Priority Inversion Prevention Scheme for PLC Vehicle-to-Grid Communications Under the Hidden Station Problem

느낀점

본 논문은 PLC(전력선 통신)를 이용한 V2G(차량-전력망) 통신에서 발생하는 우선순위 역전 문제를 다룬다. ISO/IEC 15118 표준 기술인 HomePlug Green PHY는 전기차 충전 트래픽에 높은 우선 순위를 부여하지만, 숨겨진 스테이션 문제로 인해 이 우선순위 체계가 제대로 작동하지 않아 데이터 지연 및 손실이 발생할 수 있다. 본 연구는 이러한 문제의 발생 확률을 분석하고, 수신기 감도를 조절하여 우선순위 역전을 방지하는 새로운 방안을 제안한다. 시뮬레이션 결과, 제안된 방식이 우선순위 역전을 해결할 뿐만 아니라 전체적인 네트워크 성능을 향상시키는 것으로 나타났다.

 

Problem Statement

본 논문은 전기차(EV) 충전 인프라와 전력망을 연결하는 Vehicle-to-Grid(V2G) 통신에서 우선순위 역전(Priority Inversion) 문제를 다룬다. 국제 표준 ISO/IEC 15118은 EV와 전기차 충전기(EVSE) 간 통신에 전력선 통신(PLC), 특히 HomePlug Green PHY(GP)를 규정한다. 이 프로토콜은 MAC 계층에서 우선순위 해석(Priority Resolution, PR)기능을 통해 EV 충전 트래픽(CAP2 이상)에 높은 우선순위를 보장한다. 그러나 숨은 단말(Hidden Station) 이 존재하는 상황에서는 PR 메커니즘이 의도대로 작동하지 않아, 저우선순위 트래픽이 고우선순위 트래픽보다 먼저 전송되는 우선순위 역전 현상이 발생한다. 이는 EV 충저 제어 메시지의 지연을 유발하고, 심할 경우 패킷 손실 및 재전송으로 인해 수 초 단위의 지연이 발생할 수 있다. 즉, 기존 HomePlug GP 표준만으로는 V2G의 신뢰성과 저지연 요구사항을 만족시키기 어렵다는 것이 문제 정의이다.

• V2G 통신 및 우선순위의 필요성:
  • 전기차(EV)는 스마트 그리드의 중요한 애플리케이션으로, V2G 통신 및 충전 인프라가 필수적이다.
  • ISO/IEC 15118 국제 표준은 PLC를 통해 V2G 통신 인터페이스를 정의한다.
  • HomePlug Green PHY(GP)는 ISO/IEC 15118에 명시된 V2G 통신을 위한 표준 PLC 기술 중 하나이다.
  • EV 충전 트래픽은 신뢰성과 지연 성능을 향상시키기 위해 일반 트래픽보다 높은 우선순위를 가져야 한다. HomePlug GP의 MAC(미디어 접근 제어) 계층은 이를 위해 4가지 우선순위 클래스(CAP)와 우선 순위 해결 방식을 제공한다.
• 우선순위 역전 문제(Priority Inversion Problem):
  • HomePlug GP의 우선순위 해결 방식은 완벽하지 않다. 충돌 발생 후에는 우선순위 해결이 제대로 작동하지 않아, 때로는 낮은 우선순위 패킷이 높은 우선순위 패킷보다 먼저 전달되는 문제가 발생한다.
  • 이러한 현상을 '우선순위 역전 문제'라고 하며, 이로인해 높은 우선순위 패킷은 지연이 증가하거나 손실될 수 있다.
  • 이 문제는 특히 노높은 우선순위 스테이션에 대해 숨겨진 스테이션(Hidden Station)이 존재할 때 더욱 심화된다.
• 숨겨진 스테이션 문제 (Hidden Station Problem):
  • 숨겨진 스테이션은 통신 네트워크에서 다른 스테이션의 전송 범위 밖에 있는 스테이션을 의미한다. 즉, 한 스테이션이 매체가 유휴 상태라고 감지하더라도, 다른 스테이션은 두 스테이션이 다른 위치에 있어 매체가 사용 중이라고 감지할 수 있다.
  • EV 충전 시나리오에서는, EV(STA 1)와 스마트 미터(EVSE, STA 2)가 높은 우선순위 스테이션인데, 서비스 패널(전기 배전반)을 통과하는 PLC 신호의 감쇠(50dB)로 인해 집안의 특정 위치에 닜는 스테이션(예: STA N)은 EV의 신호를 디코딩할 수 없다.
  • 따라서 EV(STA 1)와 숨겨진 스테이션(STA N)은 서로에게 숨겨진 관계가 된다.
• 문제의 결합 및 발생 메카니즘:
  • 숨겨진 스테이션(STA N)은 높은 우선순위 스테이션(STA 1)의 PRS0(우선순위 해결 슬롯) 신호를 감지할 수 없기 때문에, STA N은 채널 접근에 참여하게 된다.
  • 그 결과, STA 1과 STA N 사이에 충돌이 발생하고, 이 충돌 후에는 모든 스테이션이 경쟁에 참여하게 된다.
  • 이러한 상황에서 낮은 우선순위 스테이션이 가장 작은 백오프 카운터(BC)를 선택하여 패킷을 성공적으로 전송할 수 있으며, 이는 우선순위 역전으로 이어진다.
  • 이 문제로 인해 높은 우선순위 패킷의 지연이 증가하거나, 심한 경우 연속적인 충돌로 인해 패킷이 드롭될 수 있다. MAC 계층에서 패킷이 드롭되면 TCP 재전송이 시작되어 몇 초의 심각한 지연이 발생할 수 있다. 
• 문제의 중요성 및 기존 연구와의 차이:
  • 우선순위 역전 문제는 WLAN(무선 LAN)과 같은 통신 접근 네트워크에서 고전적인 문제이지만, PLC의 우선순위 해결 방식은 WLAN과 다르기 때문에 PLC 네트워크에서 숨겨진 스테이션 문제 하의 우선순위 역전은 새롭게 조사되지 않은 문제이다. 
  • EV가 대중화되고 EVSE가 가정이나 충전소에 설치되면, EV 및 EVSE 트래픽이 높은 우선순위를 가지게 되므로 이 우선순위 역전 문제는 실질적인 문제가 될 것이다.

