PLC адаптер от Ростелекома: функционал и схема подключения. Проблемы развития и особенности технологии PLC
Идея осуществлять передачу данных по электрической сети появилась несколько десятков лет назад. Еще в 30-х годах прошлого века в России и Германии проводились эксперименты по использованию силовых линий для передачи информации. Однако до конца 90-х годов технология находила весьма ограниченное применение. В основном она использовалась для оснащения высоковольтных линий электропередачи ВЧ-каналами связи для передачи управляющей информации для технических служб с низкой (2,4 Кбит/с) скоростью.
собый интерес к возможности передачи информации по силовой сети возник с развитием Интернета. Чтобы предоставить доступ в Интернет широким слоям населения, необходимо было связать точки присутствия провайдера с домами или офисами клиентов, большинство из которых не имеют канала для высокоскоростного доступа, аналогичного тому, которым обладает провайдер. Причем для того, чтобы проложить такой кабель, каждому клиенту придется выложить немалую сумму. И если корпоративные пользователи часто могут позволить себе подключение по дорогостоящей технологии, то для домашних, которых значительно больше, это абсолютно неприемлемо. Таким образом, перед инженерами была поставлена задача разработать доступную по цене технологию последней мили, которая надежно связала бы провайдера и его клиентов.
Десятки компаний работали в этом направлении, вложив сотни миллионов долларов в различные технологии, начиная с хDSL, коаксиальных телевизионных кабелей, беспроводного радиодоступа и заканчивая передачей данных через спутник.
Многие технологии основывались на том, чтобы использовать уже имеющуюся инфраструктуру - телефонные линии, сети кабельного телевидения и т.п. - для осуществления доступа в Интернет. Однако очевидно, что с точки зрения распространенности и доступности готовой инфраструктуры с силовой сетью не может сравниться никакая другая. Силовые розетки есть в каждом доме даже в самых отдаленных уголках земного шара.
В 90-х годах проводился целый ряд исследовательских работ по высокоскоростной передаче данных по силовой сети, в ходе которых были выявлены некоторые проблемы: электропроводка характеризуется высоким уровнем шумов, быстрым затуханием высокочастотного сигнала, изменением коммуникационных параметров линии в зависимости от текущей нагрузки. Со временем эти трудности удалось преодолеть. В процессе разработки более совершенных способов модуляции сигналов были созданы технологии высокоскоростного выхода в Интернет при помощи электросети.
Пионером в этой области была британская компания Nor.Web, которая совместно с компанией United Utilities разработала технологию Digital Power Line (DPL), позволяющую передавать голос и пакеты данных через простые электрические сети 120/220 В.
В 1997 году был проведен первый эксперимент, а уже через два года технология прошла испытания в Манчестере и Милане. Однако результаты были неудачными, и Nor.Web прекратила исследования. Неоднородность среды передачи и отсутствие элементной базы и единого стандарта привели к тому, что технология Digital Powerline не получила коммерческого применения.
Вслед за DPL появились решения немецких компаний: Bewag запатентовала телекоммуникационную разработку, позволяющую передавать данные по электропроводам, Veba достигла увеличения скорости передачи данных по силовым сетям, но наибольших успехов в технологии передачи данных по электросетям добилась израильская компания Main.net (www.mainnet-plc.com). Ее технология PLC (Powerline Communications) получила широкое распространение.
PLC-оборудование обеспечивает передачу как данных, так и голоса (VoIP). Скорость передачи данных может составлять от 2 до 10 Мбит/c.
В основе технологии PLC лежит частотное разделение сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на несколько низкоскоростных потоков, передающихся на отдельных поднесущих частотах с последующим их объединением в один сигнал.
Главным ценовым конкурентом «электрического» доступа является асимметричная цифровая абонентская линия (Asymmetrical Digital Subscriber Lines, ADSL). При этом следует отметить, что несимметричные каналы не подходят для решения всех задач, например они не годятся для динамичных онлайновых игр, где обратный трафик достаточно велик.
PLC-службы, такие как высокоскоростной доступ в Интернет (high speed Internet), сегодня доступны в целом ряде европейских стран. Например, в Германии служба предлагается в нескольких городах под разными торговыми марками: Vype (www.vype.de); Piper-Net (www.piper-net.de) и PowerKom (www.drewag.de); в Австрии под торговой маркой Speed-Web (www.linzag.net); в Швеции услуга предоставляется под брендом ENkom (www.enkom.nu); в Нидерландах под именем Digistroom (www.digistroom.nl); в Шотландии Broadband (www.hydro.co.uk/broadband).
Перспективная технология заинтересовала таких мощных игроков телекоммуникационного рынка, как Motorola, Cisco Systems, Intel, Hewlett-Packard, Panasonic, Sharp и др. Например, Motorola совместно с Phonex Broadband и Sonicblue успешно опробовала метод передачи по электросети музыкальных файлов. Для того чтобы избежать негативных факторов конкуренции, несколько крупных телекоммуникационных компаний объединились в альянс (он получил название HomePlug Alliance) с целью совместного проведения научных исследований и практических испытаний, а также принятия единого стандарта на передачу данных по системам электропитания.
