높은 성능과 복잡한 관리 기능을 제공하며, 가정 자동화 기기와 같은 low-profile 기기는 상호 운용성은 제공하지만 낮은 성능과 기본 관리 기능을 가진다.
G.hn의 이론적 근거
과거에는 단일 매체에 대한 송수신기 최적화에 주안점을 두었지만, G.hn에서는 다수 매체에 대한 단일 송수신기 최적화를 목표로 하고 있다. 따라서 G.hn 송수신기는 배선 종류에 따라 관련 파라미터를 설정할 수 있도록 정의되었다. 이러한 접근 방식은 모듈 방식의 장점과 유연성을 제공하며, 상이한 채널 특성에 따른 매체별 최적화를 추가 비용 없이 가능하게 한다. 단일화된 홈 네트워크 기술을 추구함에 따라 상호운용성 보장, 시장 단일화, 신규 시장 창출, 비용 절감, 성능 개선 등과 같은 여러 장점을 얻게 된다. 주파수 대역 확장과 변조 효율성 향상을 통한 성능 개선으로 최대 1Gbps 속도까지 지원한다. 유연한 bit loading 방식과 효율적인 재전송 기술에 의해 개선된 FEC(forward error correction) 방식은 전력선과 같이 극도로 잡음이 심한 환경에서도 높은 강인함을 제공한다. 전력선에서는 잦은 재전송이 필요한 반면, 동축 케이블에서는 재전송이 거의 필요 없기 때문에 재전송 방법은 매체에 따라 다르게 정의된다. 패킷 집합(packet aggregation)과 강인한 충돌 회피 방법을 사용하여 MAC 효율성을 대폭 개선하였다. 이러한 기술들로 인해 댁내 커버리지를 높일 수 있다.
G.hn 네트워크 구조
개요
G.hn 네트워크는 하나 이상의 도메인으로 구성된다. G.hn에서 도메인은 서로 통신하거나 간섭이 일어날 수 있는 모든 노드들로 구성된다. 따라서 근접 경로 배선 사이의 혼선을 제외하면, 동일한 네트워크의 다른 도메인 간에 간섭이 발생할 수는 없다. 노드 중 하나는 도메인 마스터이며, 도메인 가입, 대역폭 할당, 마스터 기능 중단 및 기타 관리 기능을 포함한 도메인 내의 모든 노드의 동작을 제어한다. 도메인 마스터가 고장 나는 경우에는 도메인의 다른 노드가 해당 기능을 수행하게 된다. 동일 도메인 내의 모든 노드와 통신 또는 간섭이 가능하기 때문에 도메인 마스터는 전송 시간을 조정하여 간섭을 피할 수 있다. 이는 여러 도메인이 매체를 공유할 때보다 간단하며 더 효율적이다. 사용자는 단일 매체상에 복수 개의 도메인을 생성할 수 있다. 예를 들면 전력선 상에서 기저대역(baseband)과 통과대역(passband) 모드를 활성화하거나, 동축 케이블 상에서 다른 무선 주파수(RF) 채널들을 사용하는 경우이다. 동일 네트워크의 도메인들은 도메인간 브릿지에 의해 연결된다. 이는 임의의 노드가 네트워크 상의 다른 도메인에 존재하는 노드와 통신하도록 해준다. 또한 임의의 도메인은 브릿지를 통해 DSL, 무선랜 등과 같은 외부 유선/무선 네트워크에 연결될 수 있다.
도메인 간 조정
네트워크 상에서 하나 이상의 도메인이 동일 주파수 대역을 사용하거나, 복수 개의 도메인을 경로로 하는 연결을 최적화하려는 경우, 각 도메인들은 과도한 상호 혼선을 피하기 위해 조정될 필요가 있다. 도메인 간 조정은 글로벌 마스터의 역할이다. 글로벌 마스터는 도메인과 외부 관리 요소로부터 통계 자료를 수집하여 전송 파워, bandplan 등과 같은 적절한 파라미터를 도출하게 된다. 이를 각 도메인 마스터에 전달하여 각 도메인의 모든 노드들이 특정 파라미터를 사용하도록 한다.