요약하자면, 이 논문의 'Problem Statement'는 HomePlug GP를 사용하는 V2G 통신에서 높은 우선순위의 EV 충전 트래픽이 숨겨진 스테이션의 존재로 인해 우선순위를 제대로 확보하지 못하고 지연되거나 손실되는 우선순위 역전 문제를 다루고 있다. 

Contribution

저자의 주요 기여는 크게 세 가지이다. 

1. 숨은 단말이 존재하는 PLC 네트워크에서의 우선순위 역전 확률을 처음으로 수학적 모델과 마르코프 체인을 이용해 정량적으로 분석했다. 기존 연구는 단순히 성능 저하를 시뮬레이션으로만 보여주었을 뿐, 역전 확률을 수학적으로 규명하지 못했다. 
2. 이를 기반으로 우선순위 역전 방지 기법을 제안했는데, 핵심은 우선 순위 해석 슬롯(PRS: Priority Resolution Slot)에서 송신 전력 또는 수신 감도(캐리어 감지 임계치)를 비대칭적으로 조정하여, 숨은 단말까지도 고우선순위 신호를 감지하도록 만드는 것이다. 
3. 제안 기법은 물리 계층 송신 전력 제한(전파 규제)을 고려하여, 캐리어 감지 임계치 조정 방식이 실질적으로 구현 가능한 해법임을 제시했다. 이로써 제안 기법은 EV 충전 트래픽뿐 아니라 저우선순위 트래픽의 성능까지 동반 개선시킨다.

 

