PLC-технологии. Часть 1


PDF версия

Системы управления и мониторинга становятся все более интеллектуальными и разветвленными, требуя все большую пропускную способность каналов связи. В последнее время широкое распространение получают новые виды информационного обмена, используемые в устройствах домашней автоматики, компьютерных сетях малых и домашних офисов, в распределенных системах охранной, пожарной и иной сигнализации, которые также нуждаются в развитой инфраструктуре сети и интеллектуальных средствах взаимодействия. В статье обсуждаются преимущества и недостатки некоторых технологий передачи данных по электросетям.


Введение

Неизменный интерес к средствам передачи информации по промышленным и бытовым электросетям обусловлен, прежде всего, возрастающей потребностью в сравнительно недорогих средствах связи массового применения. Идея передачи данных по электрической сети появилась в 1930-х гг. Первые системы передачи данных по линиям электросети, т.н. PLC-системы (Power Line Communication), появились более 70 лет назад. В основном они использовались для сигнализации в энергосистемах и на железных дорогах и имели очень низкую скорость передачи данных. В конце ХХ столетия ряд компаний реализовал первые большие проекты в этой области. Однако в процессе эксплуатации были выявлены серьезные проблемы. Работа электротранспорта, многочисленных электродвигателей и бытовых приборов вызывала в незащищенных от высокочастотных излучений проводах помехи, которые приводили к резкому снижению достоверности передачи данных. К тому же, провода электросети начали действовать как антенны радиоретрансляторов, излучая, по сути, весь трафик в эфир. Стремительное развитие альтернативных способов организации широкополосной передачи данных, к примеру, технологии DSL (Digital Subscriber Line) и, соответственно, массовый выход на рынок кабельных модемов, поставили под сомнение коммерческую привлекательность PLC-систем. Неоднородность среды передачи данных, отсутствие соответствующей элементной базы и единого стандарта привели к тому, что в тот период PLC-технология не получила должного коммерческого применения. По сути, только в начале текущего столетия технология передачи данных по электросети стала получать широкое развитие и распространение [1—8].
Особенно большой интерес к возможности передачи информации по электросети появился с развитием интернета. Корпоративные пользователи зачастую могут позволить себе подключение с использованием дорогостоящих технологий, однако для подавляющего большинства домашних пользователей, которых значительно больше, это едва ли приемлемо.
Качественный сдвиг в развитии PLC-технологии произошел на рубеже XX–XXI вв. благодаря идее организации «последней мили» с помощью широкополосного доступа по электросети.
PLC — сравнительно новая телекоммуникационная технология, по сути, семейство технологий связи, основанных на использовании в качестве физической среды для высокоскоростного обмена информацией силовые электросети. PLC — собирательный термин, включающий все возможные варианты передачи данных по электрической сети.
Достижения PLC-технологии обусловлены появлением соответствующей элементной базы, в т.ч. сигнальных процессоров, с использованием которых были реализованы сложные способы модуляции сигнала, что и позволило, в конечном счете, увеличить достоверность передачи информации. В качестве альтернативы PLC-технологии и электрическим проводам можно назвать технологию хDSL, беспроводный доступ (Wi-Fi), спутниковую связь и др., а также коаксиальные телевизионные и оптоволоконные кабели. При выборе технологии определяющую роль играет фактор экономический — средства связи должны быть недорогими и повсеместно доступными.
Чтобы в полной мере оценить возможности и преимущества PLC-технологии, сначала ознакомимся с характеристиками и основными техническими параметрами существующих проводных (табл. 1) и беспроводных (табл. 2, 3) систем высокоскоростной передачи данных [1—3].

Таблица 1. Основные параметры проводных технологий

Наименование параметра

Технология

HFC

ADSL

VDSL

ADSL2+

PLC

FTTH

Диапазон рабочих частот, МГц (полоса частот/канал, МГц/канал)

5…1000, (6…8)

ДО 1,1

ДО 2,2

1…30

1000

Пропускная способность, Мбит/с (расстояние, км)

США: 3…4,

Канада: до 10, Великобритания: 1…8, Франция: до 100

1,5 (5,4)…12 (0,3)

13 (1,3)…52 (0,3)

7,5 (2,7)…26 (0,3)

200, пиковая, для узла сети: 2…4

1 Гбит/канал

Максимальное расстояние, км

100 (с использованием усилителей)

5,4

1,3

2,7

3 (10…50 кВ); 0,2 (0,22…0,38 кВ)

