МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)
|
|
Факультет КИБЕРНЕТИКИ Кафедра «Компьютерные системы и технологии»
|
РЕФЕРАТ
на тему:
«Использование линий электропроводки в
качестве среды передачи информации»
Студент гр. К7-126 Сиднев И.Г.
2003 г.
Оглавление
1. Введение
. 3
1.1 Проблема «последней мили» в сетях передачи данных. 3
1.2 Знакомство с PLC-системами. 5
1.2.1 Общая информация. 6
1.2.2 Короткая история Магистральных сигнальных систем.. 8
1.2.3 Топология PLC-систем. 8
2. PLC
-системы, их внедрение и особенности использования
. 9
2.1 Использование PLC.. 9
2.2 Условия применения. 10
2.2.1 Главное. 10
2.2.2 Нормативные и регуляторные условия. 10
А) Электромагнитная совместимость как ключевой выход. 10
Б) Стандартизация и соглашения. 11
В) Стандартизация, существующие документы. 11
3. Технологические особенности
PLC
-систем
.. 13
3.1 Электромагнитные проблемы в PLC-системах. 13
3.2 Основные технические характеристики. 13
3.2.1 Частота. 13
3.2.2 Передача сигнала. 14
3.2.3 Уровень шума и помехи проводимости в сетях низкого напряжения. 15
3.2.4 Ограничение уровня сигнала во избежание нарушения работы других сетевых устройств. 16
3.2.5 Ограничение уровня сигнала из-за излучаемых полей. 16
3.3 Измерение полей. 18
3.4 Модуляция сигнала и кодирование. 19
3.5 Руководство по определению уровня сигнала. 19
3.6 Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам.. 20
Список Литературы
.. 25
1. Введение
1.1 Проблема «последней мили» в сетях передачи данных.
Последняя миля
(last mile)
- кабельная линия связи между абонентом и телефонной/кабельной компанией. Традиционно используется медный или коаксиальный кабель. В последнее время завоевывают все большую популярность беспроводные решения "последней мили". (с сайта www.hostinfo.ru)
Под термином "проблема последней мили" понимается задача по организации канала связи для предоставления пользователю широкого спектра телекоммуникационных сервисов. В большинстве случаев эта задача решается посредством создания физического канала связи, в основе которого лежат:
· Медные провода
· Средства радио доступа
· Волоконно-оптический кабель
Термин "последняя миля" мы услышали сравнительно недавно. В отечественной технической литературе это понятие стало использоваться гораздо позже, чем во всем мире. И то лишь благодаря тому, что операторы связи всего мира были обеспокоены качеством услуг, предоставляемых отечественными операторами связи. Как это часто бывает в последнее время, о нас позаботились зарубежные компании. Был разработан целый ряд современных технологий, которые решали вопросы "последней мили" в развивающихся странах с низким качеством телекоммуникационных услуг. С помощью последних разработок, которые себя прекрасно зарекомендовали в других странах, в России вопрос "последней мили" может быть решен в скором будущем.
Практически до конца 80-х годов прошлого века в экономически развитых странах население пользовалось только услугами аналоговой телефонной связи. Развитие новых информационных технологий привело к тому, что возможности аналоговой телефонии перестали удовлетворять потребностям пользователей. Модернизация сетей передачи данных и коммутационных станций, путем перевода аналогового способа передачи информации в цифровой, позволила предложить населению новые услуги, например ISDN. После этого "последняя миля" стала тем узким местом, которое не давало развиваться средствам телекоммуникации дальше.
Спрос на новые услуги цифровых станций стал неуклонно расти. Многие компании, предлагающие услуги "последней мили", пошли по пути использования обычных абонентских линий. Была разработана "Технология цифровых абонентских линий" (Digital Subscriber Loop - xDSL). Этот способ связи позволял организовать высокоскоростную передачу данных, не прибегая к замене старых абонентских линий и прокладке новых выделенных каналов. Производители коммуникационного оборудования создали целый ряд устройств для уплотнения передаваемой информации. Эффективность их использования неоспорима - некоторые устройства позволяют увеличить количество передаваемой информации в единицу времени в 30-60 раз.
Появление "Технологии цифровых абонентских линий" дало толчок развитию решений для организации "последней мили", основанных на DSL-принципах передачи данных. В последние годы появилось огромное множество разновидностей этой технологии. Наибольшее распространение получили следующие способы передачи информации:
HDSL - высокоскоростные цифровые абонентские линии;
ADSL - асимметричные цифровые абонентские линии;
ISDL - ISDN цифровые абонентские линии;
SDSL - симметричные высокоскоростные цифровые абонентские линии;
VDSL - Very HDSL;
RADSL - цифровые абонентские линии с подстройкой скорости передачи данных;
UADSL - универсальные асимметричные цифровые абонентские линии.
Стандарт IDSL был разработан фирмой Ascend. С его помощью возможна передача данных по каналам ISDN в сети с коммутацией пакетов. При этом телефонные коммутаторы остаются незадействованными. Одним из основных преимуществ данного способа передачи данных является возможность плавного перехода к более скоростным вариантам связи.
При необходимости передавать информацию на длительные расстояния рекомендуется использовать HDSL-оборудование. С его помощью возможна передача информации на расстояния до шести километров. При этом качество связи остается на довольно-таки высоком уровне, который сравним с качеством связи при использовании волоконно-оптических линий. HDSL-оборудование нашло широкое применение при построении корпоративных сетей. Но век этого стандарта тоже оказался недолог. На смену ему постепенно приходят "Асимметричные цифровые абонентские линии" (ADSL), которые позволяют передавать данные на скоростях до 8 Мбит в секунду. С этим способом передачи информации многие связывают большие надежды на будущее. Ожидается, что ADSL скоро найдет широкое применении при предоставлении услуг конечному пользователю.