• 숨겨진 스테이션 문제 하의 우선순위 역전 현상 분석 및 심각성 입증:
  • 논문은 PLC(전력선 통신) 기반 V2G 통신에서 높은 우선순위의 EV 충전 트래픽이 숨겨진 스테이션 문제로 인해 겪는 우선순위 역전 현상(Priority Inversion Problem)을 조사했다.
  • 특히, 이전에 WLAN(무선 LAN)에서 주로 다루어졌던 우선순위 역전 문제가 PLC 네트워크에서는 다른 우선순위 해결 방식 때문에 새로운 문제이며 제대로 조사되지 않았음을 지적하며, 이 문제의 심각성을 분석했다.
  • 수치 분석 및 광범위한 시뮬레이션을 통해 숨겨진 스테이션이 존재할 때 높은 우선순위 패킷의 지연 증가 및 패킷 손실 확률이 무시할 수 없는 수준임을 보여줬다. HomePlug GP 표준에서 높은 우선순위 패킷의 패킷 드롭 확률이 4.47%에 달하며, 이는 MAC 계층에서 패킷이 드롭될 경우 TCP 재전송으로 인해 심각한 지연(수 초)을 유발할 수 있음을 강조했다.
• 우선순위 역전 방지 스킴 제안:
  • 숨겨진 스테이션 문제로 인한 우선순위 역전 현상을 해결하기 위한 실용적인 방지 스킴을 제안했다.
  • 이 스킴의 핵심 아이디어는 두 개의 우선순위 해결 슬롯(PRS)에 대해 다른 전송 전력 또는 개리어 감지 임계값을 사용하는 것이다.
  • 특히, 수신기 감지 임계값을 조정하는 방식은 전자기 적합성 규정(electromagnetic compatibility regulation)을 위반하지 않으며, 펌웨어 업데이트를 통해 이미 설치된 PLC 스테이션에도 적용 가능하여 실용적이다.
• 제안된 스킴의 효과 및 성능 향상 입증:
  • 광범위한 시뮬레이션을 통해 제안된 스킴이 우선순위 역전 문제를 성공적으로 해결할 뿐만 아니라, 높은 우선순위 및 낮은 우선순위 패킷 모두의 성능을 향상시킨다는 것을 입증했다.
  • 높은 우선순위 패킷의 경우, 지연이 HomePlug GP 표준 대비 약 5배 감소하고, 패킷 드롭 확률이 0으로 줄어들어 우선순위 역전 문제가 완전히 해결됨을 보여주었다.
  • 낮은 우선순위 패킷의 경우에도, 지연 성능이 평균 64% 감소하고, 패킷 드롭 확률이 약 91% 감소하는 등 전반적인 네트워크 성능이 향상됨을 확인했다.
  • 제안된 스킴이 단순히 두 개의 우선순위 클래스뿐만 아니라 다양한 우선순위 클래스에도 적용 가능하며, PRS의 감지 범위를 확장하여 우선순위 해결 기능에 전혀 영향을 미치지 않음을 설명했다.

요약하자면, 이 논문은 PLC V2G 통신에서 숨겨진 스테이션으로 인한 우선순위 역전 문제의 새로운 관점을 제시하고, 이 문제의 심각성을 분석 및 입증했으며, 효율적이고 실용적인 해결책을 제안하고, 이를 통해 네트워크 전반의 성능을 크게 향상시켰다는 점이 핵심 기여 사항이다.

 

Mathematic Analysis

1. 사건 확률 합식

$$ p_{c,i}+p_{i,i}+p_{s,i}=1, \,\,\,\,\,\forall i \in [0,m]$$

• 수학적 해석: 백오프 단계 $i$에서 고우선순위 패킷은 충돌(collision), 역전(inversion), 성공(success) 중 하나에 속함. 세 확률의 합은 항상 1
• 저자 해석: 상태 공간을 완전하게 정의하는 기본 식. 이후 각 사건의 세부 확률을 도출하기 위한 출발점

2. 드롭, 역전, 성공 확률

$$P_{drop}=\prod_{j=0}^{m}p_{c,j}, \,\,\,\, P_{inversion}=\sum_{i=0}^{m}p_{i,i}\prod_{j=0}^{i-1}p_{c,j}, \,\,\,\, P_{success}=\sum_{i=0}^{m}p_{s,i}\prod_{j=0}^{i-1}p_{c,j}$$

• 수학적 해석:
  • $P_{drop}$: 모든 백오프 단계에서 충돌만 일어난 경우
  • $P_{inversion}$: 앞선 단계는 전부 충돌, $i$단계에서 역전이 발생한 경우의 누적 확률
  • $P_{success}$: 앞선 단계는 전부 충돌, $i$단계에서 성공한 경우의 누적 확률
• 저자 해석: 단순 충돌과 달리, 저우선순위가 실제로 채널을 점유하는 역전을 독립된 사건으로 정의한 점이 특징