Привлекательность PLC-технологии для энергетических компаний
Для энергетических компаний PLC-технология выгодна по следующим причинам:
Открывает путь на новые рынки, так как превращает линии электропередачи в сеть передачи данных;
Позволяет предлагать клиентам такие востребованные услуги, как высокоскоростной доступ в Интернет, телефонию и др.;
Не требует частотного ресурса и соответствующих лицензий;
Недорогое оборудование обеспечивает низкие начальные капиталовложения и возможность поэтапного наращивания мощностей;
Позволяет предложить новые виды услуг без существенных капиталовложений, поскольку электросетевое оборудование уже имеет большое количество пользователей, развитую инфраструктуру для построения системы поддержки клиентов, ремонтные службы и т.п.;
Предоставляет энергетическим и муниципальным компаниям возможность постоянного дистанционного мониторинга всех параметров потребления электроэнергии, воды, газа, тепла и транзакций по оплате любых видов услуг.
Высокоскоростной доступ в Интернет
Стоимость реализации технологии последней мили складывается из стоимости линейной инфраструктуры (примерно 60-80% от общей стоимости), стоимости оборудования (20-30%) и стоимости проектирования, подготовительных инжиниринговых работ и т.п. (10-20%). Широкая распространенность электрических сетей 0,2-0,4 кВ, отсутствие необходимости в дорогостоящих работах по проводке траншей и пробивке стен для прокладки кабелей стимулируют повышенный интерес к ним как к среде передачи данных. В качестве примера высокоскоростного подключения к Интернету можно привести технологию швейцарской компании Ascom, являющейся лидером в производстве систем и сетей связи на основе PLC-технологии. Компания предлагает комплексное решение, при котором питающие здание электрические кабели служат «последней милей» для передачи данных, а электропроводка внутри здания выступает в роли «последнего дюйма». Наружная (Outdoor; рис. 2) и внутренняя (Indoor; рис. 3) системы позволяют использовать одну и ту же передающую среду и различные несущие частоты. Для передачи данных по питающим здание фидерам применяются низкие частоты, а внутри зданий - высокие.
Для наружных приложений компания Ascom предлагает использовать три несущие со значением средних частот 2,4; 4,8 и 8,4 МГц. В зависимости от расстояния передачи каждая из несущих передает данные со скоростью от 0,75 до 1,5 Мбит/с. При небольшом расстоянии между промежуточной приемопередающей точкой (например, трансформаторной подстанцией) и зданием применяются все три несущие. При этом достигается скорость передачи до 4,5 Мбит/с. При минимальной скорости передачи без репитеров может быть покрыто расстояние 200-300 м. Для наивысших значений скоростей передачи расстояние сокращается примерно вдвое.
Концепция репитеров позволяет PLC вдвое расширить область действия наружных и внутренних приложений. Репитер принимает трафик данных от мастер-устройства и передает его на оконечные устройства, которых оно не может достичь напрямую.
Еженедельно компания Ascom выпускает около 6 тыс. PLC-адаптеров и 2 тыс. сетевых устройств.
В качестве примера реализации проектов Ascom Powerline можно привести проект одного из ведущих поставщиков электроэнергии в Германии - компании RWE, предоставляющей доступ через сеть RWE PowerNet по более низкой цене, чем телевизионные и кабельные компании. В настоящее время на базе оборудования Ascom Powerline Communications AG уже реализован ряд проектов в странах Восточной Европы, готовятся пилотные проекты по внедрению PLC на Украине и в России.
PLC-технологии для домашних сетей
Возможность передачи информации по электросети позволяет решить проблему не только последней мили, но и «последнего дюйма». Дело в том, что количество проводов, которые используются для соединения домашних ПК и других предметов домашней электроники, уже возросло непомерно: в 150-метровой квартире прокладывается до 3 км различных кабелей. А электрическая сеть как раз является идеальной средой для передачи управляющих сигналов между бытовыми приборами, работающими в сети 110/220 В. PLC-технологии для домашних сетей позволяют эффективно реализовать концепцию интеллектуального дома, предоставив целый ряд услуг по дистанционному мониторингу, охране жилища, управлению его режимами, ресурсами и пр.
В частности, известная компания LG предлагает связывание своей бытовой электроники посредством силовой сети (рис. 5):
Интернет-холодильник осуществляет функции контроля и мониторинга цифровой электроники, подключенной к сети, и предоставляет доступ в Интернет;
Интернет-стиральная машина управляется по сети, позволяет загружать программы стирки из Интернета;
Интернет-микроволновая печь позволяет скачать рецепт блюда из Интернета, осуществлять удаленный Интернет-мониторинг;
Интернет-кондиционер управляется через Интернет.
Ожидается, что PLC-технология сможет дать новый импульс развитию средств передачи данных по линиям электропитания и сделает возможным прямой доступ в Глобальную сеть практически из любой точки земного шара по минимальной стоимости. Пока технология не получила широкого распространения, однако в ближайшем будущем можно ожидать, что она серьезно потеснит альтернативные технологии и приведет к существенным изменениям на рынке провайдерских услуг: к снижению расценок на доступ в Сеть, включая цены на подключение по коммутируемой телефонной линии и по выделенным линиям.
Если PLC-технология получит распространение, она сможет значительно изменить расстановку сил на рынке предоставления услуг Интернет-доступа и будет способствовать разработке новых принципов проектирования силовых электрических сетей - с учетом как энергетических, так и коммуникационных требований.
Передача информации по сетям электропитания с помощью ИС компании Semtech (2015)
Номенклатура изделий, выпускаемых Semtech Corporation, включает в себя множество ИС физического уровня, позволяющих организовать передачу информации как по проводам, так и по радиоканалу (оптические приёмопередатчики, драйверы линий, радиотрансиверы и т.д.). Поглощение в начале 2015 года компании EnVerv, лидера в разработке PLC (Power Line Communications) модемов, позволило расширить линейку коммуникационной продукции Semtech за счет устройств, обеспечивающих обмен данными по типовым линиям электропередач. В рамках данной статьи остановимся на принципах функционирования и построения сетей на базе однокристальных PLC микросхем компании Semtech, рассмотрим особенности отдельных представителей нового семейства и приведем примеры практической реализации устройств на их основе.