Позже появились различные оптические технологии. Наибольшее распространение получили концепции Fiber to the Building (FTTB) и Fiber to the Zone (FTTZ). Эта технология не нашла широкого применения в районах с уже сложившейся инфраструктурой. Причина этого кроется в нежелании нести дополнительные расходы по организации "последней мили". А зачастую, прокладку оптических сетей делает невозможной архитектура построенных несколько лет назад зданий. В таких случаях гораздо дешевле использовать старый и проверенный xDSL. При строительстве же новых зданий оптические технологии "последней мили" прочно заняли свою нишу.
В США и странах Западной Европы операторов телекоммуникационных услуг заинтересовали обширные возможности цифровых сетей передачи данных. Для удовлетворения растущих запросов пользователей была модернизирована сеть доступа к этим услугам. В развивающихся странах, к которым по праву можно отнести и Россию, запросы и потребности операторов связи несколько отличаются от общемировых. Нельзя сказать, что в этих странах отсутствует спрос на новые виды услуг. Он есть. И спрос, даже, растет. Но по отношению к существующим аналоговым способам связи цифровые услуги составляют всего лишь несколько процентов. И то за счет столицы - Москвы. На пороге XXI век, а, тем не менее, основной задачей в области обеспечения коммуникационных услуг в России является обычная телефонизация населения посредством аналоговой связи.
Операторы связи при строительстве новых зданий изначально закладывают в архитектурный проект возможность прокладки широкополосных волоконно-оптических линий связи. Эта норма повсеместно применяется в странах Юго-Восточной Азии и континентальной Америки. Изначально эти сети используются для предоставления обычного аналогового доступа. По мере возникновения потребности у абонентов производится их переключение на цифровые стандарты передачи данных (ISDN).
Обычно подключение к Интернету осуществляется с помощью телефонной линии или через выделенное соединение. Для использования выделенного соединения необходимо проложить кабель, что является довольно таки дорогостоящим и трудоемким мероприятием. Также во многих случаях отсутствует возможность постоянного использования телефонной линии для доступа в Интернет. Сейчас многие компании занимаются разработкой технологии, которая позволит подключаться к всемирной Сети через обыкновенную бытовую электрическую розетку.
Уже разработан и обнародован промышленный стандарт передачи данных по бытовой сети. Его разработкой занималась некоммерческая ассоциация HomePlug Powerline Alliance, которая объединяет более 90 крупных компаний производящих вычислительную технику и различную бытовую электронику. Среди членов альянса, который появился в апреле 2000 года, такие известные и уважаемые компании, как Intel, Motorola, Philips и Panasonic. Кроме подключения к Интернету, стандарт позволяет создавать домашние локальные сети, в которые можно подключать компьютеры, принтеры и различную бытовую технику, поддерживающую протокол передачи данных по электрической сети. Для организации этой сети не потребуется никаких дополнительных устройств, кроме обычной домашней электрической розетки. Скорость работы подобной локальной сети будет составлять до 14 Мб в секунду.
Крупные производители бытовой техники уже заняты разработкой устройств "умеющих общаться" через электрическую розетку. Появление таких приборов ожидается уже осенью этого года. Этим разработкам предшествовал полугодовой период тестирования нового стандарта передачи данных. Специалисты занимались изучением влияния различных приборов на устойчивость работы сети и на качество передачи данных.
Большое внимание новому средству коммуникации уделяет "Германский энергетический концерн". Система, позволяющая соединять различные устройства с помощью обыкновенной электрической сети, существует уже в двух городах - Эссене и Мюльхайме. Для подключения к Интернету жителям этих городов достаточно приобрести специальный модем, который подключается к электрической сети. Стоимость доступа в Интернет составляет от 49 до 249 марок, в зависимости от используемого тарифного плана.
Не отстает от немецкого концерна и "Австрийская электротехническая компания EVN". Недавно она получила разрешение на использование нового стандарта передачи данных по электрическим сетям на территории Австрии. Компания заявляет, что имеет уже около 15 тысяч клиентов.
1.2 Знакомство с
PLC-системами
1.2.1 Общая информация
PLC — это недавно появившаяся технология в области передачи информации по электрическим сетям низкого напряжения, которая обеспечивает работу в частотном диапазоне от 1 до 30 МГц. Это должно обеспечить скорость передачи данных порядка нескольких Мбит в секунду и может использоваться телефонными службами, а также для выхода в Интернет, контроля различных устройств и так далее. Однако эта технология сталкивается с некоторыми значительными трудностями, связанными с ее характеристиками, особенно в том, что касается соответствию стандарту EMC. Одна из самых критичных проблем — это испускание ЭМ-полей, которое может нарушить радиотрансляцию в том же частотном диапазоне.
Четыре прикладных области могут быть покрыты с помощью PLC-технологии:
¾ внешняя, то есть в общественной сети обеспечения: автоматизация, мониторинг, функции удаленного снятия измерений, оперативная телефонная служба. Это может быть произведено с помощью существующих распределительных сетей, без проведения дополнительных линий.
¾ внутренняя, то есть внутри здания потребителя: контроль и мониторинг, включая функции сигнализации, внутренняя система коммуникации (так называемая, «домашняя»), легкое объединение в сеть оборудования, обрабатывающего данные. Все это реализуется с использованием существующей у потребителя проводки и не требует прокладывания дополнительных линий или использования радиооборудования.
¾ граничная, то есть соединяющая внутреннюю и внешнюю PLC-области: например, службы для потребителя находятся рядом с энергообеспечением.
· мониторинг работы систем с обеспечением соответствующей реакции
· удаленный контроль оборудования (такого как электрические нагреватели или кипятильники).
· удаленное чтение показаний ¾ сегодня уже достигнутое некоторыми коммунальными службами, относящимися к потребителям со специальными тарифами: измерение степени загруженности сети, так же как и мониторинг загруженности в системах потребителей, получение соответствующих данных, передаваемых с помощью PLC в контрольный центр коммунальных услуг и их дальнейшая обработка с целью оптимизации управления загруженностью.