3. 초기 단계 ( BPC0) 확률

$$p_{c,0}=\sum_{k=0}^{W_0}P[BC_1=k]\sum_{i=0}^{m}\sum_{j=0}^{\left \lceil T_{high}^{slot}\right \rceil+k-1}b_{i,j}$$

$$p_{s,0}=\sum_{k=0}^{W_0}P[BC_1=k]\sum_{i=0}^{m}\sum_{j=\left \lceil T_{high}^{slot}\right \rceil+k}^{W_i}b_{i,j}$$

$$p_{i,o}=1-p_{s,0}-p_{c,0}$$

• 수학적 해석:
  • $b_{i,j}$: 숨은 단말이 $i$번째 백오프 단계에서 카운터  $j$에 위치할 확률
  • $p_{c,0}$: 고우선순위 단말이 $k$를 선택했을 때, 숨은 단말이 더 작은 카운터를 택하면 충돌
  • $p_{s,0}$: 숨은 단말의 카운터가 충분히 크면 성공
  • $p_{i,0}$: 나머지 경우는 역전
• 저자 해석: 숨은 단말의 개입 때문에 초기 단계부터 충돌, 역전이 발생 -> 고우선순위 트래픽 지연 원인

4. 이후 단계 ( BPC i, i >= 1)의 성공 확률

$$p_{s,i}=\sum_{k=0}^{W_i}P[BC_1=k]\prod_{n=2}^{N-1}P[BC_n>k]\cdot P[BC_N \geq  k+\left \lceil T_{high}^{slot}\right \rceil]$$

• 수학적 해석:
  • 고우선순위 단말이 카운터 $k$를 선택
  • 다른 단말$(2~N-1)$은 모두 $k$보다 큰 카운터를 선택
  • 숨은 단말$(N)$은 $k+T_{high}$이상을 선택해야 성공
• 저자 해석: PR 실패 후에도 숨은 단말 조건 때문에 성공 확률이 낮게 유지된을 입증

5. 이후 단계 (BPC i, i >= 1)의 충돌 확률

$$p_{c,i}=\sum_{k=0}^{W_i}P[BC_1=k]\prod_{n=2}^{N-1}P[BC_n>k] \cdot P[k<BC_N<k+\left \lceil T_{high}^{slot}\right \rceil]$$

$$+\sum_{k=0}^{W_j}P[BC_N=k]\prod_{n=2}^{N-1}P[BC_n>k] \cdot P[k < BC_1 < k+ \left \lceil T_{low}^{slot}\right \rceil]$$

$$+P[two\,\,\,or\,\,\,more\,\,\,STAs\,\,\,transmit\,\,\,simultaneously]$$

• 수학적 해석: 
  • 첫 항: 고우선순위와 숨은 단말이 겹쳐 충돌
  • 둘째 항: 숨은 단말이 먼저 시작하여 고우선순위와 겹침
  • 마지막 항: 다수 단말 동시 전송 충돌
• 저자 해석: 숨은 단말 때문에 발생하는 비대칭 충돌을 별도로 정의, 단순 충돌 모델로는 설명 불가함을 수학적으로 입증

6. 이후 단계 (BPC i, i >= 1)의 역전 확률

$$p_{i,i}=1-p_{s,i}-p_{c,i}$$

• 수학적 해석: 성공, 충돌을 제외한 사건은 전부 역전
• 저자 해석: 결국 역전은 숨은 단말과의 상호작용에서 기인한다는 것을 정식화

7. 채널 감쇠 모델 (제안 기법 관리)

$$\mu (f,D)=(0.0034D + 1.0893)f+0.1295D$$

$$P_{rx,h}=P_{tx}- \mu(f,D)-SP_{loss}$$

• 수학적 해석:
  • 주파수 $f$, 거리 $D$에 따라 감쇠량 $\mu(f,D)$ 계산
  • 수신 전력은 송신 전력에서 감쇠와 추가 손실을 뺀 값
• 저자 해석: PR 슬롯에서 송신 전력을 높이거나, 수신 감도를 낮추면 숨은 단말까지 신호를 탐지 가능, 결국 고우선순위 패킷이 항상 먼저 전송되도록 보장

최종 요약

• 식 1,2: 충돌, 역전 그리고 성공 사건 정의
• 식 3 ~ 7: 숨은 단말 개입 시, 단계 별 확률(성공/충돌/역전)을 체계적으로 계산
• 식 7, 8: 물리 계층 감쇠 모델을 통해 제안 기법(수신 감도 조정)이 역전을 차단함을 입증

-> 저자의 핵심 아이디어는 "마르코프 체인으로 우선순위 역전을 정량적으로 증명하고, 물리 계층 파라미터 조정(수신 감도 확장)을 통해 역전을 예방한다" 이다.