ВВЕДЕНИЕ
Передача информации и организация питания по одним и тем же проводам достаточно эффективно используется в различных применениях. К примеру, можно вспомнить стандартные телефонные линии или Ethernet сети, выполняющие подключение удаленных узлов с помощью технологии , при которой питание осуществляется по отдельным жилам кабеля связи. Однако у большей части таких решений есть очевидный недостаток: все они в общем случае требуют проведения монтажных работ, затраты на которые зачастую составляют большую часть стоимости наладки сети. Более того, существует ряд ситуаций, при которых прокладка новых кабелей крайне нежелательна или даже невозможна – примером таких ситуаций являются недавно законченный ремонт, после которого неожиданно выясняется, что необходимо прокладывать дополнительные провода для компьютерных сетей либо арендуемый офис с непредусмотренным каналом выхода в интернет. В этих случаях почти всегда можно ограничиться существующей инфраструктурой, а именно, воспользоваться уже имеющейся практически в каждом помещении электропроводкой для организации сравнительно быстрого и надежного канала связи, разветвленного по всему зданию.
Телекоммуникационная технология PLC, базирующаяся на использовании силовых электросетей для обмена данными путём наложения полезного сигнала поверх стандартного переменного тока частотой 50 или 60 Гц, отличается простотой реализации и оперативностью монтажа устройств на её основе. Первые системы передачи данных по электрическим сетям появились ещё в 1930-х годах, в основном они использовались для сигнализации в энергосистемах и на железных дорогах, характеризуясь при этом очень низкой пропускной способностью . В конце 1990-х годов ряд компаний реализовал первые большие проекты в этой области, однако в процессе эксплуатации были выявлены серьезные проблемы, основной из которых была слабая помехозащищенность. Работа энергосберегающих ламп, импульсных блоков питания, зарядных устройств, тиристорных диммеров и бытовых электроприборов, а также электродвигателей и сварочного оборудования, особенно включенных в непосредственной близости от PLC-модема, вызывала в незащищенных от высокочастотных излучений проводах импульсные помехи, которые приводили к резкому снижению достоверности передачи данных. Также на стабильность и скорость прохождения сигнала негативное влияние оказывала неоднородность линий связи, в частности, качество и изношенность электрических сетей, наличие стыков из материалов с разной электропроводностью (например, меди и алюминия), наличие скруток и т.д. В результате общее снижение номинальной скорости передачи данных составляло от 5 до 50 %. Кроме того, в помещениях, где работали PLC-устройства, в некоторых случаях наблюдалось нарушение радиоприёма на расстоянии порядка 3-5 метров от модема, особенно на средних и коротких волнах. Это происходило из-за того, что провода электросети начинали действовать как антенны радиоретрансляторов, излучая, по сути, весь трафик в эфир.
Технология передачи данных по электросетям получила должное коммерческое применение только в начале текущего столетия, а её внедрение и широкое распространение обусловлено появлением соответствующей элементной базы, в т.ч. высокопроизводительных микроконтроллеров и быстрых DSP процессоров (цифровых сигнальных процессоров), позволяющих реализовать сложные методы модуляции сигнала и современные алгоритмы шифрования данных. Это обеспечило не только высокий уровень достоверности при передаче информации, но и её защиту от несанкционированного доступа. Также важное значение имело решение проблемы стандартизации различных аспектов технологии. В настоящее время основными организациями и сообществами, регламентирующими требования к PLC-устройствам, являются IEEE, ETSI, CENELEC, OPERA, UPA и HomePlug Powerline Alliance. Последняя из них является международным альянсом, объединяющим около 80 известных на рынке телекоммуникаций компаний, среди которых Siemens, Motorola, Samsung и Philips. Деятельность альянса, организованного в 2000 году, направлена на проведения научных исследований и практических испытаний совместимости устройств различных изготовителей, использующих данную технологию, а также поддержку и продвижение единого стандарта под названием HomePlug.
Все существующие PLC-системы принято разделять на широкополосные (BPL – Broadband over Power Lines) и узкополосные (NPL – Narrowband over Power Lines). Спектр решаемых с их помощью задач очень широк, а выбор необходимого метода основывается на характеристиках и объёме передаваемой информации. Широкополосные устройства (со скоростью от 1 до 200 Мбит/c) ориентированы на системы доступа к интернету, на создание домашних компьютерных сетей, а также на приложения, требующие высокоскоростного обмена данными: потоковое видео, системы видеоконференцсвязи, цифровой телефонии и т.д. Наибольший интерес для разработчиков аппаратуры представляют узкополосные PLC-модемы в связи с их относительной дешевизной и улучшенными характеристиками, позволяющими работать не только в обычных сетях, но и в сетях с повышенным уровнем помех. Микросхемы и модули для узкополосных модемов (с пропускной способностью канала от 0,1 до 100 Кбит/с) широко применяются в составе различных изделий бытового и промышленного назначения, при создании распределенных систем автоматизированного контроля и управления в цехах и системах жизнеобеспечения зданий (лифтах, устройствах кондиционирования и вентиляции), средств учета потребления электроэнергии, воды, газа, тепла, приборов охранной и пожарной сигнализации.
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ PLC
Основой PLC-технологии является использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на несколько относительно низкоскоростных, каждый из которых передается на отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в результирующий сигнал (рис. 1).