¾ Обеспечение общественных телекоммуникационных служб, путем связи внешней PLC-системы с телекоммуникационной основой: например, высокоскоростного интернет-доступа, общественной телефонии, при необходимости видео.
Архитектура информационного взаимодействия на основе электросетей имеет эталонную семиуровневую модель OSI. Даже в рамках одной прикладной области конкретные ее реализации отличаются методами надежной доставки данных на различных уровнях иерархии. Повышение надежности передачи на физическом уровне связано с выбором способа модуляции и частотного диапазона, с использованием методов цифровой обработки сигналов и адаптивного управления. Здесь в первую очередь следует отметить перспективность алгоритмов широкополосной (Spread Spectrum) модуляции, существенно повышающей помехоустойчивость передачи. При использовании SS-модуляции мощность сигнала распределяется в широкой полосе частот, и сигнал становится незаметным на фоне помех. На принимающей стороне значимая информация выделяется из шумоподобного сигнала с использованием уникальной для данного сигнала псевдослучайной кодовой последовательности. С помощью различных кодов можно осуществлять передачу сразу нескольких сообщений в одной широкой полосе частот. Описанный принцип лежит в основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA). Технологии SS-модуляции и CDMA подробно рассмотрены в литературе (главным образом, на примерах использования в сотовых телефонных сетях). Отметим, что помимо помехоустойчивости SS-модуляция обеспечивает высокий уровень защиты информации. Еще одно большое достоинство широкополосных технологий - относительно низкая стоимость соответствующих устройств. Дело в том, что все преобразования сигнала осуществляются на уровне одной микросхемы (которая при массовом производстве оказывается очень дешевой).
Основные способы повышения надежности передачи на канальном уровне следующие:
¾ разбиение пакетов данных на кадры небольшой длины;
¾ спользование корректирующих кодов для выявления и исправления ошибок;
¾ применение низкоуровневых протоколов надежной передачи на основе
подтверждений приема коротких кадров;
¾ использование эффективных методов управления доступом к среде передачи
данных.
Короткие пакеты позволяют увеличить не только вероятность достоверной передачи порции данных, но и эффективность адаптации передающей стороны к быстро меняющимся характеристикам сети. При использовании широкополосной модуляции это выражается в оптимальном перераспределении мощности сигнала в полосе частот с учетом фактического спектра помех.
Некоторые фирмы разработали оптимизированные протоколы доступа к среде, учитывающие особенности “электросетевых” приложений и зашумленность линий питания. Поскольку значительная часть таких приложений (автоматический учет, охранная сигнализация, домашняя автоматика) предполагает наличие в сети одного активного узла, для обеспечения доступа целесообразно использовать методы опроса или передачи маркера. Это снимает проблемы распознавания несущей в зашумленных сетях и необходимость выявления коллизий. В целях повышения надежности самого управления доступом используется принцип “трехкратного рукопожатия” при передаче маркера. Типовая функциональная схема и основные компоненты коммуникационного узла “электрической сети связи” представлены на рис. 1.
|
В сеть 220 В
Рис. 1 Функциональная схема коммутационного узла.
Ядром коммуникационного узла являются контроллеры сетевого, канального и физического уровней; последние часто называются также приемопередатчиками или трансиверами. Как правило, эти компоненты реализуются на базе универсальных либо специализированных микропроцессоров и выпускаются рядом фирм в виде наборов микросхем.
Изолирующий (соединительный) модуль в общем случае осуществляет две функции: изолирует аппаратуру коммуникационного узла от напряжения питания и выделяет информационный сигнал из силового напряжения. Обычно этот модуль выполняется из отдельных радиоэлектронных компонентов.
Некоторые фирмы изготавливают специальные микросхемы усилителей мощности, позволяющие передавать сигнал на большие расстояния. На основе этих компонентов может быть построен электромодем со стандартным или заказным интерфейсом пользователя.
Для обеспечения совместимости изделий различных производителей (в рамках одного класса приложений) предпринимаются усилия по стандартизации технологий передачи информации по линиям электропередачи.
1.2.2 Короткая история Магистральных сигнальных систем
Идея использования развитых энергетических систем также для передачи сигналов — под общепринятым названием «Магистральная передача» — возникла впервые еще в конце 19 века, когда два французских инженера в 1898 году запатентовали свое изобретение. Практическое применение эта идея нашла в начале 20 века во французской мультичастотной «системе контроля», но реальное распространение этой технологии произошло после 1950 года. «Система контроля» работала в низкочастотном диапазоне от 110 до 1000 Гц, пользуясь успехом по всему миру. Она и сейчас является весьма распространенным сетевым оборудованием. В мире установлено несколько тысяч систем и существует около 30-40 миллионов пользователей. «Система контроля» — это узкополосная система, направленная от подстанции к пользователю. В 70-х годах 20 века были разработаны несколько подходов с так называемыми системами с «Несущими энерголиниями», работающими в килогерцовом диапазоне от 3 до 150 кГц. Эти системы были двунаправленными. Но особым успехом эти разработки не увенчались. В 90-х годах 20 века огромное распространение электроники и телекоммуникационных технологий позволило начать новые разработки систем уже в мегагерцовом диапазоне и дало жизнь новым широкополосным приложениям с общим названием «Power Line Communications» (PLC). Они и сейчас находятся в процессе усовершенствования.
1.2.3 Топология
PLC-систем.