타 네트워크와 공존
다수의 네트워크가 동일한 매체와 주파수 대역을 공유하게 되는 경우에는 상호 간섭을 제한하여 약간의 성능 감소만으로 모든 네트워크가 동시에 동작할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. G.hn은 다음과 같은 여러 종류의 공존 방식을 연구 중에 있다. 이웃 G.hn 네트워크와는 상호 전송을 조절하고 자원을 공유한다. 기타 댁내 네트워크 및 접속망의 경우에는 ISP(Inter-System Protocol)가 지원되면 IEEE P1901과 ITU-T가 개발 중인 간략한 공존 방식을 사용하고, 그렇지 않으면 PSD shaping, 부반송파 마스킹, 스펙트럼 상향전환(up-shifting) 등의 방식을 사용한다. 동축 RF 시스템의 경우에는 외부 RF 신호가 감지되면 도메인 마스터가 모든 노드를 다른 RF 채널로 이동시키는 frequency agility 방식을 통해 공존한다. 무선 서비스의 경우에는 국제 아마추어 무선 대역에 할당된 주파수 사용을 피하고, 모든 간섭 반송파를 끄거나 신호 감소시키는 방식을 사용한다.
PHY 구조
G.hn은 다양한 종류의 배선을 지원하기 위하여 다음과 같은 파라미터를 가진 windowed OFDM을 채택하였다.
·부반송파 수, N= 2n, n=8~12
·부반송파 간격, FSC=2k ×24.4140625kHz,k = 0,...,4
·중앙 주파수 FC
·윈도우 크기
각 파라미터의 값들은 다음과 같은 사항을 고려하여 매체별로 선택된다. 부반송파 간격 값은 채널 특성을 기반으로 선택한다. 만일 모든 값들이 기본 간격 값의 2의 지수 승으로 표현되며, 부반송파의 수가 2의 지수 승이고, 모든 샘플링 주파수가 공통 참조 주파수의 약수인 경우에는 변조기 설계가 아주 간단해진다. 기존 기술에서 사용되는 부반송파 간격 및 샘플링 주파수와 동일한 값을 사용한다면 듀얼 모드 서비스 구현이 쉬워진다(G.hn/HomePlug).
OFDM 파라미터와 BANDPLAN
G.hn은 기저대역, 통과대역, RF의 bandplan을 정의한다. G.hn은 각각에 대한 단일 OFDM 파라미터 집합을 정의하여 겹치는 bandplan은 동일한 부반송파 간격을 사용하도록 한다. 이러한 규칙과 함께 단일화된 매체별 프리앰블 구조와 PHY 프레임 헤더를 사용하여 상호운용성을 제공한다. 각 bandplan에 사용된 부반송파의 숫자는 256~4096개까지 가능하다. 또한 8가지의 페이로드 cyclic prefix(CP) 값을 선택할 수 있다. 기저대역, 통과대역, RF에서의 동작을 정의하기 위해 G.hn은 RF 변조기를 덧붙인 통과대역 OFDM변조기를 사용한다. 통과대역 부분은 역 이산 푸리에변환(IDFT), CP, windowing, 주파수 상향전환을 포함한다. 기저대역 동작을 위한 상향전환 주파수 FUS 는 대역폭의 중간으로 설정된다. RF 변조기는 0.3~2.5GHz 사이의 RF 대역으로 추가 상향전환을 수행한다.
QC-LDPC 기반의 개선된 FEC 방식
G.hn에서는 QC-LDPC(quasi-cyclic low-density parity check) code를 필수 FEC 방식으로 사용한다. 최근 10G 이더넷이나 IEEE 802.11n과 같은 고속 표준에서 LDPC code를 선호하는 경향과 일치한다. IEEE 802.16e(WiMAX)에 정의된 QC-LDPC의 부분집합으로, 5개의 code rate(1/2, 2/3, 5/6, 16/18, 20/21)와 2개의 블록 크기(120, 540)를 사용한다. Code rate 1/2, 2/3, 5/6를 위한 3개의 패리티 검사 행렬을 사용하며, 다른 2개의 high code rate는 5/6 rate code를 puncturing하여 얻어진다. 전력선과 같이 빈번한 재전송이 필요한 매체에서는 bit loading과 FEC가 10-2 block error rate (BLER)에서까지 동작할 수 있도록 파라미터가 설정되는 반면, 재전송이 거의 필요하지 않은 매체에서는 10-8 정도의 매우 낮은 BLER을 목표로 파라미터가 설정된다.