При использовании обычной модуляции с частотным разделением (FDM – Frequency Division Multiplexing) доступный спектр расходуется неэффективно. Связано это с наличием защитных интервалов между отдельными поднесущими, необходимых для предотвращения взаимного влияния сигналов (рис. 2а). Поэтому в PLC устройствах применяется ортогональное частотно-разделенное мультиплексирование (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing), при котором центры поднесущих частот размещаются так, что пик каждого последующего сигнала совпадал с нулевым значением предыдущего. Как видно на рис. 2б, доступная полоса частот в этом случае расходуется более рационально.
Перед объединением в один сигнал все поднесущие частоты подвергаются фазовой модуляции – каждая своей последовательностью бит. После этого они проходят через блок формирования, где собираются в единый информационный пакет, называемый еще OFDM-символом. На рисунке 3 приведен пример относительной квадратурной фазовой манипуляции (DQPSK - Differential Quadrature Phase Shift Keying) для каждой из четырех поднесущих частот в диапазоне 4,5-5,1 МГц. Реально в технологии PLC передача ведется с использованием 1536 поднесущих частот с выбором 84 наилучших на диапазоне от 2 до 32 МГц в зависимости от текущего состояния линии и наличия помех. Данный способ придает PLC технологии гибкость при использовании в различных условиях. Например, как уже было сказано выше, работающее PLC-устройство способно "глушить" радиоприём на определенных частотах, эта проблема хорошо известна радиолюбителям. Ещё одним примером является случай, когда некое приложение уже использует часть диапазона. Технически устранение нежелательного взаимного влияния реализуется путем использования настроек, так называемых Signal Mode и Power Mask на устройствах, в которых предусмотрена соответствующая возможность. Signal Mode – программный метод определения рабочего диапазона частот, а Power Mask – программный метод ограничения спектра используемых частот. За счёт этого PLC-устройства могут спокойно сосуществовать в одной физической среде и не зашумлять диапазоны частот, используемые для радиосвязи.
При передаче сигналов по бытовой электросети могут возникать значительные затухания передаваемого сигнала на определенных частотах, что может привести к потере и искажению данных. Для решения вопроса адаптации к физической среде передачи предусмотрен способ динамического включения и выключение передачи сигнала, позволяющий выполнить обнаружение и устранения ошибок и конфликтов. Суть данного метода заключается в постоянном мониторинге канала передачи с целью выявления участка спектра с превышением определенного порогового значения затухания. В случае обнаружения данного факта, использование проблемного диапазона на время прекращается до восстановления приемлемого значения затухания, а данные передаются на других частотах (рис. 4).
Другой существенной сложностью при передаче данных по бытовой электросети, теперь уже для самих устройств PLC, являются импульсные помехи, источниками которых могут быть различные зарядные устройства, галогеновые лампы, включение или выключение различных электроприборов (рис. 5). Сложность ситуации заключается в том, что, используя вышеописанный метод, PLC-модем не успевает адаптироваться к быстроменяющимся условиям, ведь их длительность может не превышать одной микросекунды, в результате часть битов может быть утеряна. Для решения этой проблемы используется двухступенчатое (каскадное) помехоустойчивое кодирование битовых потоков перед тем, как они будут промодулированы и поступят в канал передачи данных. Его суть состоит в добавлении в исходный информационный поток по определенным алгоритмам избыточных ("защитных") битов, которые используются декодером на приемной стороне для обнаружения и исправления ошибок. Каскадирование блочного кода Рида-Соломона и простого сверточного кода, декодируемого по алгоритму Витерби, позволяет исправлять не только одиночные ошибки, но и пакеты ошибок, что значительно увеличивает целостность передаваемых данных. Кроме того, помехоустойчивое кодирование увеличивает безопасность передаваемой информации с точки зрения защиты от несанкционированного доступа.
Так как в качестве среды передачи данных выбрана разветвленная сеть бытового электропитания, то в один момент времени передачу могут начать сразу несколько подключенных устройств. В такой ситуации для разрешения конфликтов столкновения траффика применяется регулирующий механизм – протокол доступа к среде CSMA/CA. Разрешение коллизий происходит на основе того или иного приоритета, задаваемого в специальных полях приоритезации пакетов данных.
ИС SEMTECH ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ PLC ТЕХНОЛОГИИ
PLC продукция компании Semtech предназначена для эксплуатации в типовых линиях электроснабжения с низким или средним рабочим напряжением . Любой модем, работающий с аналоговой физической линией, должен иметь функциональные узлы, необходимые для обработки аналоговых данных, преобразования их в цифровую форму и, конечно, для обработки цифровых данных. На стороне передачи модем также должен производить кодирование цифровых данных в соответствии с заданным алгоритмом, преобразовывать их в аналоговые и посылать в линию.
Все эти действия выполняют микросхемы серии EV8ххх. Узкополосные микросхемы, представляющие собой “системы на кристалле”, отличаются высокой степенью интеграции и содержат все необходимые структурные блоки для реализации физического, MAC и других уровней протокола (6LoWPAN и IEC). Поддерживают несколько типов модуляции, на практике наиболее часто применяется OFDM для организации устойчивого и помехозащищенного канала связи. Однокристальные ИС, прошедшие тестирование функциональной совместимости в HomePlug Alliance Netricity, отличаются универсальностью применения, на их основе проектируются как оконечные узлы, так и координаторы сети. Спецификация Netricity разработана для сетевых коммуникаций по линиям электросети большой дальности и предназначена для внедомовой инфраструктуры, интеллектуальных сетей распределения электроэнергии и управления производственными процессами. Технология может быть использована как в плотных городских, так и в сельских электросетях с использованием частот ниже 500 кГц. Она также включает уровень доступа на основе IEEE 802.15.4 (MAC), являющийся ключевым для разработки гибридных проводных/беспроводных сетей. Основные технические характеристики PLC микросхем компании Semtech представлены в таблице 1.