Нужно учитывать — как будет объяснено дальше — что, с одной стороны, высокие частоты предоставляют широкий частотный диапазон, необходимый для высокоскоростных приложений; с другой стороны, на этих частотах происходит сильное ослабление сигнала в линии. Это делает передачу сигнала с удовлетворительным качеством возможным в основном только в сетях с низким напряжением. Следует рассмотреть две системы (рис. 1)
¾ внешнюю, на силовых линиях: «Систему доступа» для коммунальных целей
¾ находящуюся внутри дома: «Домашнюю систему» для частных целей (следует заметить, что Коммунальная система тоже может выполнять свои функции внутри здания)
Рисунок 1 представляет классическую европейскую сеть с топологией «звезда». Основной трансформатор поддерживает несколько домов (или одно большое производственное здание). Внешние линии представляют собой 3ф кабели в городах или надземные линии в сельской местности. Проводка внутри зданий сделана на основе 2ф или 3ф +N проводников (Американские и Японские сети имеют абсолютно другую структуру). Практически работать в сетях с низким напряжением в мегагерцовом диапазоне очень сложно: существует множество абсолютно различных конфигураций, постоянно меняется загруженность сети, и большинство PLC-характеристик должны учитываться статистически. Высокая частота приводит к возникновению резонансных эффектов.
«Хребет» на рисунке 1 — это классический широкополосный канал: контрольный кабель коммунальной системы, радио связь, телевизионный кабель и т.д.
В случае если длина линии низкого напряжения превышает радиус распространения сигнала, необходимо устанавливать повторители и шлюзы.
Рисунок 1.
|
|
|
|
|
Internet
C3
C2
B C1
Acess System
LV
LV- сеть низкого напряжения Cn - потребитель
CC- контрольный центр коммунальной сети LAN – локальная сеть
B – «хребет» IC – внутренний контроллер
LV-G – шлюз системы низкого напряжения M - модем
H-G – «домашний» шлюз
R - повторитель
2.
PLC-системы, их внедрение и особенности использования
2.1 Использование
PLC
Системы PLC прелагают новый сервис в использовании силовых линий, который не был возможен ранее. Учредители PLС предполагают несколько возможных применений технологии. Они требуют высокой надежности коммуникационной системы, сто должно быть отражено и в электромагнитных требованиях. Предлагаются следующие варианты:
¾ для коммунальных услуг: контроль нагрузки на сеть, удаленное чтение измерений, автоматизация сети и т.д.
¾ для Интернет-провайдеров: Интернет-сервисы
¾ для телефонных операторов: телефонные передачи на «последней миле»
¾ для пользователей: локальные сети для компьютерных систем, использование в «домашних» целях.
Большинство из них — это двунаправленные службы, работающие от центральной контрольной точки до приложения или от приложения к центральной точке. Сложность заключается в том, что несколько приложений могут работать одновременно.
2.2 Условия применения.
2.2.1 Главное.
В качестве ключевых критериев для успешного рыночного продвижения PLC-систем, которые соперничают с существующими и появляющимися коммуникационными технологиями, могут быть выделены следующие:
· экономическая осуществимость – то есть возможность передачи информации по прямой в радиусе нескольких сотен метров.
Технически
¾ соответствие требованиям электромагнитной совместимости и вытекающее отсюда ограничение уровня передаваемого сигнала.
¾ уверенность в достаточной скорости передачи данных и, соответственно, уверенность в предоставлении единичному потребителю услуг с нужной скоростью и приемлемой частотой появления ошибочных битов (bit error rate ¾ BER), которая соответствует качеству услуги.
Коммерчески
¾ возможность финансировать применение таких систем с помощью услуг, предоставляемых на их базе, что и обеспечивает конкурентоспособность по отношению к альтернативным системам.
· успешное проведение соответствующих «полевых» испытаний и использование полученных наблюдений при оптимизации разработки технической системы.
· Возможность нормативной и регуляторной систематизации как базы для надежного финансирования.
2.2.2 Нормативные и регуляторные условия.
А) Электромагнитная совместимость как ключевой выход.
Тогда как сигналы, передаваемые PLC-системой, представляют собой специальные сигналы внутри системы, для другого оборудования, подключенного к соответствующей энергосети, эти сигналы являются компонентами напряжения питания помимо первичного 50-герцового напряжения.
В узкополосных PLC-системах сигнал, по сути, передается по проводникам. В широкополосных PLC-системах, использующих более высокие частоты, с увеличением частоты передача сигнала выливается в растущее излучение непреднамеренного характера. Результирующая волна распространяется по земле, в космосе и атмосфере. Должен быть рассмотрен совокупный эффект сил поля, происходящих из разных энергосетей. Это касается сил поля, вызванного всеми PLC-пользователями, активными в различных энергосетях в одно и то же время.
В связи с ионосферными процессами (отражением то ионосферы в зависимости от времени года, суток и погодных условий) на больших расстояниях (больше 1000 км) необходимо учитывать эффект накопления сил поля, исходящего из одной крупной области.
Б) Стандартизация и соглашения.
Работы над согласованными стандартами и соглашениями идут по
Над нормативными аспектами работают:
· Европейский Комитет по Электротехнической Стандартизации (CENELEC)
· Европейский Институт Телекоммуникационной Стандартизации (ETSI)
· Международный Специальный Комитет по Радиопомехам (CISPR)
Решения, связанные с применением частот (и, следовательно, проблемой сосуществования PLC-систем и радиослужб) в основном принимаются:
· Европейской Конференцией Управления Почтой и Телекоммуникацией (CEPT) и ее Европейским Офисом Радиокоммуникаций (ERO)
· Международным Телекоммуникационным Объединением (ITU)
Кроме того, должны учитываться связанные с вопросом работы Института Электрической и Электронной Инженерии (IEEE), где разрабатываются документы для узкополосных систем (частотный диапазон для США: 50кГц-450кГц).
В то же время, как было провозглашено CEPT, не может рассматриваться никакое распределение частот для PLC-систем. Это связано с тем, что ограничения накладываются только на радиосистемы в целом (с которыми PLC-системы ¾ их излучение представляет собой побочное явление нарушения работы системы ¾ не могут рассматриваться в совокупности).
Вдобавок органы, ответственные за радиочастоты, привлекают внимание к необходимости защиты существующих радиослужб так же, как и неограниченному использованию частотных ресурсов радиоприложениями, как это ожидается в будущем.
