Medium Access Control Protocols for Power Line Communication: A Survey

1. 서론

PLC(Power Line Communication)는 기존 전력망 인프라를 통신 매체로 재활용하는 기술로, 배선 공사 없이도 데이터 통신망을 구축할 수 있다는 점에서 경제성과 설치 용이성을 동시에 갖춘 솔루션이다. 전력선은 이미 모든 가정, 산업 현장, 차량 내에 설치되어 있으므로 초기 인프라 구축 비용이 거의 들지 않으며, 특히 스마트 그리드나 스마트 빌딩, 차량 네트워크처럼 새로운 케이블 배선이 어렵거나 비효율적인 환경에서 매력적인 선택지로 떠오른다.

그러나 전력선은 본래 데이터 통신을 위한 설계가 아니었기 때문에, 통신 품질 측면에서 고유한 한계를 가진다. 저자는 다음과 같은 핵심적인 문제를 지적한다.

세부 포인트

1. 다양한 잡음 요인 - 전력선에는 전기기기의 동작, 전력 부하 변동, 스위칭 과정 등에서 유발되는 배경 잡음과 충격성 잡음이 존재한다. 이러한 잡음은 신호 대 잡음비(SNR)를 악화시키고, 데이터 오류율을 높여 재전송을 유발하며, 전송 지연을 가중시킨다.
2. 채널 특성의 불안정성 - 전력선의 임피던스는 시간, 부하, 온도 등에 따라 변화하며, 주파수 특성 또한 일정하지 않다. 그 결과 채널 주파수 응답이 왜곡되고, 전송 품질이 시간에 따라 달라진다.
3. QoS 보장의 어려움 - PLC 네트워크는 실시간 제어 신호(예: 차량 제동 명령), 대용량 멀티미디어 데이터, 비실시간 센서 데이터가 동시에 존재하는 환경이다. 이처럼 트래픽 특성이 상이한 데이터가 혼재할 경우, 각기 다른 QoS 요구사항 (지연, 처리량, 신뢰성)을 충족시키는 MAC 설계가 필수적이다.

저자의 기본적인 시각은 물리 계층에서의 신호 개선만으로는 PLC의 QoS문제를 해결할 수 없다는 것이다. 대신, MAC 계층 설계가 PLC의 안정성과 효율성을 좌우하는 결정적 요소이며, 채널 접근 방식을 최적화여 충돌을 최소화하고, 실시간 트래픽에 대한 예측 가능성을 확보한는 것이 핵심 전ㄹ략이라고 제시한다. 

 

2. PLC  시스템 개요

PLC는 주파수 대역폭과 응용 분야에 따라 크게 협대역(NB-PLC)과 광대역(BB-PLC)으로 구분된다. 이 두 방식은 채널 특성, 전송 속도, 적용 분야에서 뚜렷한 차이를 보이며, MAC 프로토콜 설계의 방향에도 직접적인 영향을 미치ㅣㄴ다.

세부 포인트

1. 협대역 PLC(NB-PLC)
   • 주파수 범위: 수 kHz ~ 수백 kHz
   • 장점: 긴 전송 거리, 높은 신뢰성, 강한 잡음 내성
   • 단점: 데이터 전송 속도가 낮음
   • 응용 분야: 스마트 미터링, 배전망 감시, 저속 센서 네트워크
   • MAC 설계 관점: 에너지 효율과 충돌 최소화가 우선, 지연 허용 범위가 비교적 넓음
2. 광대역 PLC(BB-PLLC)
   • 주파수 범위: 수 MHz ~ 수십 MHz
   • 장점: 고속 데이터 전송(수백 Mbps 가능), 대역폭 확장성
   • 단점: 잡음과 채널 감쇠 영향이 크고, 전송 거리가 짧음
   • 응용 분야: 가정 내 멀티미디어 스트리밍, 차량 인포테인먼트
   • MAC 설계 관점: QoS 보장, 지연 최소화, 고속 채널 활용 최적화가 핵심
3. MAC 설계 공통 고려사항
   • 채널 상태와 트래픽 부하 변화에 대응할 수 있는 적응형 접근 전략 필요
   • 실시간 서비스와 비실시간 서비스를 효율적으로 공존시키는 자원 관리 구조 필요
   • 표준 기반 시스템과의 호환성을 고려하여 설계해야 함

저자는 NB-PLC와 BB-PLC의 특성을 구분해 MAC을 설계하는 것이 필수라고 강조하며, 일률적인 MAC 설계는 성능 저하로 이어질 수 있다는 점을 경고한다. 

 

3. 표준 기반 MAC 프로토콜

표준 기반 MAC 프로토콜은 상호운용성과 산업 적용성 측면에서 강점을 가진다. 특히 PLC 시장의 주요 표준으로는 HomePlug 시리즈, IEEE 1901, ITU-T G.hn 계열이 있으며, 이들은 모두 각기 다른 접근 방식과 장단점을 가진다. 