ИС серии EV8ххх обладают программируемыми диапазонами частот от 10 до 490 кГц, покрывая CENELEC A (10 – 95 кГц), CENELEC B (95 – 120 кГц), CENELEC C (120 – 140 кГц), FCC (10 – 490 кГц) и ARIB (10 – 490 кГц) полосы без изменений в конструкции устройства . Путем удаленной загрузки соответствующего встроенного программного обеспечения по линии электросети они могут быть настроены для работы в режимах ITU-T G.9903 (G3-PLC), ITU G.9902, ITU-T G.9904 (PRIME), IEEE P1901.2 и IEC-61334 (S-FSK). Кроме того они поддерживают фирменный высокопроизводительный режим 4GPLC. Конструктивно микросхемы семейства изготавливаются в низкопрофильных корпусах для поверхностного монтажа, предназначенных для эксплуатации в диапазоне рабочих температур от -40 до +85°C . Упрощенная структура с изображением основных функциональных узлов приведена на рис 6, здесь можно выделить следующие блоки:
Блок AFE (Analog Front-End) представляет собой набор аналоговых компонентов, обеспечивающих изоляцию при помощи трансформатора с разделительным конденсатором, фильтрацию и усиление входного сигнала, и формирование заданных уровней выходного передаваемого сигнала путем использования драйвера линии на ОУ;
PHY – это блок, предназначенный для сопряжения цифровой части микросхемы с аналоговой линией;
32-битный RISC микроконтроллер обеспечивает внутрисхемную реализацию MAC-уровня, производит обработку данных, формирование пакета, кодирование данных по симметричному алгоритму блочного шифрования AES и т.д., а также решает прикладные задачи;
Периферийные блоки, сопрягающие встроенный микропроцессор с внешними микросхемами – памятью EEPROM, АЦП с высоким разрешением и хост-контроллером. Для связи применяется аппаратная реализация широко распространенных интерфейсов SPI, I2C и UART;
Интегрированная оперативная и флэш-память. Размер встроенной памяти программ варьируется в пределах от 1 до 2 Мб, оперативной - от 256 кбайт у EV8100 до 384 кбайт у остальных, по запросу к производителю возможны иные варианты;
Блок управления тактированием;
Подсистема питания, обеспечивающая все необходимые для отдельных узлов напряжения. Как правило, применяется источник, работающий от той же сети переменного тока, что и используется для передачи данных.
Отдельно стоит отметить ИС EV8100, которая, помимо типовых узлов, содержит встроенный контроллер 6х33 сегментного LCD дисплея и драйвер сенсорной клавиатуры.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИС СЕМЕЙСТВА EV8XXX
PLC микросхемы компании Semtech ориентированы прежде всего на использование в системах автоматизации, дистанционного управления и контроля удаленными объектами, наиболее популярные сферы их применения:
Сети автоматизации зданий (AMI);
Системы управления посадочными огнями в аэропортах;
;
Домашние локальные сети;
Интеллектуальное оборудование (“умные вещи”), в т.ч. бытовая электроника;
Системы контроля и управления на солнечных электростанциях;
Сети уличного освещения;
Оборудование связи с подстанциями;
Системы управления транспортными потоками.
Среди всего вышеперечисленного основное направление - это сети AMI (Инфраструктура интеллектуального учета), объединяющие «умные счетчики», концентраторы данных, средства управления энергопотреблением, дисплеи и другие компоненты систем автоматизации зданий (рис. 7).
Связь по силовым линиям является основным элементом автоматизированных систем контроля и учета энергоносителей, применяемых коммунальными службами. Основные преимущества этой технологии: возможность автоматически получать информацию от жилых и промышленных помещений, расположенных в удаленных районах с низкой плотностью населения и низким качеством инфраструктуры, большой срок службы, возможность наращивания и низкие затраты. Принцип работы системы довольно прост. Электричество от электростанции передается по высоковольтному кабелю к подстанции. Здесь происходит понижение напряжения и распределение на большое количество низковольтных трансформаторных подстанций, понижающих напряжение до бытового. Обычно к одному трансформатору подсоединено от 500 до 1000 конечных потребителей. Таким образом, можно предложить следующий вариант построения PLC систем для данных целей: концентратор, действующий как центральный узел, базируется на низковольтных подстанциях и регулярно (например, раз в час) собирает результаты измерений со счетчиков (это могут быть не только счетчики электроэнергии, но и воды, тепла, газа). Далее информация пересылается на сервер для дальнейшей обработки, например по каналу GSM . Такой тип систем не ограничен только получением информации со счетчиков и может выполнять другие функции.
Для практической реализации данной системы компания Semtech предлагает стартовый набор разработчика, включающий как готовые решения на основе микросхем EV8000, EV8100 и EV8200 для максимально быстрой организации передачи данных по PLC сети, так и отладочные средства для оценки возможностей системы (таблица 2).
Последние представляют собой модули для оконечных узлов (счетчиков) и концентраторов, в комплект поставки которых входит все необходимое, включая рекомендации по применению, а также ПО для настройки параметров отдельных узлов и мониторинга качества связи в проектируемой сети. Прилагаемый графический интерфейс пользователя позволяет запрограммировать диапазон рабочих частот, тип модуляции, скорость передачи, уровень выходной мощности и т.д., а также наглядно отследить коэффициенты ошибок PER и BER в пакетах принимаемых данных.