В) Стандартизация, существующие документы.
Стандартизация узкополосных систем, которые, в основном, разрабатываются для применения в коммунальной сфере (как, например, удаленное снятие показаний) на одной стороне или использования потребителем в границах его собственности, проводится с конца 80-х годов прошлого века. Соответствующие стандарты, обобщающие нормы для использования частот, максимального уровня сигналов, защиты, фильтров и сопротивления оборудования ¾ уже существуют или находятся на стадии завершения (серия EN 50065) .
В сравнении с ними разработка нормативных документов для широкополосных PLC-систем только началась (это произошло в 1999г).
По вопросам PLC-систем CENELEC и ETSI работают как каждый в своей группе (ETSI: EP PLT, CENELEC: SC 205A WG10), так и в объединенной WG. Последняя также практикует сотрудничество с CEPT и CISPR, но не спешит его укреплять.
К сегодняшнему дню были разработаны следующие специальные документы:
· Так называемый, документ «сосуществования» TS 101 867:2000-11, изданный ETSI, определяющий сосуществование между системами, находящимися в здании, и внешними системами. В первую очередь весь частотный диапазон (1,6-30 МГц) делится на две части так называемой «делящей частотой» и присваиваются: нижний диапазон внешним системам, верхний ¾ внутренним.
· Схожий документ CENELEC prEN 59013, являющийся идентичным с вышеупомянутым ETSI TS и отличающийся только значением делящей частоты ¾ 13,5 МГц вместо 10 МГц в ETSI TS.
Дискуссии относительно этой делящей частоты подчеркивают установившуюся коммерческую оппозицию между производителями оборудования для внешних и внутренних систем, оппозицию, которая до сих пор затрудняет принятие положительного решения по prEN.
В то же время для второго поколения PLT-оборудования решение, разрешающее использование всего частотного диапазона в случае отсутствия PLT-активности в одной из половин радиодиапазона, уже находится на стадии рассмотрения.
· Так называемый «PSD»-документ TS 101 896:2001-02, разработанный ETSI, предлагающий ограничения на плотность энергетического спектра.
· Так называемый «Радиационный» документ CENELEC, предлагающий сравнимые пределы уровня мощности подаваемого сигнала (дБ(мВ/Гц)) и силы излучаемых полей на расстоянии 10 м в Информационном Дополнении, в котором последний раз связывалась мощность сигнала с «коэффициентом соединения». Для последнего только эмпирически полученные диапазоны значений доступны для вычислений.
Кроме того, можно упомянуть два документа, в Европе трактуемые как «региональные»:
· Немецкий «Nutzungsbestimmung» NB30, изданный «Regulierungsbehörde für Tele-kommunikation und Post» (RegTP), после обсуждения, длившегося с 1999 г, был одобрен Deutche Bundesrat 30 марта 2001г. Эта работа не была замечена Европейской Комиссией. В соответствии с этим документом частоты в диапазоне от 9кГц до 3 ГГц внутри и вдоль линий должны свободно использоваться при соблюдении некоторых условий:
¾ избытка различных частотных диапазонов, используемых радиослужбами, связанными с безопасностью.
¾ существования определенных ограничений пиковых значений сил излучаемого поля на расстоянии 3м.
¾ Отсутствия защиты против помех, вызываемых внутренними радиосистемами.
· Британское Радиокоммуникационное Агентство определило ограничения на силы поля, излучаемого телекоммуникационными системами в частотном диапазоне 150 кГц – 30 МГц на расстоянии 1м (150 кГц – 1,6 МГц) или 3м (1,6 МГц – 30 МГц), которые примерно на 20 дБ меньше ограничений в NB30.
Единственный существующий гармонизированный стандарт, который признан соответствующими сообществами как пригодный к использованию для вычисления помех от PLC-систем, ¾ это EN 55022. Для частотного диапазона 150 кГц – 30 МГц этот стандарт, базирующийся на CIPSR 22, устанавливает ограничения на напряжение проводимого сигнала (дБ (мкВ)). Если эти ограничения, без возможности прямого преобразования в ограничения на силу поля и, следовательно, без возможности сравнения с NB 30, будут применены к PLC-системам, операционный радиус этих систем может сократиться до участка в 300 м. Это значение рассматривается как эталон для экономичного использования PLC-систем, без использования повторителей. В настоящее время CISPR вносит поправки в CISPR 22, утверждающие, что PLC-системы попадают в рамки CISPR 22.
3. Технологические особенности
PLC-систем
3.1 Электромагнитные проблемы в
PLC-системах
Магистральная передача в целом, а PLC-системы в частности — это крайне сложные системы, разработка и поддержка работы которых требует учитывать многочисленные аспекты. В данной главе рассмотрим те аспекты, которые связаны с электромагнитными проблемами, как то: эффекты проводимости в сетях и эффекты излучения. В них входят:
¾ определение частотной полосы и соответствующих частот
¾ трансмиссионные характеристики и затухание сигнала в линиях
¾ ограниченный уровень шума внешних источников
¾ исключение возможности порчи сетевых устройств передаваемыми сигналами.
¾ исключение возможности порчи в связи с излучаемыми полями
¾ исключение взаимного влияния между системами
¾ уровень отклика от устройств-приемников
¾ допустимость/ограничение уровня сигнала
¾ модуляция и кодирование сигнала
Далее будет дана базовая информация по этим аспектам. Однако стоит помнить, что они не могут рассматриваться независимо друг от друга, так как один аспект может влиять на другие: например, уровень сигнала должен быть выше, чем уровень шума, но не настолько высок, чтобы излучаемые поля нарушали радиотрансляцию. Модуляция сигнала и кодирование — это основные показатели, определяющие надежность системы. Нельзя также забывать и про экономический аспект.
3.2 Основные технические характеристики.
3.2.1 Частота
PLC-системы нуждаются в достаточно широкой полосе частот, чтобы выполнять высокоскоростные функции. Эта полоса располагается в пределах 1-30 МГц.