 

Key Idea

 저자의 핵심 아이디어는 숨은 단말 때문에 발생하는 우선순위 역전을 수학적으로 규명하고, PR 슬롯의 감지 범위를 확장하여 이를 해결한다 로 요약된다. 기존 HomePlug GP의 PR 메커니즘은 송신자가 보낸 PR 신호를 주면 단말들이 감지하도록 설계되었으나, 송신자의 감지 범위 밖에 있는 숨은 단말은 이를 인식하지 못한다. 따라서 충돌이 발생하고, 이후 저우선순위 트래픽이 먼저 전송되는 역전이 생긴다.

 이를 해결하기 위해 저자는 PRS에서 송신 전력을 높이거나, 수신 감도 임계치를 낮추는 방식을 제안한다. 전력 증폭은 규제상 불가능하므로, 수신 감도 임계치 조정이 실질적 해법으로 채택된다. 이 방식은 PR 신호의 탐지 범위를 두 배로 확장하여 숨은 단말까지 포함시킴으로써, 고우선순위 패킷이 항상 먼저 전송되도록 보장한다. 결과적으로 EV 충전 트래픽의 지연과 손실을 방지할 뿐 아니라, 저우선순위 트래픽의 평균 지연도 감소시켜 네트워크 전체 성능을 개선하는 것이 핵심 아이디어이다.

• 문제의 원인 해결: 우선순위 역전 문제는 숨겨진 스테이션이 높은 우선순위 스테이션의 PRS 신호를 감지하지 못하여 채널 접근에 참여함으로써 충돌이 발생하고, 그 결과 낮은 우선순위 패킷이 먼저 전송되는데서 비롯된다. 따라서 핵심은 숨겨진 스테이션도 높은 우선순위 스테이션의 PRS 신호를 감지할 수 있도록 하는 것이다.
• PRS 파라미터 조정: 이러한 문제를 해결하기 위해 제안된 스킴의 핵심 아이디어는 두 개의 우선순위 해결 슬롯(PRS)에 대해 다른 전송 전력(transmission power) 또는 캐리어 감지 임계값(carrier sense thresholds)을 사용하는 것이다.
  • 전송 전력 비대칭 스킴(Asymmetric Transmission Power Scheme): PRS에 더 높은 전송 전력을 사용하여 수신 범위 내의 모든 스테이션(숨겨진 스테이션 포함)이 침묵하도록 하는 방안이다. 하지만 이 방식은 전자기 적합성 규정(electromagnetic compatibility regulation)의 최대 전송 전력(24 dBm)을 위반할 수 있어 실현 가능성이 낮다.
  • 캐리어 감지 임계값 비대칭 스킴 (Asymmetric Carrier Sensing Threshold Scheme): PRS 감지를 위한 캐리어 감지 임계값을 낮추는(줄이는) 방안이다. 이 경우 PRS 감지 범위가 확장되어 숨겨진 스테이션(예: STA N)이 높은 우선순위 스테이션(예: STA 1)의 PRS 신호를 감지할 수 있게 된다. 이 방식은 하나의 파라미터만 변경하면 되므로 실용적이고 구현이 간단하며, 펌웨어 업데이트를 통해 이미 설치된 PLC 스테이션에도 적용 가능하다는 장점이 있다.
• 데이터 전송과의 분리: 중요한 점은 제안된 스팀이 데이터 전송에는 전송 전력이나 캐리어 감지 임계값을 조정하지 않고, 오직 우선순위 해결 슬롯(PRS)에만 적용된다는 것이다.
• 우선순위 해결 기능의 유지: 이 스킴은 PRS의 감지 범위를 확장함으로써 숨겨진 스테이션이 높은 우선순위 스테이션의 존재를 알 수 있도록 하여, 우선순위 해결 기능에 전혀 영향을 미치지 않고 정상적으로 작동하도록 돕는다.

요약하자면, 핵심 아이디어는 숨겨진 스테이션이 높은 우선순위 스테이션의 PRS 신호를 감지할 수 있도록 PRS의 캐리어 감지 임계값을 낮추어 감지 범위를 확장함으로써, 우선순위 역전 현상을 효과적으로 방지하는 것이다.

 

 

REF

S.-G. Yoon, S.-G. Kang, S. Jeong, and C. Nam, “Priority inversion prevention scheme for PLC vehicle-to-grid communications under the hidden station problem,” IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 9, no. 6, pp. 5887–5896, Nov. 2018, doi: 10.1109/TSG.2017.2698067