Отладочные комплекты EVM8K-01, EVM8K-02 и EVM8K-03 могут выступать как в качестве удаленных измерительных узлов, так и в качестве концентраторов, обеспечивающих сбор данных. Модули предназначены для эксплуатации в одно- и трехфазных сетях, запитываются от встроенного источника переменного тока с напряжением 80-280 В (EVM8K-01 и EVM8K-02) либо от постоянного со стандартным напряжением 12 В (EVM8K-01 и EVM8K-03). Связь с хост-контроллером осуществляется посредством интерфейсов RS-232 или USB. Комплект EVM8K-13 представляет собой концентратор сети, объединяющий на одной плате PLC модем на базе ИС EV8000 с 32-битным RISC микроконтроллером, необходимым для выполнения пользовательского приложения. Комплект способен обслуживать до 500 оконечных узлов (до 2000 опционально), из отличительных особенностей можно отметить наличие “на борту” 3G/EDGE/GPRS модема, GPS модуля и 8 Гб SD карты. Помимо беспроводной передачи данных на сервер можно также воспользоваться интерфейсами RS-232, USB или Ethernet. Внешний вид отладочных комплектов показан на рис. 8.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Широкое распространение низковольтных электрических сетей 0,22-0,38 кВ и отсутствие необходимости проведения затратных монтажных работ для прокладки кабелей стимулируют повышенный интерес к электрическим сетям как к среде передачи данных. Текущее развитие PLC технологии во многом связано с появлением общепринятых регламентирующих стандартов и совершенствованием соответствующей элементной базы. PLC модемы компании Semtech, отличающиеся высокой степенью интеграции, обеспечивают получение устойчивого и помехозащищенного канала связи при его достаточно высокой пропускной способности.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Охрименко В. PLC-технологии. // Электронные компоненты. 2009. №10. с. 58-62.
2. Официальный сайт компании Semtech. www.semtech.com
3. Product brochure. EV8000: Single-chip multimode PLC modem.
4. Product brochure. EV8010: Single-chip standards-based PLC modem.
5. Product brochure. EV8020: Single-chip standards-based PLC modem.
6. Product brochure. EV8100: Split-meter display SoC with integrated PLC.
7. Product brief. Power line communication products.
Технология PLC (Power Line Communication) — современная телекоммуникационная технология, базирующаяся на использовании силовых электросетей для высокоскоростного информационного обмена. Эксперименты по передаче данных по электросети велись достаточно давно, но низкая скорость передачи и слабая помехозащищенность были наиболее узким местом данной технологии. Но прогресс не стоит на месте, и появление более мощных DSP-процессоров (цифровые сигнальные процессоры) дало возможность использовать более сложные способы модуляции сигнала, такие как OFDM модуляция (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), что позволило значительно продвинуться вперед в реализации технологии PLC.
Следует учесть, что в своем сравнительно небольшом отрезке исторического развития, применение данной технологии столкнулось с некоторыми трудностями, о которых я расскажу немного позже.
Возможности технологии PLC
Подключение к глобальной сети Интернет широко развивающийся бизнес, интернет-провайдеры предоставляют услуги связи практически повсеместно в офисе и дома. На сегодняшний день построено и эксплуатируется большое число высокоскоростных магистральных сетей, однако, подключение к ним конечных пользователей по-прежнему остается серьезной, часто бюрократической проблемой. Сегодня большинство конечных подключений осуществляется посредством прокладки кабеля от высокоскоростной линии до квартиры или офиса потребителя. Пожалуй, это наиболее дешевое решение, но в силу ряда причин прокладка кабеля крайне затруднительна или даже невозможна. Часто это вызвано разграничением зон влияния между интернет-провайдерами. В определенных территориальных областях конечный клиент вынужден, для осуществления подключения к сети Интернет, обращаться к провайдеру – который является непосредственным владельцем узла связи, территориально близко располагающегося по отношению к узлу клиента.
Не все провайдеры способны осуществить проброс оптико-волоконного кабеля через определенные объекты до конечного клиента, не имея на то разрешения, а стандартный UTP-кабель поддерживает стабильное соединение при длине не более 100 метров. Таким образом, в некоторых областях провайдерам просто невыгодно организовывать высокоскоростной доступ к Интернету, из-за стратегической неокупаемости затрат на специалистов и оборудование.
Так почему же не использовать уже имеющуюся в каждом здании систему силовых электрических коммуникаций. При этом любая электрическая розетка в здании может стать точкой выхода в глобальную сеть Интернет. Причем при грамотном планировании такого вида подключения, все, что требуется от потребителя – лишь наличие PowerLine модема (сетевого адаптера), соответствующим образом настроенного для связи с аналогичным устройством, установленным, как правило, в электрощитовой здания и подключенным к высокоскоростному каналу Интернет.
Такая технология как PLC может быть использована при создании локальной сети в небольших офисах, где основными требованиями к сети являются простота реализации, мобильность устройств и легкая расширяемость. При этом как вся офисная сеть, так и отдельные ее сегменты могут быть построены с помощью PowerLine адаптеров. Очень часто встречается ситуация, когда необходимо включить в уже существующую сеть удаленный компьютер или сетевой принтер, расположенный в другой комнате или даже в другом конце здания. С помощью PowerLine адаптеров эту проблему можно решить за 15 минут. Подобные решения возможны и при других типах соединения, однако PLC не призвана быть их абсолютной заменой, но является мощной альтернативой. Имея некоторые ограничения, данная система ничем не отличается от любых других типов интернет соединения.