Существуют три проблемы:
¾ данный диапазон частот занят коротковолновыми радиослужбами: широковещательной, службой безопасности, любительским радио. Поэтому эти частоты должны быть исключены
Рисунок 2. Распределение PLC – частот и допустимое излучение с исключениями Чимни (Chimney) в соответствии с NB30 (Германия).
| Начало полосы (кГц) |
1810 |
3500 |
7000 |
10100 |
14000 |
18055 |
21000 |
24890 |
28000 |
| Конец полосы (кГц) |
1850 |
3800 |
7100 |
10150 |
14350 |
18168 |
21450 |
24990 |
29700 |
¾ необходимо избегать интерференции между адресными и внутренними системами; решение — выделять отдельную полосу частот для каждого приложения
¾ испускаемые электромагнитные поля могут нарушать прием широковещательных радиотрансляций или других служб в том же частотном диапазоне.
Последняя проблема достаточно серьезна и более подробно рассмотрена далее в пункте 3.2.5. Первые две проблемы приводят к частотному спектру, представленному на рис. 2.
3.2.2 Передача сигнала
Большое разнообразие сетей и условий нагрузки делает очень сложным подсчет уровня напряжения сигнала на радиочастоте в 50/60-герцовых системах.
Практические статистические измерения дают результаты, с каким затуханием передаются сигналы. На Рис. 3 (верхняя кривая) показано в качестве примера затухание напряжения в 300-метровом кабеле как функция частоты: напряжение падает в пределах 20 дБ при частоте 1 МГц, 80 дБ при 20 МГц.
Рисунок 3. Затухание напряжения сигнала и шум в 300-метровом кабеле.
В первом приближении оно может быть подсчитано в следующем порядке:
Тип линии Затухание Радиус использования
1-30 МГц
Адресная область:
Кабель 40-80 дБ 300 м
Надземные линии 40-80 дБ 300 м
Внутренняя область до 80 дБ около 50 м
Когда невозможно достичь необходимого уровня отклика, требуется установка повторителей. Могут также потребоваться шлюзы между линиями обеспечения и внутренними линиями.
3.2.3 Уровень шума и помехи проводимости в сетях низкого напряжения
Уровень шума в линиях определяется для модемов. Рис. 3 (нижняя кривая) демонстрирует пример уровня шума в кабеле обеспечения. Существует три типа помех:
¾ постоянный широкополосный шум (белый шум)
¾ узкополосные «пики» (отдельные частоты)
¾ пульсации (не показаны на рис. 3)
Измерения шума основываются на нескольких факторах: ширина полосы и временная константа измерительного инструмента, пиковое, или квазипиковое, или среднее значение и т.д. Это делает сравнительные измерения сложными. Должен быть соответствующий метод, чтобы стандартизировать измерения, например, в соответствии с CISPR 16 (ширина полосы 9 кГц, пиковое значение). По общему мнению стоит рассматривать диапазон:
¾ широкополосный шум (ширина полосы 100 кГц, пиковое значение): 30-40 дБ, мкВ (по отношению к 9 кГц — отношение частот не известно достаточно хорошо для этого типа шума: от <20
дБ мкВ до <
30 дБ мкВ)
¾ Узкополосный шум (до 50-60 дБ мкВ)
Измерения в зданиях показывают уровень шума в тех же пределах. Сравнимые уровни были зарегистрированы и в компьютерных сетях.
3.2.4 Ограничение уровня сигнала во избежание нарушения работы других сетевых устройств.
PLC-системы не должны нарушать работу других устройств, подключенных к той же сети. Защищенность таких устройств против проводимого «шума» в частотном диапазоне от 0,15 до 80 Мгц обеспечивается Общим стандартом EMC. Это намного больше, чем уровень сигнала PLC (см. параграф 5.6 ниже) и опасность такого воздействия исключена.
3.2.5 Ограничение уровня сигнала из-за излучаемых полей.
Напряжение в PLC-системах и токи, циркулирующие в сетях низкого напряжения, порождают электромагнитное излучение, которое может взаимодействовать с радиослужбами, работающими на той же частоте. Фактически, диапазон 1-30 Мгц, включающий в себя соответственно длины волн 300-10 м, занят коротковолновыми широковещательными службами и другими зарезервированными сервисами, такими как сигнализация, полиция и т.д. Конечно же, их функции не должны нарушаться PLС-системами, и это является основной заботой властей и пользователей.
Некоторые особенности электросетей:
¾ каждый проводник излучает электрические и магнитные поля. Когда два проводника с противоположно направленными токами находятся очень близко друг к другу, результирующее поле очень мало, практически пренебрежимо.
¾ Если проводники находятся на некотором расстоянии, некоторое поле образуется вследствие асимметрии между двумя компонентами. Так происходит в случае силовых кабелей 3ф +(N+G) во внешней области, особенно когда N-проводник заземлен. Асимметрия становится еще значительнее в случае надземных линий.
Асимметрия возникает также внутри зданий и комнат вследствие «дикой» конфигурации внутренней проводки, розеток, бытовых приборов и т.д.
Пределы для PLC-сигналов даны на время в двух формах: как ограничения на излучаемые поля или как ограничения на уровень сигнала в сети. Рисунок 4 демонстрирует допустимые пределы для полей, излучаемых PLC-сигналами, определяемые различными национальными властями. Британские требования более жесткие, американские — более мягкие.
Рисунок 4. Ограничения на излучаемые поля в Британии, Германии и США.
Перед установкой новой PLC-системы необходимо определить поле, которое она может породить. Что касается силовых кабелей, в этом случае поля, создаваемые PLC-системой могут быть вычислены. Однако на практике оказывается, что, по сравнению с прямым измерением электрических полей, вычисления дают слишком большие значения. Это можно объяснить тем фактом, что рядом с кабелем мы не можем определить поле в удаленных областях. В зданиях конфигурация проводки настолько сложна, что практически применимы только статистические измерения. В основном дальнейшие статистические исследования и представляются необходимыми. Нас интересуют создающие помехи поля на расстоянии 1,3, максимум 10 м от силовых линий или внутри комнаты.