LDPC 디코딩은 Belief-Propagation 알고리즘(BPA) 및 그 변종을 기반으로 수행된다. 고성능을 목표로 하는 G.hn의 경우에는 기존 BPA에 비해 2배 가량 빨리 동작하는 layered BPA 디코딩에 주목하고 있다.
프레임
PHY 프레임은 프리앰블, 헤더, 페이로드로 구성된다. 프리앰블은 2~3개의 섹션으로 구성되며, 각 섹션마다 정해진 수의 심볼이 있다. 헤더는 guard interval, bit loading, FEC 파라미터 등과 같은 페이로드와 관련된 정보를 가지고 있다. 헤더의 각 파라미터들은 상호운용성을 보장하기 위해 매체별로 단일화되고, 잡음이 심한 채널에서 사전 채널 추정 없이도 안정적으로 감지가 가능하도록 설정된다. 페이로드는 하나 이상의 FEC 코드워드를 포함하며, 각 코드워드는 전송 데이터의 세그먼트, 해당 세그먼트의 헤더 그리고 CRC 값으로 구성된다.
DATA LINK LAYER 개요
매체 제어 방법
G.hn은 동기화 매체 제어 방법을 정의한다. 도메인에서의 전송은 도메인 마스터에 의해 관리되며 MAC cycle에 동기화된다. MAC cycle은 시간에 따라 주기적으로 변하는 채널 특성과 전력선에 연결된 전기 기기로 인한 잡음에 대처하기 위해 중앙과 동기화될 수 있다. 각 MAC cycle은 마스터가 할당한 TXOPs(transmission opportunities)와 연관된 시간 간격으로 나뉘어진다. 도메인 마스터는 MAP(media access plan) 프레임을 전송하기 위하여 적어도 하나의 TXOP를 할당한다.
MAP 프레임은 이후 사용될 하나 혹은 그 이상의 MAC cycle에 할당되는 TXOP의 경계 정보를 담고 있다. 도메인 마스터가 노드에 할당하는 그 외 TXOP는 비디오 및 오디오 서비스, VoIP 등과 같은 응용프로그램 데이터 전송에 사용된다.
도메인 내의 모든 노드는 MAC cycle과 동기화하며, MAP 정보를 읽고 해석하여 자신에게 할당된 TXOP 구간 동안에만 전송을 할 수 있다. 따라서 특정 연결에서 충돌을 회피할 수 있다. 도메인 마스터는 노드들의 요청과 가용한 대역폭을 기반으로 각 TXOP의 순서, 종류, 기간을 정한다. 이렇게 설정된 일정(schedule)은 매체 특성이나 사용자 응용프로그램의 변동 혹은 도메인 상의 노드 수가 변함에 따라 MAC cycle 사이에 변경될 수도 있다. 여러 가지 응용프로그램을 지원하기 위해 다음과 같은 3종류의 TXOP가 정의되었다.
·비경쟁 TXOP(Contention-free TXOP: CFTXOP) - 시분할 매체 접근(TDMA) 방식으로, TXOP 구간 동안 하나의 노드만 전송할 수 있다. 고정 대역폭과 엄격한 QoS가 필요한 비디오 서비스에 사용된다.
·공유 TXOP(Shared TXOP with managed time slot: STXOP) - ITU-T G.9954와 유사한 방식으로 VoIP, 게임, 대화형 비디오와 같이 QoS를 요구하면서 변동 대역폭을 사용하는 경우에 유리하다.
·경쟁 기반 TXOP(Contention-based TXOP: CBTXOP) - HomePlug AV와 유사한 TXOP 공유 방식으로 각 노드들은 우선순위 기반으로 전송을 위해 경쟁하게 된다. 일반적으로 best effort 서비스에 사용된다.
