전력선 통신

1. 개요

전력선 통신, PLC(Power Line Communication)는 전력을 공급하는 전력선을 이용해서음성과 데이터를 수백 kHz~수십 kHz 이상의 고주파 신호에 실어 통신기술을 말한다. 전력선 통신은 지금까지 주로 10k~450kHz로 사용 대역이 한정되어 10kbps 정도의 저속 통신 밖에 할 수 없었지만, 최근 규제가 완화되어 2M~30MHz의 넓은 대역을 사용할 수 있게 되어 수십 Mbps의 전송 속도를 낼 수 있을 것으로 전망된다. 고속의 PLC는 주로 광대역 인터넷 접속용으로 활용되기 때문에 BPL(Broadband over Power Line)으로 부르기도 한다.

PLC의 장점은 이미 가정에 들어와 있는 전기 배선을 통신용으로 사용할 수 있다는 용이성에 있다. 새롭게 케이블을 배선하지 않아도 전원 플러그를 콘센트에 꽂는 것만으로도 네트워크에 연결되어 집의 구석구석까지 네트워크를 구축할 수 있게 된다. 이러한 장점을 바탕으로 PLC 홈 네트워크: PC간 연결 및 텔레비전과 HD 레코더 간의 영상 교환 등 가정내 LAN, 무선 LAN 보완: 전파가 도착하기 어려운 방 사이에 PLC를 사용, 전기제품이나 주택 설비의 제어: 센서와 조합해 조명이나 에어콘 등의 설비기기 제어에 사용, 건물까지의 통신회선: 가까운 전주로부터 건물 가운데로 끌어 들이는 브로드밴드의 접속 회선으로 사용, 건물 내의 통신회선: 아파트나 사무실의 전기실로부터 각 호, 각 층까지의 통신회선으로 전력선 사용 등 다섯 가지 용도로 주로 사용된다.

2. PLC 기반기술

PLC는 전력을 공급하기 위한 전력선을 매체로 통신하기 때문에 통신용 케이블이나, 광섬유를 이용한 데이터 전송에 비해 구현이 어렵다. 특히, 높은 부하와 간섭현상, 잡음, 가변하는 임피던스와 신호 감쇄 현상 등의 특수한 환경을 극복하고, 제한된 전송 전력을 통해 데이터를 전달해야 하는 어려움이 항상 존재한다. 이처럼 PLC는 채널의 열악한 환경과 채널 특성을 파악하고 이를 해결하기 위해서는 다양한 기술을 적용하는 과정이 필요하며, 가장 중요한 기술이 PLC 모뎀과 노이즈 제어기술이다.

. PLC 모뎀

PLC의 기본은 데이터를 전력선으로 옮기는 것으로, 이를 위해서는 데이터를 전력선에 싣기 위한 PLC 모뎀이 필요하다. PLC 모뎀은 이더넷(Ethernet) 인터페이스 장비와 전력선 간에 이더넷 신호와 PLC 신호를 서로 변환하는 장치이다. PC 등의 기기와 PLC 모뎀을 LAN 케이블로 잇고 PLC 모뎀의 전원 케이블을 콘센트에 꽂아 사용한다.

PLC 모뎀에서 PLC 칩과 D/A(A/D) 컨버터가 변조 처리를 담당하고, 변조 방식은 주로 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)과 스펙트럼 확산(Spread Spectrum: SS)의 두 종류가 사용되고 있다. OFDM은 직교 주파수분할다중이라고도 하며, 고속화가 용이하다는 것이 가장 큰 장점이다. 따라서, OFDM은 높은 전송속도가 요구되는 홈네트워크 용도의 PLC 모뎀에 이용된다. 스펙트럼 확산 방식은 OFDM와 달리 하나의 반송파에 모든 데이터를 실어 보내는 방식으로, 대역을 펼쳐도 반송파를 하나 밖에 사용하지 않기 때문에 OFDM에 비해 고속화에 어려움이 있다. 스펙트럼 확산 방식을 채택하는 있는 PLC 모뎀의 속도는 4M~20MHz 대역을 사용할 경우라도 2.5M~24Mbps 정도이다. 속도가 늦긴 하지만 스펙트럼 확산 방식은 확산이라고 하는 구조에 힘입어 노이즈의 영향을 줄일 수 있는 장점이 있다. 이러한 특징 때문에 스펙트럼 확산 방식의 PLC 모뎀은 공장 등 노이즈가 많은 장소나, 속도가 늦어도 확실히 데이터를 보낼 필요가 있는 설비 컨트롤 등의 용도에 적합하다.

