주간기술동향 2019. 10. 9. chapter 2 AMI 2.0 과차세대전력선통신 IoT-PLC 1) 박배영 아이앤씨테크놀로지수석연구원 I. 서론 스마트그리드 라고도불리는지능형전력망은전력망에정보통신기술을적용하여전기에너지공급자와소비자가실시간으로정보를교환하는등의방법을통해전기를공급함으로써에너지이용효율을극대화하는전력망을일컫는다. 2016 년을기점으로시작된한국전력의 2,250 만호 AMI(Advanced Metering Infrastructure, 지능형검침인프라 ) 구축사업은 3년여가경과되면서, 향상된성능을갖는유무선통신기술, 효율적운영및강화된보안에대한필요성이대두되어왔다. 이러한요구를수용하기위해 2019년상반기에한국전력과각종기기제조사가참여하는공청회가열렸고, 이를통해기존의 AMI를한단계개선시킨 AMI 2.0이라는개념을정립하였다. AMI 2.0에는다양한유무선통신기술, 보안강화형전력량계, 제한적성능을갖는각종기기를지원하기위한기기관리플랫폼, 복수의통신시스템을수용하는스마트미터링게이트웨이, 각종기기들에대한상호운용성확보및통합시험환경구축등에대한내용들을포함하고있다. II장에서는 AMI 2.0을통해도입되는여러내용중에서경량형기기를위해활용될 * 본내용은박배영수석연구원 ( 031-696-3543, backswim@naver.com) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 18 www.iitp.kr
수있는망관리용플랫폼인 LWM2M(Lightweight Machine to Machine) 과 2020년부터적용예정인 SNMP(Simple Network Management Protocol) v3, ARM사에서 IoT 기기용으로개발한실시간운영체제인 MBed OS, 보안강화형전력량계및각종유무선통신기술에대해소개할것이다. III장에서는전력선을매체로하는통신방식중에서기존방식에비해전송거리의확장과지중포설된열악한통신환경에서도향상된신뢰성을갖는차세대전력선통신방식인 IoT-PLC(Internet of Things-Power Line Communication) 기술에대해소개하고 [1], 마지막장에서는 AMI 2.0 도입에따른기대효과와발전방향에대해제시한다. II. AMI 2.0 1. AMI 에너지플랫폼의변화 현재운용중인에너지플랫폼에는검침용데이터관리를위한 FEP(Front End Processor) 서버와 AMI 네트워크및네트워크에연결된각종기기를관리하기위한네트워크관리시스템 (Network Management System: NMS) FEP 서버가사용된다. NMS는네트워크의전반적인상태, 성능등의모니터링과각종제어를위한시스템으로, 이를구현하는프로토콜로서현재는 SNMP가사용되고있다. AMI 2.0에서는 IoT 기기에적합한 LWM2M 플랫폼이적용될예정이고, 2020년부터는보안이강화된 SNMP v3로업그레이드될예정이다. 가. LWM2M LWM2M은 OMA(Open Mobile Alliance) 에서기존이동통신생태계에적용하던기기관리 (Device Management: DM) 기능을비교적낮은성능을갖는제한적인 CPU와메모리를갖는 IoT 기기에활용할수있도록경량화한플랫폼이다 [2]. [ 그림 1] 에서보여지는 LWM2M 플랫폼은네트워크내에서 IoT 기기의초기설정 (Bootstrap), 등록, 해제, 소프트웨어 / 펌웨어다운로드, 기기의상태진단 (Diagnosis) 및배터리 / 메모리등하드웨어의모니터링, 기기주변장치제어, 시스템리부팅, 이벤트로깅 정보통신기획평가원 19
주간기술동향 2019. 10. 9. (LWM2M 참조 ) [ 그림 1] LWM2M 구성도 (Logging) 등을위한기술을포함한다 [3]. 최근에발표된 Version 1.1에서는방화벽 (Firewall) 이나 NAT(Network Address Translation) 환경에서도각종 IoT에활용되는응용계층프로토콜인 CoAP(Constrained Application Protocol) 를지원할수있도록했고, 메시지전송계층으로서 UDP, SMS (Short Message Service) 이외에 TCP(Transmission Control Protocol) 계층이추가되었다. 또한, 비-IP 기기데이터 (Non-IP Device Data: NIDD) 교환기능을지원한다 [4]. [ 표 1] OMA-DM과 LWM2M 비교 구분 OMA-DM 1.x LWM2M 기기관리 규격화및확정적 규격화작업및확장중 펌웨어업데이트 부분적표준화 부분적표준화및영역확장중 유연성 고성능기기에한정적 다양한범위의기기지원 제한적성능의기기지원 미지원 지원 IoT 기능지원 고성능기기에한정적 경량기기에도적용가능 서비스레벨표준화 없음 IRTF를중심으로 OCF, W3C WoT 등으로표준화영역확장 표준화그룹 GSMA, 3GPP GSMA, IETF, IRTF, one M2M, IPSO 등 20 www.iitp.kr