세부 포인트

1. HomePlug 시리즈
   • HomePlug 1.0에서 AV, AV2로 발전하면서 대역폭과 QoS 기능이 향상
   • 접근 방식: CSMA/CA 기반 경쟁 접근 + TDMA 기반 예약 접근 혼합
   • 장점: 다양한 트래픽 지원, QoS 보장 가능
   • 단점: 노드 수 증가 시 경쟁 구간에서 충돌 확률 증가
2. IEEE 1901
   • BB-PLC 표준, HomePlug AV와 유사한 MAC 구조 채택
   • ISP(Inter-System Protocol)로 다중 PLC 시스템 간 간섭 완화
   • 장점: 대규모 네트워크에서도 안정적인 동작
   • 단점: 설계 복잡도와 구현 비용 상승
3. ITU-T G.hn / G.hnem
   • 멀티매체 지원(전력선, 전화선, 동축케이블)
   • TDMA 기반의 예측 가능한 지연 제공
   • 실시간 트래픽 처리에 적합

저자는 이들 표준이 다양한 환경을 포괄하지만, 채널 상태 변화에 대한 실시간 대응성 부족이라는 한계를 지닌다고 분석한다. 

랜덤 

4. 비표준 및 특화 MAC 프로토콜

비표준 MAC은 특정 환경에 특화된 솔루션을 구현할 수 있다는 장점이 있지만, 상호운용성 측면에서는 약점이 될 수 있다.

세부포인트

1. CSMA 변형 방식
   • 랜덤 백오프, 우선순위 큐잉 등 다양한 변형 가능
   • 장점: 단순 구현, 부하 적은 환경에서 효율적
   • 단점: 고부하 환경에서 지연 변동이 크고 안전성 낮음
2. TDMA 변형 방식
   • 슬롯 크기, 순서를 채널 잡음 패턴에 맞게 최적화
   • 장점: 지연 예측 가능, 실시간 서비스 적합
   • 단점: 유연성 낮음, 트래픽 변화 대응 어려움
3.  하이브리드 방식
   • CSMA와 TDMA를 혼합해 상황에 따라 접근 방식 전환
   • 장점: 다양한 트래픽 혼합 환경에서 균형적 성능
   • 단점: 동기화와 설계 복잡성 증가

저자는 하이브리드 MAC이 PLC 환경의 다양한 트래픽 특성에 가장 적합한 접근이라고 결론 짓는다. 

5. 설계 고려사항

PLC 환경에서 MAC 프로토콜을 설계할 때는 물리 계층 특성과 응용 계층 요구사항을 모두 반영해야 한다. 이는 단순히 패킷을 전송하는 문제를 넘어, 채널 접근 제어, 충돌 회피, 시간 동기화, QoS 보장 등 다양한 기능을 통합적으로 조율하는 과제다. 저자는 PLC MAC 설계 시 고려해야 할 요소를 크게 다섯 가지로 구분한다.

세부 포인트

1. 채널 특성 반영
   • PLC 채널은 시간과 주파수에 따라 변동하며, 다양한 잡음 유형이 혼재한다. 
   • 주기성 잡음(Periodic Noise), 충격성 잡음(Impulsive Noise), 배경 잡음(Background Noise) 각각에 대응하는 설계가 필요하다.
   • 임피던스 변화에 따라 신호 반사가 발생하므로, 재전송 정책과 오류 정정 방식이 MAC 계층에도 영향을 미친다.
2. 트래픽 유형별 대응
   • 실시간 제어 데이터: 짧은 지연, 높은 신뢰성이 필수
   • 멀티미디어 스트리밍: 일정 대역폭과 낮은 지연 변동이 필요
   • 비실시간 데이터: 지연에 덜 민감하지만 신뢰성 확보 필요
   • 이를 위해 MAC은 트래픽은 분류하고 우선순위를 다르게 부여하는 기능이 요구된다.
3. QoS 요구 충족
   • PLC 응용에 따라 지연(latency), 처리량(throughput), 신뢰성(reliability) 요구가 달라진다.
   • MAC 프로토콜은 이러한 다양한 요구를 동시에 만족시켜야 하며, 이를 위해 TDMA와 CSMA 혼합, 동적 슬롯 할당, 우선순위 큐잉 등의 기법이 활용된다. 
4. 확장성 확보
   • PLC 네트워크는 가정 내 소규모에서부터 수백, 수천 노드 규모의 스마트 그리드까지 확장 가능하다.
   • MAC은 네트워크 규모 변화에 따른 성능 저하를 최소화하도록 설계되어야 한다. 
5. 표준 호환성
   • 기존 PLC 표준(HomePlug, IEEE 1901 등)뿐 아니라, CAN, Ethernet, Wi-Fi 등 이종 네트워크와 연동 가능해야 한다.
   • 이는 차량, 산업 환경에서 특히 중요하다.