Чтобы с большей легкостью оценить эти поля, было предложено упрощение — использовать замещающую функцию, названную «коэффициент соединения». Он может быть определен как отношение:
E(f) – Электрическое поле в В/м
kE = ———————————————
U(f) — Напряжение передаваемого сигнала в В
Практически в этом частотном диапазоне легче измерять магнитное поле и преобразовывать результат в электрическое поле путем умножения на сопротивление пустого пространства Zo (377Ω)
E(f) μV/m = H(f) μA/m*Zo или E(f) dBμV = K(f)dB μA/m + 51,5dB
Замечание: Другое предложение заключается в том, чтобы соотнести коэффициент соединения с вводимой мощностью, но этот метод выглядит менее простым при проведении измерений в узле сети.
Рис. 5 иллюстрирует пример измерений коэффициента соединения. Практически существуют огромный разброс значений этого коэффициента, возможно, по причине эффекта резонанса, который делает прогноз полей крайне неточным.
Рисунок 5. Коэффициент соединения для напряжения поблизости от частного дома.
При первом приблизительном рассмотрении, могут быть получены следующие значения коэффициента соединения:
— силовые кабели во внешних областях: от -35 до -55 дБ
— внутренние площади: от -20 до 40 дБ
3.3 Измерение полей.
Что касается узкополосных PLC-систем, было проведено множество измерений полей. Несколько систем, например, входящие в ENEL в некоторых итальянских городах, уже в регулярном использовании в течение некоторого времени или расширяются в данный момент.
Недавно в некоторых странах были проведены или стали рассматриваться на предмет запуска измерения полей, связанные с широкополосными PLC-системами.
Результаты, полученные в ходе этих измерений, привели к следующим заключениям:
¾ удовлетворительная производительность высокоскоростного доступа в Интернет и телефонии
¾ различные нужды/возможности оптимизации; например, путем оптимизации программного обеспечения и модификации использования части частотных полос может быть достигнуто улучшение пропускной способности от 1,8 Мбит/с до 3 Мбит/с.
¾ ограничение сил поля до значения, соответствующего указанному в NB 30, может привести к снижению приемлемой дистанции для «последней мили» примерно вдвое. Ограничение в соответствии с EN 55022, Class B (жилой район), может вести к росту нерентабельности.
¾ Высокая заинтересованность потребителей в предложенных услугах, особенно достаточно высокой скорости передачи данных в Интернет в сочетании с неплохими тарифами. Увеличение конкурентоспособности входит в интересы Европейской Комиссии.
3.4 Модуляция сигнала и кодирование.
Методы модуляции сигналов и кодирование команд, в общем, не рассматриваются как проблемы, но, так как они тесно связаны с нарушениями работы сети, мы коротко рассмотрим их.
Что касается метода модуляции, в связи с передачей различных сигналов и иммунитету к импульсным помехам рассматриваются только широкополосные методы с частотным мультиплексированием. OFDM-модуляция (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам), похоже, пользуется наибольшим предпочтением. Она состоит в разделении доступного спектра на большое число подканалов и передаче данных по N из этих каналов с частотами f1,f2,…,fN. Преимущество этого метода состоит в том, что он позволяет избегать каналов, соответствующих запрещенным частотам и, в связи с этим, повысить уровень передаваемого сигнала. Подробнее мы остановимся на OFDM-модуляции, являющейся основой технологии PLC, немного позднее.
Метод кодирования должен выбираться в соответствии с конкретными выполняемыми функциями. Важный пункт, который надо учитывать — это одновременный запуск различных приложений, например, команд и Интернет или телефона. Каждому приложению при этом выделяется определенное количество каналов.
3.5 Руководство по определению уровня сигнала.
Различные факторы, описанные выше, которые должны быть учтены, делают относительно сложной оценку реальных характеристик PLC-системы. Следующий пример может служить руководством, принимая во внимание неуверенность в полученных коэффициентах. Предполагается система с операционной полосой шириной в 1Мгц (2Мбит/c), использование OFDM-модуляции (которая обеспечивает хорошую защиту против шумовых пульсаций) и средние значения учитываемых факторов.
Можно пойти следующим путем:
¾ Уровень широкополосных помех с В = 100 кГц » 35 дБ мкВ
В = 1 МГц ¾ до 45 дБ мкВ
¾ гарантийный резерв – 10дБ
¾ Затухание сигнала в силовом кабеле – 60 дБ
¾ Приложенное напряжение = 45+10+60 = 115 дБ мкВ / 0,56
¾ Коэффициент соединения: -45 дБ
¾ Излучаемое поле: 115 дБ – 45 дБ = 70 дБ ® 30 мВ/м
Другой метод вычислений может базироваться на спектре плотности энергии (СПЭ).
Некоторые замечания:
¾ Уровень сигнала внутри и около точки излучения превышает пределы, установленные в CISPR 22 (максимум 60 дБ)
¾ Излучаемое поле превышает допустимый для Германии и Британии уровень излучаемых полей (максимум вне кабеля 50дБ)
¾ Приведенный выше пример неприемлем. Параметры поля, указанные в NB30, могут быть получены при сигнале, меньшим на 20 дБ. Некоторые производители заявляют, что они могут удовлетворить эти требования. Однако требования CISPR очень жесткие, и вопрос встает остро, если для PLC не будут установлены более щадящие пределы.
3.6 Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам
Технологию OFDM-модуляции рассмотрим на примере стандарта 802.11а.
По сути, OFDM является частным случаем техники передачи данных с использованием множества несущих (MultiCarrier Modulation -- MCM). Главный принцип MCM заключается в том, чтобы разделить основной поток бит на ряд параллельных подпотоков с низкой скоростью передачи и затем использовать их для модуляции нескольких несущих (поднесущих). При этом, вообще говоря, к каждой из поднесущих может быть применена любая техника модуляции. Общая структура MCM-системы представлена на рис. 1.