다. [ 표 1] 은기존모바일기기관리를위한 OMA-DM 과 LWM2M 의차이를비교한것이 나. SNMP v3 전력망을구축하는각종장비들에대한성능, 구성, 장애, 보안등의관리를위한네트워크관리시스템의프로토콜로사용되는 SNMP는 Manager( 관리자 ), Agent( 에이전트 ), MIB(Management Information Base, 관리정보기반 ) 등으로구성된다. 관리자는전력공급자망의서버에서실행되며, 에이전트는네트워크에연결된기기에서실행된다. MIB란객체 (Object) 와유사한용어로설명될수있는데, 기기내부의각종속성, 설정값등을의미한다. 네트워크에설치된모뎀설비에서 MIB의예를들면모뎀에할당된 IP주소, MAC 주소, 제조일련번호, 통신신호세기등이있다. SNMP 에이전트는데이터집중장치와수용가 ( 가정혹은공장등 ) 에설치된설비등에서운영되는소프트웨어형태로서, 모뎀과연결된전력량계의등록, 각종설정변경, 모뎀신호의중계경로 (Repeating path), 상태모니터링, 유무선통신망의품질측정, 원격소프트웨어업그레이드등의기능수행을담당한다. SNMP v3는사용자보안모델 (User Security Model: USM) 과뷰-기반접근제어 (View-Based Access Control Model: VACM) 를정의한다. USM은 SNMP에인증과 (IETF SNMPv3 참조 ) [ 그림 2] SNMP v3 아키텍처 정보통신기획평가원 21
주간기술동향 2019. 10. 9. 기밀성서비스를제공하는데, 이를위해기밀키와인증키가사용된다 [5]. 뷰-기반접근제어는관리되는객체 (MIB) 에대해원격주체로부터의접근허가여부를결정하는메커니즘을정의하고있으며, 이를위해그룹, 보안레벨, 컨텍스트, MIB 뷰, 접근정책등으로구성된다. 다. ARM MBed OS 고사양모바일기기부터저전력 MCU(Micro Controller Unit) 까지다양한제품군을중심으로영역을넓혀가고있는 ARM은 IoT 기기용으로활용될수있는오픈플랫폼으로실시간운영체제인 MBed OS를발표했고 [6], ARM 개발자들에게 IoT 제품개발이빠르게이루어질수있도록다양한컴포넌트를제공함으로써임베디드생태계를확장시켜나가고있다. 최근에발표한 MBed OS버전에는 LTE(Long-Term Evolution) 기반의협대역통신방식인 NB-IoT(Narrow Band-IoT), Cat-M1 기반프로토콜을포함하여블루투스, Wi-Fi, LoRa 등의연결성 (Connectivity) 을제공하며, AMI 2.0에서도입되는 IoT-PLC 와 Wi-SUN(Wireless Smart Utility Network) 에대한연결성을도입할계획이다. [ 그림 3] ARM 기반 AMI 2.0 기기블록다이어그램 ARM은 AMI 2.0을통해각종통신용모뎀, 지능형데이터처리장치등에 MBed OS 등의실시간운영체제를탑재하면서각종다양한전력서비스를지원하기위해지난 2018년한국전력과개방형 AMI 과제협력계약을체결했으며, 2021년까지높은보안성을갖는 AMI용 SoC( 시스템반도체 ) 및기기관리를위한솔루션개발을목표로하고있다. 22 www.iitp.kr
2. 보안강화형스마트전력량계 전력량계는사용전압에따라고압용, 저압용으로나뉘고, 외부와통신할수있는모뎀과의결합형태에따라 IrDA(Infrared Data Association) 를사용하는표준형, 외장형모뎀연결방식의 E-type, 규격화된통신용모뎀내장이가능한 G-type 및 Advanced E-type으로구분된다 [7]. 전력사용량에따른알루미늄원판의회전수를이용하여유효전력량만을측정할수있었던기존의아날로그전력량계는검침원의수기검침으로만전력량이집계되었으나, 현재는여러형태의통신기술을기반으로자동검침이가능한전력량계로교체되고있다. 현재운용되는 AMI 시스템에서보안성의강화가요구되는부분은전력소비자측에설치되는전력량계와통신모뎀구간과계기에탑재되는펌웨어업데이트부분이다. 보안강화형전력량계는인증서및 PKI(Public Key Infrastructure) 구조를통해인증되지않은계기가전력망에접속할수있는가능성을차단하고, 전력량계와모뎀간데이터교환규격인 DLMS(Device Language Message Specification) 프로토콜에서의보안상위규격인 HLS(High Level Security) 를채택하였다. [ 그림 4] 보안강화형전력량계 또한, 계량시스템이나추후개정될수있는각종규격의반영이가능하도록전력량계 펌웨어업그레이드를지원하며, 이때펌웨어의무결성검증을통해인증받지않은펌웨 어의설치로인해오작동할수있는보안위협을최소화한다. 정보통신기획평가원 23