STXOP는 여러 개의 짧은 시간 슬롯(TS)으로 구분된다. 각 TS는 특정 노드가 특정 우선순위를 가지고 프레임을 전송하도록 할당된다. STXOP의 경우 반송파 감지와 대기 방식을 사용하기 때문에 여러 노드가 TXOP를 공유함에도 불구하고 충돌이 발생하지 않는다. CBTXOP 구간 동안의 전송은 경쟁 주기에 의해 조정된다. 경쟁 주기의 시작 부분에서 각 노드는 priority signaling(PRS) 방식을 통해 보내고자 하는 프레임의 우선 순위를 전달한다. 이를 통해 PRS는 가장 높은 우선순위의 프레임을 가진 노드들이 선택된다. 선택된 노드들만이 경쟁에 참여할 수 있으며, 다른 노드들은 다음 경쟁 주기까지 backoff하며 대기하게 된다. 경쟁 윈도우 내의 전송 슬롯을 임의로 선택함으로써 선택된 노드간의 충돌 확률이 감소한다. 윈도우의 시작 부분부터 선택된 모든 노드들은 반송파 감지를 통해 매체를 감시한다. 만약 선택한 슬롯에서 반송파 감지가 되지 않으면 노드는 프레임을 전송하지만, 그렇지 않은 경우에는 다음 경쟁 주기까지 backoff하며 대기한다.
가상 반송파 감지 방식을 사용하기 위해 모든 프레임은 헤더에 기간을 명시한다. 또한 충돌 발생시의 시간 손실을 줄이고 hidden node 존재시의 성능을 개선하기 위하여 IEEE 802.11과 유사한 request-to-send(RTS), clear-to-send(CTS) 메시지를 정의하였다.
보안
G.hn은 전력선이나 동축케이블과 같은 공유 매체상에서 동작하기 때문에 외부, 내부 모두 보안 위협 요소가 존재한다. 외부 위협은 전송 내용을 도청하고 프레임을 전송할 수 있다. 이는 외부 네트워크 접속 권한을 가진 공격자를 의미하며, 내부 위협은 네트워크 상의 정당한 사용자가 다른 사용자의 통신이나 특정 네트워크 클라이언트에 불법적으로 접근하는 것을 의미한다. 외부 위협과 관련하여 G.hn은 Diffie-Hellman 알고리즘과 AES-128을 사용하는 Counter with Cipher Block Chaining-Message Authentication Code(CCM) 알고리즘에 기반한 인증 절차를 정의하였다. 내부 위협에 대해서는 일대일 보안 방식을 사용한다.
결론
G.hn 표준은 ITU-T가 제정한 홈 네트워크 권고안이다. G.hn은 단일 송수신기 사용을 통해 댁내 모든 종류의 배선 상에서 동작하는 차세대 홈네트워크 기술을 목표로 한다. 가정은 물론 공공장소에서도 사용 가능하여 서비스 제공자나 가전산업계의 관심을 끌고 있다. G.hn은 최대 100MHz로 확장된 대역폭, 개선된 FEC 방식, 유연한 변조방법, 효율적인 매체 접근 방식을 사용하여 최대 1Gbps에 달하는 뛰어난 성능을 제공할 것으로 예상된다. 그 외에도 G.hn은 이웃 G.hn 네트워크 또는 외부 네트워크와의 공존 방식을 정의한다.
2010년 G.hn 호환 칩이 나올 예정이며 차차 G.hn 상품이 출시될 것이다. 그러나 MoCA, HomePlug, DLNA[2] 등과 같은 기존 기술과 호환되지 않는 부분을 간과하고 있기 때문에 G.hn이 시장에서 성공할 지의 여부는 속단하기 이른 면이 있다. IPTV나 가전기기 등을 제외한 G.hn의 응용 부분에 관심 있는 독자는 G.hn이 통신 기반 구조로 사용될 수 있는 스마트그리드[3] 분야를 살펴보기를 추천한다.
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