PLC는 버스형의 배선이 되어 있는 전력선을 전송로로 사용하므로 무선LAN과 같은 대역 공유형의 네트워크가 된다. 대역 공유형의 네트워크에 각각의 모뎀이 마음대로 데이터를 보내 버리면, 다른 모뎀이 보낸 신호와 충돌할 우려가 있으므로 신호가 충돌하지 않게 차례로 데이터를 보내기 위한 구조(액세스 방식)가 불가결하며 모든 PLC 모뎀에 이 기능이 장착되어 있다. 이러한 기능을 다원접속(Multiple Access) 방식이라고 한다. 이더넷과 무선LAN CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)라는 다원접속 방식을 채용하고 있다. CSMA/CD는 「통신하기 전에 다른 기기가 통신하고 있지 않는가를 조사해 통신하지 않을 경우에 데이터를 보낸다」는 규칙(CSMA)과 「신호가 충돌하지 않게 각 기기가 정해지지 않은 시간을 기다리고 나서 송신한다」라는 규칙(CA)을 기반으로 한 다원접속 방식이다.

. 노이즈 제어기술

홈네트워크에서 영상이나 음악을 보내는 경우, 홈네트워크용 PLC에서는 통신품질, QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있는 구조가 필요하게 된다. PLC 모뎀 중에는 QoS 기능을 갖춘 것이 있으며, 보통 인텔리전트 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식과 우선순위(priority) CSMA/CA 방식의 2종류가 있다. 인텔리전트 TDMA 방식은 1대의 모뎀이 컨트롤러(마스터) 역할을 수행해 다른 모뎀의 통신을 제어함으로써 각 통신의 QoS를 관리하는 구조이다. 우선순위 CSMA/CA 방식은 각 모뎀이 송신하는 데이터의 종류에 따라 우선순위를 붙이는 방법으로 우선순위에 따라 송신 시간이나 대기 시간의 길이가 바뀌며 우선순위가 높은 데이터가 우선적으로 전송되는 구조이다.

PLC에는 현재 국제적인 표준 규격이 없기 때문에 PLC의 통신 방식은 칩에 따라 다르다. 이에 다른 칩의 모뎀에서 보내온 PLC 신호는 같은 대역을 사용해 통신하는 다른 모뎀에게는 노이즈로 받아들여지게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 칩 벤더나 모뎀 제조업체들이 PLC 추진을 위해서 설립한 업계 단체에서는 공존을 위한 사양을 검토중에 있다. 관련업계 단체는 크게 마쓰시다의 칩 기술을 채용하고 있는 「CEPCA, DS2의 칩 기술을 채용하고 있는 「UPA, 인테론의 칩 기술을 채용하고 있는 「HomePlug Powerline Alliance(HomePlug)」등 3개를 꼽을 수 있다. 현재 각 단체들이 기술적인 사양에 대한 의견교환을 통해 네트워크 기술 등의 규격 제정을 담당하고 있으며, IEEE에서도 표준화 작업이 시작되었지만, 현재 유력한 3개의 사양을 일관되게 통일하는 것은 쉽지 않으며, 시간이 걸릴 것으로 보인다.

PLC상의 노이즈는 커먼모드(common mode) 전류에 의해 발생하는데 커먼모드 전류의 크기는 전력선의 특성에 의존한다. 전기 배선은 분기가 많고 모터를 사용하는 기기나 인버터 기기가 접속되어 있어 전력선의 평형도가 나빠지며 커먼모드 전류도 커지게 된다. 게다가 전력선은 통신용으로 설계된 것이 아니어서 차폐막(shield)이 없어 전자파가 새기 쉬운 문제가 있다. 평형도가 나쁜 전력선에 PLC 모뎀을 접속하면 PLC 모뎀의 송출 신호가 더해져 커먼모드 전류가 증가하고 누설되는 전자파도 강해지게 된다. 특히 고속 PLC의 누설 전자파는 선박, 항공 무선이나 단파 라디오, 아마추어 무선, 전파 천문 관측 등의 전파에 악영향을 미치게 된다. 따라서, 전력선으로부터 누설되는 전자파가 무선 통신을 방해하기 때문에 2M~30MHz 대역을 사용하는 고속 PLC 모뎀에는 노이즈를 억제하기 위한 커먼모드 전류 허용치가 규정되어 있다. PLC 모뎀으로부터 나가는 커먼모드 전류를 줄이는 방법 중 대표적인 것은 「커먼모드 초크 코일」이라는 모듈을 이용하는 방식과 NILLC(Non Interference Legacy Line Communication) 방식이 있다.