주간기술동향 2019. 10. 9. 3. 유무선통신기술 현재구축되어운용중에있거나 AMI 2.0 을통해활용할유무선통신기술의형태는 [ 표 2] 와같다. 기존형태에서전력선통신방식으로 IoT-PLC 기술과유선 CAN(Controller Area Network) 통신이별도로추가되었다. [ 표 2] 지능형전력인프라 (AMI) 에활용중이거나 AMI 2.0 을통해활용할유무선통신기술 구분 전력선통신기술 유선 CAN (Controller Area Network) 유선 RS485 무선 Wi-SUN (Wireless Smart Utility Network) 무선 Zigbee PRO 무선 LTE 주요내용 전력량계와데이터집중장치구간을연결하는통신방식 1. HS-PLC: 기존가공형태로구축된한국형전력선통신기술 2. HPGP: 기존지중형태로구축된미국방식전력선통신기술 3. IoT-PLC: AMI 2.0 에서채용되는장거리전송및감쇄가심한지중에서도효과적활용이가능한전력선통신기술 [1] 통신모뎀과다수개의전력량계간을연결하는통신방식 - CSMA/NBA ID 기반우선순위다중동시접속방식 (CSMA/NBA: Carrier Sense Multiple Access with Non-destructive Bitwise Arbitration) - ISO11898-2 PHY/CAN 2.0B 확장 ID 모드사용 - 통신속도 : 500kbps, 250kbps, 125kbps 통신모뎀과다수개의전력량계간연결시 ( 충돌이미고려된네트워크 ) 활용 - 통신속도 : 115.2kbps( 기존 9.6Kbps, 38.4Kbps) - 다중접속관련규격에대한논의중 전력량계와데이터집중장치구간을연결하는통신방식 - IEEE 802.15.4-2015 SUN 규격기반무선통신기술 [8],[11] - PHY: SUN-2FSK, 917~923.5MHz, 940MHz 대역, 데이터집중장치의경우최대 200mW 까지전력증대가능 - MAC: CSMA/CA or TSCH(Time Slotted Channel Hopping) - 메시형태의토폴로지지원 전력량계와데이터집중장치구간을연결하는통신방식 - IEEE 802.15.4 LR-WPAN 기반 PHY, MAC 을기반으로네트워크계층및응용계층객체, 프로파일등을지원하며, 기존 Zigbee 기술에서보안성을강화함 - AMI2.0 에서는활용되지않음 전력량계와전력공급자의검침용플랫폼구간혹은데이터집중장치와 FEP 서버구간을연결하는통신방식 - 3GPP Release 8 이상의규격을만족하는이동통신규격 - Cat.1 혹은 Cat.M1 급이상의통신속도지원 (10Mbps~1Mbps) - 전송데이터의양이적을경우 NB-IoT 기술도활용가능 ( 약 160Kbps) < 자료 > 아이앤씨테크놀로지작성 24 www.iitp.kr
III. 차세대전력선통신 IoT PLC 1. 등장배경 전력선은전력에너지를전달하기위한매체이지만이러한매체를이용하여양방향정보교환을목적으로도입된기술이전력선통신기술이다. 2017년부터구축중인지능형검침인프라 (AMI) 통신기술에서가장높은비율을차지하는것은한국형고속전력선통신 (KS-PLC, ISO/IEC-12139) 방식으로서, 포설된전력선이가공 ( 架空, Overhead Wire) 형태일경우에활용되고있다. 전력선이지중에매설될경우대지가용량성리액턴스로작용하여통신을위한전송로가저역통과필터 (Low Pass Filter: LPF) 와유사한특성을갖게되므로, 높은주파수영역성분신호의감쇄로인해원활한통신이어렵게된다 [10]. [ 그림 5] 가공 / 지중구간통과에따른전력선신호특성 이를극복하기위한대안으로무선통신기술인 Wi-SUN(IEEE 802.15.4-2015 SUN) 통신설비를구축하거나, 외산전력선통신기술인 IEEE 1901 기반의 HPGP(Home Plug Green PHY) 통신설비를활용해왔다 [8],[9]. IoT-PLC는지중구간에서발생하는고주파신호영역감쇄에효과적으로대응할수있을뿐만아니라, 기존의전력선통신방식에서의거리로인한성능제한을상당부분극복할수있도록물리계층, 매체접속제어계층기술을정의하고있다. 정보통신기획평가원 25