Традиционный метод разделения полосы пропускания заключается в применении частотных фильтров. Хорошо известным примером этой техники является мультиплексирование с разделением по частотам (Frequency Division Multiplexing -- FDM). На рис. 2 представлены типичные спектральные кривые для трех подканалов FDM. Чтобы избежать межканальной интерференции, спектры подканалов должны быть разделены защитной полосой. Такое требование приводит к неэффективному использованию выделенного частотного диапазона.
Применение преобразования Фурье позволяет разделить частотный диапазон на поднесущие, спектры которых перекрываются, но все остаются ортогональными. Ортогональность поднесущих обозначает, что каждая из них содержит целое число колебаний на период передачи символа. Как видно из рис. 3, спектральная кривая любой из поднесущих имеет нулевое значение для "центральной" частоты смежной. Именно эта особенность спектра поднесущих и обеспечивает отсутствие интерференции между ними. В приведенном примере максимумы разделены диапазоном 300 Hz.
Еще одним преимуществом OFDM является ее устойчивость к так называемому эффекту многолучевого запаздывания. Он вызывается тем, что излученный сигнал, отражаясь от препятствий, приходит к приемной антенне разными путями. Это может привести к искажениям за счет межсимвольной интерференции. Для ослабления эффекта многолучевого запаздывания символы передаются с большим периодом. Устойчивость может быть повышена путем добавления защитного временного периода между передаваемыми символами. Обычно используют циклическое расширение -- конечную часть волны, кодирующей символ, добавляют к начальной части. Это увеличивает длину символа, не нарушая ортогональности. Кроме того, циклическое расширение позволяет выбрать окно для преобразования Фурье в любом месте временного интервала символа (рис. 4).
Физический уровень.
Стандарт 802.11a предусматривает использование полосы частот 5,15--5,825 GHz и скорость передачи данных до 54 Mbps. Полоса поделена на три рабочие зоны, каждая из которых имеет ширину 100 MHz и максимально допустимую мощность излучаемого сигнала (в США). Первые 100 MHz в нижней части диапазона (5,15--5,25 GHz) ограничены выходной мощностью 50 мВт, излучаемая мощность в средней зоне (5,25--5,35 GHz) не должна превышать 250 мВт, а в верхней зоне (5,725--5,825 GHz) -- 1 Вт. Предполагается, что верхняя зона частот будет использоваться для каналов, соединяющих здания, или других наружных приложений, тогда как две другие зоны -- для применения внутри зданий.
Схема модуляции
Высокая скорость передачи достигается за счет группировки множества низкоскоростных подканалов (поднесущих). Это выполняется следующим образом. Две нижние зоны делятся на восемь неперекрывающихся каналов шириной 20 MHz. В свою очередь, каждый канал разбивается на 52 подканала по 300 kHz (рис. 5). Из них 48 подканалов используются для передачи данных, а остальных четыре -- для кодов коррекции ошибок. Устройства, удовлетворяющие стандарту 802.11a, должны поддерживать скорости передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 или 54 Mbps. Такое многообразие скоростей достигается с помощью применения различных схем кодирования. Так, на нижнем уровне иерархии скоростей используется бинарная фазовая модуляция (Binary Phase Shift Keying -- BPSK). Она обеспечивает пропускную способность подканала 125 Kbps, что, умноженное на 48, дает 6 Mbps для одного канала. Квадратурная фазовая модуляция (QPSK) удваивает это значение, доводя его до 12 Mbps.
Последующего удвоения удается добиться с помощью 16-уровневой квадратурной амплитудной модуляции (16QAM), которая кодирует 4 бита информации на 1 Hz, а применение схемы 64QAM дает скорость передачи данных 54 Mbps. В итоге восемь каналов предоставят суммарную пропускную способность 423 Mbps с поддержкой 512 пользователей. Безусловно, это не означает, что каждый из пользователей сможет передавать и получать данные со скоростью 54 Mbps, они будут просто разделять полосу пропускания в зоне покрытия определенного канала. Заметим, что стандарт 802.11b поддерживает лишь три неперекрывающихся канала по 11 Mbps каждый, т. е. обеспечивают суммарную полосу пропускания только 33 Mbps.
Генерация OFDM-сигнала
При формировании OFDM-сигнала необходимо обеспечить ортогональность поднесущих. Поэтому сначала, исходя из характера входных данных, определяются требуемый частотный спектр и необходимая схема модуляции. Каждая поднесущая связывается со своим подпотоком данных. Амплитуда и фаза поднесущей вычисляются на основе выбранной схемы модуляции (BPSK, QPSK или QAM). Затем с помощью обратного преобразования Фурье (ОПФ) амплитуда как функция фазы преобразуется в функцию от времени (преимущественно используется вариант обратного быстрого преобразования Фурье ¾ ОБПФ). Принимающая аппаратура с помощью БПФ преобразует амплитуду сигналов как функцию от времени в функцию от частоты, генерируя при этом набор ортогональных синусоид (рис. 6).
Список Литературы
G. Goldberg. “EMC PROBLEMS OF POWER LINE COMMUNICATION (PLC) SYSTEMS”. 2001
G.F. Bartak. “POWERLINE COMMUNICATION SYSTEMS. NORMATIVE AND REGULATORY ASPECTS FOR THEIR APPLICATION”. 2001
Леонид Бараш. «Быстрый эфир стандарта IEEE 802.11a» (Компьютерное Обозрение #44, 14 - 20 ноября 2001).
Информация с сайта www.hostinfo.ru.
Информация с сайта proua.com
«Анализ решений по использованию перспективных технологий передачи данных по электрическим сетям для организации «последней мили» на базе инфраструктуры энергетических объектов АО Энерго». М. 2001