Проблемы развития технологии PLC
Именно для успешного разрешения актуальных проблем связи была и создана технология PLC. Но тут следует оговориться! Подобные решения – не панацея, ведь всем известна популярность сетей WI-FI, по которым можно легко осуществлять беспроводную передачу данных, а также 3G и 4G.
На территории западных государств данная технология широко используется локальными провайдерами и простыми пользователями, также PLC применяется некоторыми интернет-провайдерами в РФ. Вообще, для западных систем связи эта технология представлялась и представляется очень перспективной. Тамошние электросети регулярно модернизируются, а электрификация затронула даже самые отдаленные территории и области.
Но беспроводные технологии более привлекательны как для западного, так и отечественного потребителя. Беспроводные сети и способы шифрования передаваемого сигнала первого поколения были не достаточно надежны для применения в ответственных отраслях. Оставляла желать лучшего и пропускная способность беспроводных каналов связи, скорость подобных соединений. В процессе своего развития и совершенствования беспроводные решения взяли вверх над PLC и даже над стандартным кабельным соединением. Появились новые технологические стандарты WI-FI сетей. Повсеместно стали использоваться устройства – репитеры, позволяющие расширить зону охвата беспроводного сигнала. Надо заметить, что во многих странах мира под гражданские системы беспроводной связи, под нужды рядовых граждан выделены самые выигрышные частоты. В наших с вами отечественных реалиях такие частоты закреплены за военными и правительственными учреждениями.
Однако, какими бы оптимистичными ни были результаты работы экспериментальных PLC-сетей за рубежом, в нашей стране эта технология столкнулась с рядом трудностей. Наша электрическая проводка сделана в основном из алюминия, а не из меди, которая используется в большинстве стран мира. Алюминиевые провода обладают худшей электропроводностью, что приводит к более быстрому затуханию сигнала.
Другая проблема заключалась в том, что у нас до сих пор не решены основные вопросы нормативно-правового регулирования использования таких технологий. Впрочем, последняя проблема актуальна и для Запада.
Считалось, что эта технология, а вернее совместимые устройства заполонят в огромных долях рынок HI-TECH оборудования. Открывались новые возможности при реализации идей умного дома, где вся бытовая электроника завязана в единую информационную сеть с возможностью централизованного управления. Электрическая сеть – идеальная среда передачи управляющих сигналов между бытовыми приборами, работающими в сети 110/220В. Но и среди решений умного дома взял верх именно беспроводной способ обмена короткими управляющими сигналами, не особо требовательными к качеству соединения и пропускной способности.
Все эти факторы сдерживали и сдерживают повсеместное развитие . Тем не менее, PLC успешно применяется на деле некоторыми интернет-провайдерами в новых зданиях, с современным электрооборудованием, а также энтузиастами в условиях квартиры или загородного дома. На рынке существует немалое количество приборов гибридного типа, совмещающих в себе и PowerLine, и WI-FI технологии одновременно!
Проблемы развития и особенности технологии PLC was last modified: Март 3rd, 2016 by Admin
Технологии связи по электросети (Power Line Communication, PLC) активно развиваются и становятся все более востребованными во всем мире. И Россия - не исключение. Их используют при автоматизации технологических процессов, организации систем видеонаблюдения и даже для управления «умным» домом.
Исследования в области передачи данных с использованием электросети ведутся достаточно давно. Когда-то применение PLC тормозила низкая скорость передачи данных и недостаточная защищенность от помех. Развитие микроэлектроники и создание современных, а главное более производительных процессоров (чипсетов), дали возможность использовать сложные способы модуляции для обработки сигнала, что позволило значительно продвинуться вперед в реализации PLC. Однако о реальных возможностях технологии связи по электросети до сих пор знают лишь немногие специалисты.
Технология PLC использует электрические сети для высокоскоростной передачи данных и основана на тех же принципах, что и ADSL, которая применяется для передачи данных в телефонной сети. Принцип работы следующий: сигнал высокой частоты (от 1 до 30 МГц) накладывается на обычный электрический сигнал (50 Гц) с применением различных модуляций, а сама передача сигнала происходит через электрические провода. Оборудование может принять и обработать такой сигнал на значительном расстоянии - до 200 м. Трансфер данных может осуществляться как по широкополосным (BPL), так и по узкополосным (NPL) линиям электропередачи. Только в первом случае передача данных будет идти со скоростью до 1000 Мбит/с, а во втором значительно медленнее — только до 1 Мбит/с.
На пределе скорости?
Сегодня пользователям доступны технологии PLC третьего поколения. Если в 2005 году, с появлением стандарта HomePlug AV, скорость передачи данных выросла с 14 до 200 Мбит/с (этого достаточно для предоставления так называемых «Triple Play» услуг, когда пользователям одновременно предоставляются высокоскоростной доступ в интернет, кабельное телевидение и телефонная связь), то последнее поколение PLC использует уже двойной физический уровень передачи данных — Dual Physical Layer. Вместе с FFT OFDM применяется Wavelet OFDM-модуляция, то есть ортогональное частотно-разделенное мультиплексирование, но с применением вейвлетов. Это позволяет в несколько раз поднять скорость передачи данных— до 1000 Мбит/c.