주간기술동향 2019. 10. 9. 2. 물리계층 (PHY) 기술 IoT-PLC 는변복조방식으로직교주파수분할다중 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 방식을사용하고, 이용대역폭은 2~31.25MHz 이다. [ 표 3] IoT-PLC 의물리계층 (OFDM) 규격 항목 ( 짧은심볼 / 긴심볼 ) 신호대역폭 샘플링주파수 짧은심볼 (Preamble Frame) 긴심볼 (Reference Training Symbol/ Control Frame/Data Frame) 샘플시간 ( μs ) 샘플시간 ( μs ) 2~31.25MHz 62.5MHz 부반송파간격 (SCS) 97.656KHz 24.414KHz IFFT 간격 (FFT_S/FFT_L) 640 10.24 2560 40.96 보호대역간격 (GI_S/GI_L) 140 2.24 624 9.984 롤오프간격 (Roll-off linterval) 20 0.32 320 5.12 순환전치부간격 (CP Length) 160 2.56 944 15.104 순환후치부간격 (CS) 0 0 336 5.376 심볼길이 (Symbol duration) 780 12.48 3520 56.32 OFDM 심볼에는짧은심볼 (Short Symbol) 과긴심볼 (Long Symbol) 로나눌수있는데, 짧은심볼은프리앰블전송시사용되며, 긴심볼은참조훈련 (Reference Training) 심볼, 제어프레임및데이터프레임을전송하는데사용된다. OFDM 심볼간간섭 (Inter Symbol Interference: ISI) 을제거하기위해 944샘플의순환전치 (Cyclic Prefix: CP) 와 336샘플의순환후치 (Cyclic Suffix: CS) 를합한 1,280 샘플의순환확장 (Cyclic Extension: CE) 을사용하며, 320샘플의상승코사인윈도 (Raised Cosine Window) 를사용하여스펙트럼특성을개선했다 [1]. 기존에사용되었던 HS-PLC의경우비동기식 (Non-Coherent) 변조방식인 DBPSK (Differential Binary Phase-Shift Keying), DQPSK(Differential Quadrature PSK), D8PSK(Differential 8-PSK) 등을지원하면서모뎀의단순화, 소형화등경제성쪽에중심을두었다면, IoT-PLC의경우비동기식및동기식 (Coherent) 변조를지원하면서, 26 www.iitp.kr
[ 그림 6] IoT-PLC 통신방식에서의오류제어 채널환경이양호한경우 QPSK, 16QAM(16 Quadrature Amplitude Modulation) 등의고차변조를지원하여대역폭이용효율을높일수있다. 전송채널상에서발생할수있는오류에대한대책으로, 컨볼루셔널터보코드 (Convolutional Turbo Code: CTC) 방식의채널부호화방식을채용했고, 전송데이터순서의재배치를통해채널의연속오류 (Burst Error) 에의한데이터손실이집중되는것을분산시키는채널인터리버를사용하고있다. 여기에다이버시티매퍼 (Diversity Mapper) 를통해전송프레임을반복 (Repetition) 하여전송함으로써수신측에서의신뢰성을향상시키고자하였다. 3. 매체접속제어 (MAC) 기술 MAC(Media Access Control) 은상위링크계층으로의논리적인터페이스를제공하며, 하위 PHY의물리적매체사용을제어하는기능을제공하여 IoT-PLC 기기간의통신을가능하게하는역할을한다. IoT-PLC의장치종류에는 IEEE 802.11에서의용어와유사한액세스포인트 (AP) 와스테이션 (STA) 두가지가있으며, AP는 STA들과연결성을제공하고외부네트워크와의접속점 ( 게이트웨이 ) 역할을한다. STA이요청할경우 AP는비컨프레임을전송하여접속할수있는기반을제공한다 [1],[8]. 매체공유방식으로는반송파감지다중접속 / 충돌회피 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance: CSMA/CA) 방식을기본적으로사용하고, 가상반송파감지, 중복프레임감지, 재전송, 충돌감지, 복구등의기능을제공한다. 프레임전송시에는암호화된형태로전송되어야하며사용되는암호화방식은 AES(Advanced Encryption 정보통신기획평가원 27