3. PLC 시장 전망

시장 조사 전문기관인 테크노 시스템 리서치가 2006 9월 발표한 전력선 통신(PLC)의 시장 규모 예측에 따르면, PLC에 필요한 장비의 출하 대수는 2005년 전세계에서 1,464만 대였으나, 2010년까지 연평균성장률 56%를 기록하며 2010년에는 약 8배 가량 성장한 1 3,273만 대로 확대될 것으로 전망되고 있다. 2005년 지역별 PLC 기기 출하 내역을 보면 저속 PLC가 보급되어 있는 북미가 시장점유율 53%로 과반을 차지하고 있으나, 2010년에는 아태 지역이 시장점유율 33%로 선두를 달릴 것으로 예상되며, 북미와 유럽 지역은 각각 25% 전후로 비슷해 질 전망이다. 텔레비전이나 PC에 표준 모듈로 PLC 모뎀 등이 탑재되면 성장률도 확대할 가능성이 높을 것으로 전망되며, 일본에서의 출하 대수는 2010년에 990만 대가 될 전망이며, 대부분은 190Mbps 이상의 고속 통신용이 될 것으로 보인다.

IDC가 발표한 PoE(Power over Ethernet) 시장 전망 보고서에 따르면, LAN 스위치 시장으로만 한정한 PoE 시장 규모는 2003년 약 1,170만 포트에서 2008년까지 연평균 성장률 63%로 성장하여 2008년에 약 1 3,400만 포트 규모를 형성할 전망이다. 전체 LAN 스위치 시장 규모는 2003년 약 2 140만 포트에서 2008년 약 3 2,780만 포트로 성장할 전망이며, 따라서 전체 LAN 시장 규모에서 PoE 가 차지하는 비중은 2003년 약 6%에서 2008년에는 41%로 급속히 증가할 것으로 보인다. 특히, 가트너 그룹은 2006년 세계 광대역 PLC 시장이 2,930만 가입자 규모에 총 167억 달러 시장을 형성할 것으로 전망되고 있다.

4. 주요국의 PLC 추진 현황

PLC 도입을 적극 검토하는 국가들은 한국처럼 ADSL 환경이 잘 갖추어진 국가들 보다는 신생국가 및 ADSL 포설 작업이 어려운 국가들이다. 유럽의 경우, 유럽연합 PLC 포럼의 지원하에 2004년 시작되어 2008년에 끝나는 OPERA(Open PLC European Research Alliance) 프로젝트를 통해 PLC 상용화를 추진하고 있다. 유럽에서 인구밀도가 낮은 농촌이나 산간지역의 정보화에 기여할 것으로 기대되며, 유럽의 PLC 이용세대는 2010년 약 2,000만 세대에 이를 것으로 바라보고 있다. PLC 서비스를 가장 활발히 추진하고 있는 유럽 국가는 스페인으로 Endesa가 시장을 선도하고 있다. 2000년부터 PLC 사업을 시작한 Endesa는 현재 바르셀로나, 세빌레, 사가로사 지역에 많은 가입자를 확보하고 있으며, 특히 2003년부터 사가로사 지역의 5,000 가구에 VoIP와 초고속 인터넷 서비스를 제공하고 있다. 스페인의 텔레포니카는 이미 홈네트워크 용도로 PLC 서비스를 전개중이며, 집까지의 브로드밴드 회선에는 ADSL을 사용하고 집안은 PLC LAN을 사용하는 방식을 추진중이다. 이탈리아는 2007년 전력 시장 개방에 대비해 국영 전력회사가 1,450만 가구에 PLC를 이용한 원격검침 사업을 추진하고 있으며 전체 가입자의 54%가 이용 중에 있다. 벨기에의 Belgacom 2006 8월 브로드밴드와 IPTV 패키지 서비스 중 룸간 AV 스트리밍 서비스에 PLC를 도입한다고 발표하였으며, 서비스를 위해 스페인 DS2사가 개발한 200Mbps 급의 PLC 제품을 채택하고 있다.

미국은 지방정부와 민영 전력회사들이 중심이 되어 차세대 성장산업으로 PLC 인터넷 및 IP 전력미터 사업을 추진중에 있다. 미 연방통신위원회(FCC)에서는 2004 2월에 PLC를 허용하는 법안을 발표하였으며, 현재 UPLC(United Power Line Council)가 상용화 프로젝트 및 법률 보완을 담당하고 있다. 2004 PLC 허가 발표 이후 지난 수년간 방송, 항공업계는 전국 규모의 전력망에 고주파(인터넷 신호)를 흘려보낼 경우 TV 화면이 흐려지고 항공기 교신이 마비되는 등 사고 가능성이 있다며, FCC PLC 보급계획의 철회를 요구해 왔으나, FCC 2006 6월 전파간섭을 이유로 초고속 PLC보급에 강력히 반대해 온 방송사, 항공업계, 아마추어 무선 통신사들의 주장을 일축하고 기존 광대역 전력선 통신(PLC) 보급지침에 따라 서비스를 제공하는 것으로 하였다. FCC의 이번 조처로 PLC 사업자들의 전국 서비스 개시를 위한 가장 큰 법적 장애물이 제거된 셈이다. 미국 내에서는 이미 75개 이상의 실증실험이 이루어지고 있는데 현재 오하이오 주에서는 2006년 말까지 25만 가구 이상의 PLC 서비스 가입자를 확보할 예정이며, 펜실베이니아 주에서는 3천 가구에 PLC 서비스를 제공중이고, 노스캐롤라이나와 사우스캐롤라이나 주에서는 280만 명 이상의 가입자에게 PLC 서비스를 공급할 예정이다.