Однако важно понимать, что речь идет о физической скорости. Реальная скорость передачи данных зависит от многих факторов и может быть в разы меньше. Качество электропроводки в доме, скрутки в линии, ее неоднородность (например, в алюминиевой проводке затухание сигнала сильнее, чем в медной, что сокращает дальность связи примерно в два раза) — все это деструктивно влияет и на физическую скорость и качество передачи данных. Также PLC - все адаптеры должны находится на одной фазе в электрической сети, в электросети между адаптерами не должно быть гальванических развязок (трансформаторов, ИБП), пилоты, фильтры и УЗО снижают скорость передачи данных. Исключение - QPLA-200 v.2 и QPLA-200 v.2P, т.к. особенностью данных адаптеров является уникальная технология Clear Path. Используя технологию Clear Path, можно создать сеть даже тогда, когда PLC устройства подключены к разным фазам, т.е. эта технология динамически выбирает менее зашумленные каналы для передачи информации, тем самым увеличивая скорость передачи данных. В одной PLC -сети могут находиться до 8 устройств.
Говоря о PLC-технологии, за скорость принято брать полудуплексную или однонаправленную скорость. То есть, если указанная скорость равна 200 Мбит/c, то реальная будет составлять 70-80 Мбит/c. В реальной жизни физическую скорость с большой уверенностью можно делить пополам, и пропорционально уменьшать на 10% при подключении каждого мощного домашнего устройства -утюг, чайник, кондиционер, холодильник и пр.
В обычных бытовых условиях по проводам с помощью PLC сигнал может передаваться на расстояние около 200 м. Например, дом площадью 200 кв. м можно покрыть без проблем. Качество связи при этом будет зависеть от качества электрической сети. Преградой для прохождения сигнала может стать обыкновенный сетевой фильтр, который часто бывает встроен в удлинитель, источник бесперебойного питания или трансформатор. Следует помнить и то, что распространение сети по электропроводке ограничивается электрическим щитком с предохранителями. Так что создать сеть, например, с соседом по квартире не получится. Для этого лучше подойдет Wi-Fi.
Плюсы и минусы PLC
PLC-технологии, безусловно, заслуживают внимания, однако наряду с плюсами, у них есть и очевидные недостатки. Но обо всем по порядку. PLC помогает наладить качественное предоставление услуг Triple Play, не требует прокладки проводов для передачи данных, а, значит, и дополнительных затрат. Быстрый монтаж и возможность подключения к существующим сетям — тоже очко в пользу PLC. Кроме того, PLC-сеть можно легко разобрать и сконфигурировать, например, при переезде офиса в другое здание. Такая сеть легко масштабируется — можно организовать практически любую ее топологию с минимальными затратами (в зависимости от количества дополнительных PLC-адаптеров). В сложных условиях (железобетонные конструкции, высокий уровень электромагнитных помех) в отличие от беспроводных технологий Wi-Fi, WiMAX и LTE PLC-сеть будет работать без сбоев. При этом за счет применения самых современных алгоритмов шифрования обеспечена и безопасная передача данных по сети.
Недостатков у PLC меньше, но знать о них стоит. Во-первых, пропускная способность сети по электропроводке делится между всеми ее участниками. Например, если в одной PLC-сети две пары адаптеров активно обмениваются информацией, то скорость обмена для каждой пары будет составлять примерно по 50% от общей пропускной способности. Во-вторых, на стабильность и скорость работы PLC влияет качество выполнения электропроводки (например, медного и алюминиевого проводника). И в-третьих, PLC не работает через сетевые фильтры и источники бесперебойного питания, не оборудованные специальными розетками PLC Ready.
Применение PLC на практике
Сегодня PLC находит широкое практическое применение. В связи с тем, что технология использует существующую электросеть, она может быть использована в автоматизации технологических процессов для связки блоков автоматизации по электропроводам (например, городские электросчетчики).
Нередко PLC применяют при создании систем видеонаблюдения или локальной сети в небольших офисах (SOHO), где основными требованиями к сети являются простота реализации, мобильность устройств и легкая масштабируемость. При этом как вся офисная сеть, так и отдельные ее сегменты могут быть построены с помощью PLC-адаптеров. Часто в уже существующую офисную сеть необходимо включить удаленный компьютер или сетевой принтер, расположенный в другой комнате или даже в другом конце здания — c помощью PLC-адаптеров эту проблему можно решить за несколько минут.
Кроме того, PLC-технология открывает новые возможности для реализации идеи «умного» дома, в котором вся бытовая электроника должна быть завязана в единую информационную сеть с возможностью централизованного управления.
Технологии и стандарты связиLON - это локальная операционная сеть. Для реализации сетей умного дома используются появившиеся в 1998 году сетевые технологии, такие как LonWorks, HomeRF и Bluetooth.
Домашняя радиосеть HomeRF
выполнена на базе открытого промышленного протокола коллективного беспроводного доступа (Shared Wireless Acess Protocol – SWAP), разработанного рабочей группой фирм-производителей домашних ВЧ-систем (Home Radio Frequency Working Group – HomeRF). Группа, образованная в марте 1998 года, объединила более 90 производителей (в том числе и Intel). Используется полоса частот 2,4 ГГц с возможностью перескока частоты. Сеть работает с шумоподобным сигналом (ШПС) и поддерживает скорость передачи данных 2 Мбит/с на расстояние до 50 м. На рынке представлены такие изделия, как сетевые средства серии AnyPoint фирмы Intel и HomeLINE компании Farallon. В AnyPoint входят адаптер для подключения нескольких ПК через USB-порт к ближайшей телефонной розетке.
Популярная платформа Bluetooth
рассчитана на полосу 2,45 ГГц. Она предусматривает применение трансивера с перескоком частоты (1600 перескоков/с) и работу в режиме временного уплотнения. В диапазоне от 10 см до 10 м скорость передачи данных составляет 1 Мбит/с. Дальность действия невелика, но может быть увеличена до 100 м за счет наращивания мощности передаваемого сигнала