주간기술동향 2019. 10. 9. Standard) 128-GCM(Galois/Counter Mode) 또는 ARIA(Academy, Research Institute, Agency) 128-GCM 모드가사용된다. IoT의특성인비교적짧은길이의데이터를보내기에적합하도록페이로드길이를 360 바이트로제한하고있으며, 이는하나의노드가데이터전송시요구되는공유채널점유시간을최소화하기위한목적이다. [ 표 4] 에서는한국형고속 PLC와 IoT-PLC 간의물리계층및 MAC 계층에서의각종특성들에대해비교하고있다. [ 표 4] KS-PLC와 IoT-PLC의규격비교 구분 KS-PLC IoT-PLC 규격 ISO/IEC 12139-1 KOEMA-0915( 단체표준 ) 변조방식 DMT(Discrete Multi Tone) OFDM 심볼길이 (CP 제외 ) 10.24us 40.96us 주파수오프셋및데이터전송률 사용대역폭및데이터전송률 미지원 (Non-coherent 방식 ) 2.15~23.15MHz 최대 24Mbps 지원 (Coherent 방식 ) 2~31.25MHz 최대 14Mbps 디지털변조 DBSPK, DQPSK, D8PSK BPSK, QPSK, QAM 수신감도약 -80dBm 약 95dBm 매체공유방식 CSMA/CA CSMA/CA (IEEE 802.15.4 표준기반 ) 프레임길이 1,600bytes 이상 360bytes 프로토콜프로파일이더넷 (IEEE 802.3) 6LowPAN/IPv6/UDP 보안 AES128 CTR AES128/ARIA128 CTR/GCM MAC 프레임종류 Management/Data/Ack Beacon/Control/Command/Data IV. 결론 지금까지 AMI 2.0 이라는패러다임에포함되는플랫폼과각종설비에포함되는각종 실시간운영체제, 보안강화형전력량계및차세대전력선통신기술인 IoT-PLC 에대해 28 www.iitp.kr
살펴보았다. AMI 2.0을통해얻을수있는기대효과는산업측면, 소비자측면, 전력시스템측면으로구분해서볼수있다. 산업측면에서는새로운플랫폼과다양한기술의수용을통해서일어나는융복합으로새로운사업기회를만들어낼수있고, 이는양질의일자리창출로이어질수있다. 소비자측면에서는전력 ICT 기반시스템의안정적운영을통해정확한전력사용정보를제공받아보다효율적이고합리적인전력소비를가능하게한다. 마지막으로전력시스템측면에서는기구축된시스템과의효율적운영을통해전체적인운영비용을낮추면서, 전력수급변동에유연하게대응할수있다 [12]. [ 참고문헌 ] [1] 한국전기산업진흥회, 사물인터넷 (IoT) 을위한전력선통신매체접근제어 (MAC) 및물리계층 (PHY) 일반요구사항, SPS-KOEMA 0915, 2018, p.89. [2] OMA LWM2M v1.1 Specification, Open Mobile Alliance, 2019, p.31. [3] Sergey Slovetskiy, Poornima Magadevan, OMA LWM2M White Paper, 2018, p.21. [4] 오승훈, 고석갑, 손승철, 이병탁, 김영선, 이동통신기반 IoT 장치관리표준프로토콜동향, 한국전자통신연구원, 전자통신동향분석, Vol.30 No.1, 2015, p.8. [5] D. Levi, P. Meyer, B. Stewart, SNMP v3, RFC 2263, RFC 2264, RFC 2265, IETF, 1998. [6] Mihail Stoyanov, Introduction to mbed OS, ARM, 2016, p.31. [7] KEPCO, 전자조달시스템 -구매규격 -저압 AMI시스템구축용통신자재, 2019. [8] IEEE Standard for Low-Rate Wireless Networks 802.15.4-2015 [9] 안선종, 전기자동차충전시스템을위한 HS-PLC 방식 SLAC 구현에대한연구, 학위 ( 석사 ) 논문, 2016, p.37. [10] 박배영, IoT 게이트웨이로서의데이터집중장치 (DCU), 정보통신기술센터, 주간기술동향 1804호 2017, p.12. [11] 박배영, Wi-SUN 프로토콜및활용동향, 정보통신기획평가원, 주간기술동향 1864호 2018, p.12. [12] 산업통상자원부, 제2차지능형전력망기본계획 (2018~2022), 산업통상자원부공고제2018-432 호, 2018, p.23. 정보통신기획평가원 29