일본은 2006 9월에 2M~30MHz 대역을 사용하는 고속 PLC를 허용한다고 발표논의가 시작된 것은 2002년이었지만 전력선으로부터 누설된 전자파의 레벨이 크다는 실험결과에 따라 그동안 실용화를 보류하였으나, 모뎀 제조업체들이 모뎀의 개량에 착수하는 것과 동시에 업계 단체인 고속 전력선 통신추진협의회(PLC-J)를 설립해 기술개발 및 대외 홍보활동에 주력하였다. 이 결과 2005년에 PLC 용도를 옥내에서의 이용으로 한정해 실용화를 위한 논의를 재개했으며, 그 결과 2006 6월에 허용치가 결정되었다. 도쿄전력은 200Mbps의 고속 PLC 모뎀을 이용해 통신 시 전파 누설 저감을 위한 검증실험을 실시했으며, 샤프는 미국 라스베가스에서 개최된 CES 전시회에서 PLC를 활용한 홈네트워크로 HDTV의 동영상 전송을 실연해 주목을 받은 바 있다.

중국은 PLC 시범서비스 사업 후 여러 지방의 전력회사와 소규모 ISP들이 고속 PLC 서비스를 위한 실증 실험을 진행중이며, 신식사업부의 인가에 따라 올해부터 사업을 본격적으로 추진하게 되었다. 중국 서부지역 등 통신 인프라가 열악한 지역에서는 전력선 전화(VoPL, Voice over Powerline) 도입이 진행중이다. 현재 중국에서 PLC를 이용하고 있는 인터넷 가입자 수는 2만 명 내외로 아직 미미한 수준이지만, 전화선이 없는 행정단위가 7만 여개를 넘고 있어 향후 중국은 유럽과 더불어 가장 큰 PLC 시장이 될 수 있는 가능성이 매우 높은 것으로 내다보고 있다.

5. 결언

유비쿼터스 기반의 광대역 통합망 가입자 인프라는 결국 FTTH를 지향하고 있으며, 현재 고속 인터넷 가입자망인 VDSL, 케이블 모뎀 등이 확대 구축되고 있는 상황에 있기 때문에 국내의 경우 PLC는 기술적, 경제적인 측면에서 time-to-market 실현이 여의치 않아 확실한 비교 우위를 확보하지 못하고 있는 실정이다. 상대적으로 유럽의 경우 가입자망 구성을 위한 신규 선로의 포설이 어렵고, 한 변압기에 200~300 가구의 수용이 가능해 PLC의 경제성이 확보될 수 있는 환경이 갖추어져 있다. 광대역 접속용 전력선 통신 기술은 아직 세계적으로 상용화된 곳이 없으나 기존 가입자망 기술 적용이 불가능한 지역이나 전화 보급률이 낮은 개발도상국의 전화 서비스 등에는 제한적으로 활용될 가능성이 있다. 특히, 미국의 경우는 홈네트워크 서비스를 지향하고 있고 2~3년 내에 정보가전 시장이 커질 경우 홈네트워크의 한 구성 요소기술로 PLC가 자리를 확보할 것으로 예상되고 있다.

전력선 통신은 주파수와 송신 출력의 제한으로 기술개발이 끝나도 상용화까지는 타 기기와의 노이즈 문제 등 많은 기술적 해결이 필요할 전망이다. 또한 전력선 통신의 변조 방식, 사용 주파수 대역, 출력허용지 설정 등은 조속한 시일 내에 표준화가 필요한 실정이다. 전력선 통신은 단순히 모뎀 기술의 개발 뿐 아니라 네트워크 구성, 응용 분야의 연구를 통한 상용화가 단기간 내에 이루어져야 시장에 포지셔닝이 가능할 것으로 전망되고 있으나, 현실적으로는 모뎀 제조사들의 기술 공개 기피로 연관 산업의 시장 성장에 어려움이 있고, 이는 PLC 산업을 위해 반드시 해결되어야 할 문제점 중 하나로 대두되고 있다.