저자는 설계 고려사항을 종합적으로 반영하지 않으면, 특정 상황에서는 성능이 우수하더라도 실환경에서 안정성이 크게 저하될 수 있다고 경고한다. 특히, 채널 특성과 트래픽 특성을 동시에 반영한 적응형 MAC 설계가 필수적이라고 본다. 

 

6. 비교 분석

논문은 표준 기반, 비표준 기반, 하이브리드 기반 MAC 프로토콜을 다각도로 비교 분석한다. 비교 항목은 성능, 지연, 확장성, QoS 지원, 설계 복잡도 등이다.

세부 포인ㄴ트

1. HomePlug AV
   • 강점: 멀티미디어 트래픽 지원, QoS 기능
   • 약점: 고부하 환경에서 경쟁 구간 충돌 증가 -> 지연 및 처리량 저하
2. IEEE 1901
   • 강점: 대규모 네크워크에서 안정성 유지, ISP로 간섭 완화
   • 약점: MAC 구조가 복잡하고 구현 비용이 높음
3. CSMA 변형
   • 강점: 구현 용이, 저부하 환경 효율 높음
   • 약점: 부하 증가 시 성능 급감, 지연 예측 불가
4. TDMA 변형
   • 강점: 지연 예측 가능, 실시간성 확보
   • 약점: 트래픽 변화 대응 어려움, 슬롯 낭비 발생 가능
5. 하이브리드 방식
   • 강점: 다양한 트래픽 혼합 환경에서 균형적 성능 제공
   • 약점: 동기화 필요, 설계 복잡성 증가

저자는 단일 접근 방식(CSMA 또는 TDMA)보다는 하이브리드 방식이 실제 환경에서 성능과 안정성을 모두 확보할 가능성이 높다고 평가한다. 특히, 향후에는 하이브리드 구조에 실시간 적응 기능을 결합하는 것이 유망하다고 제시한다.

7. 향후 연구 방향

저자는 향후 PLC MAC 연구가 나아가야 할 방향을 다섯 가지로 제시한다.

세부 포인트

1. 적응형 MAC 설계
   • 채널 상태, 트래픽 부하 변화에 따라 CFP(예약 구간)와 CBP(경쟁 구간) 비율을 동적으로 조정
   • 실시간 제어 트래픽과 비실시간 트래픽을 효율적으로 혼합 처리
2. 에너지 효율 최적화
   • NB-PLC 기반 스마트 미러링, IoT 기기 등에 저전력 모드 지원 필요
   • 슬립 모드, 저전력 경쟁 방식 적용
3. 보안 강화
   • PLC의 브로드캐스트 특성으로 인한 도청, 변조 위험 대응
   • MAC 계층에서 인증, 암호화 무결성 검증 기능 포함
4. V2G(Vehicle-to-Grid) 통신 최적화
   • 전기차 충전, 방전 제어 시 저지연, 고신뢰 통신 보장
   • 차량-그리드 간 실시간 데이터 교환을 위한 전용 MAC 구조 연구
5. AI 기반 자원 할당
   • 머신러닝을 활용해 트래픽 패턴 예측, 채널 상태 예측
   • 예측 기반의 슬롯, 채널 할당으로 효율 극대화

저자는 특히 AI 기반 MAC 설계가 PLC 발전의 핵심이 될 수 있다고 전망하며, 이는 복잡한 채널 특성과 비정형 트래픽 패턴을 실시간으로 처리하는데 큰 도움을 줄 수 있다고 본다. 

 

8. 결론

PLC는 기존 전력선을 활용해 저비용, 고유연성의 통신망을 구축할 수 있는 잠재력이 크다. 그러나 채널 품질의 불안정성, 다양한 잡음, 트래픽 혼합 환경이라는 복합적인 문제로 인해 MAC 계층 설계가 PLC 성능의 핵심이 된다.

저자는 기존 표준과 비표준 MAC의 장단점을 종합 분석하며, 향후에는 하이브리드 기반 + 적응형 구조 + AI 지원이 결합된 MAC이 필요하다고 결론짓는다. 또한, 표준 호환성을 유지하면서도 환경 변화에 대응할 수 있는 설계가 필수이며, 보안, 에너지 효율성 강화 역시 빼놓을 수 없는 과제라고 강조한다. 

 

REF

G. M. de Oliveira, M. V. Ribeiro, and C. A. Duque, "Medium Access Control Protocols for Power Line Communication: A Survey," Journal of Communication and Information Systems, vol. 34, no. 1, pp. 84–99, Jan. 2019, doi: 10.14209/jcis.2019.12.