20

Параметры развертывания

Просто при наличии ТВ-кабеля. Большие затраты при создании новой сети

Просто при наличии точек подключения

Легко. Не требуется прокладка кабеля

Большие проблемы при прокладке кабеля

Преимущества

Можно использовать существующие сети кабельного ТВ

Возможность использования уже существующих точек подключения

Наличие разветвленной инфраструктуры

Очень широкий диапазон частот

Недостатки

Ограниченная пропускная способность. Асимметричность

Скорость передачи в большой степени зависит от расстояния. Асимметричность

Отсутствие единого стандарта

Большие затраты при создании сети

HFC (Hybrid Fiber Coaxial Cable — комбинированная оптокоаксиальная кабельная система). Используется в технологии широкополосного доступа к телекоммуникационным сетям.
ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line — асимметричная цифровая абонентская линия). Технология высокоскоростной передачи данных по обычным телефонным линиям. Канал связи асимметричен, т.е. скорость потока данных к абоненту больше, чем в обратном направлении.
VDSL (Very high bit-rate Digital Subscriber Line — высокоскоростная цифровая абонентская линия).
ADSL2+ (ITU G.992.5). Улучшенный вариант ADSL.
PLC (Power Line Communication). Технология, основанная на использовании электросети в качестве физической среды для высокоскоростного обмена информацией.
FTTH (Fiber To The Home — сеть с доведением оптического кабеля до пользователя). Технология использования волоконно-оптической связи в быту.

Таблица 2. Основные параметры беспроводных технологий

Наименование параметра

Технология

Радиорелейные линии

LMDS

MMDS

FSO

WiFi

WiMAX

Спутниковая связь

3G

Диапазон рабочих частот, ГГц

2; 4; 6; 21,3…23,6; >40

28…31

2,1 …2,7

Инфракрасный диапазон (ТГц)

2,4; 5,7

2.11; 10-66

1,5…3,5;

3,7…6,4; 11,7…12,7; 17,3…17,8; 20… 30

1,92…1,98; 2,11…2,17

Пропускная способность,

Мбит/с.

155

10

2500

2/11/54

70

155

2

Максимальное расстояние, км

5

4

100

4

0,1

50

1000…36000

Зависит от разветвленности сети

Параметры развертывания

Сложно. Работает только в зоне прямой видимости

Просто для LAN-сетей

Просто, следует учитывать NLOS

Просто, большие затраты

Просто

LMDS (Local Multipoint Distribution Service — локальная многоточечная распределенная служба). Используется в системах беспроводной связи.
MMDS (Multichannel Multipoint Distribution Service — многоканальная многоточечная распределенная служба).
FSO (Free Space Optics). Технология связи в ИК-диапазоне в зоне прямой видимости.
Wi-Fi (Wireless Fidelity). Пакет стандартов беспроводной связи IEEE 802.11х.
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microware Access). Технология универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для устройств разного класса. Используется как синоним стандарта IEEE 802.16а (802.16-2004.
3G (Third-Generation). Системы цифровой мобильной связи третьего поколения.
LAN (Local Area Network — локальная сеть).
NLOS (Non Line-Of-Sight — вне зоны прямой видимости). Под этим термином подразумеваются методы, обеспечивающие при определенных условиях прием данных вне зоны прямой видимости [3].

Таблица 3. Преимущества и недостатки беспроводных систем высокоскоростной передачи данных

Наименование

Преимущества

Недостатки

Радиорелейные линии

Быстрый монтаж и установка

Связь в режиме точка-точка только в зоне прямой видимости, зависимость от погодных условий

LMDS

Многоточечная связь, большая пропускная способность

Связь в зоне прямой видимости, отсутствие стандарта

MMDS

Многоточечная связь, большое расстояние, поддержка NLOS

Низкая пропускная способность, отсутствие стандарта

FSO

Низкая стоимость монтажа, нелицензируемый диапазон частот

Связь в режиме точка-точка, большая зависимость от погодных условий (дождь, пыль, снег, туман, смог)

WiFi

Интернет-совместимый стандарт

Основное использование — сетевые приложения

WiMAX

Поддержка NLOS

Реальная скорость обмена данными — 2 Мбит/с, расстояние связи с использованием методов NLOS — 1…2 км

Спутниковая связь

Большая зона покрытия, возможность использования для большого числа приложений

Большие затраты, ограниченная пропускная способность для абонента

3G

Использование мобильных терминалов и существующей инфраструктуры ячеек сети

Дороговизна, ограниченное число приложений

Линии электропередачи как физическая среда совмещают преимущества как проводных, так и беспроводных средств передачи данных. Пользователям почти всегда доступен сравнительно быстрый и надежный канал связи, разветвленный по всему зданию. Поскольку передача данных осуществляется по проводам относительно небольшой длины, задержки в линии небольшие, и при передаче видео- и аудиопотоков, а также при оказании интерактивных информационных услуг обмен данными происходит в режиме, близком к режиму реального времени [2].
Бесспорно, беспроводные сети имеют множество преимуществ. В отличие от электросетей, они не нуждаются в проводах и могут излучать широкополосный сигнал во всем пространстве здания. Однако связь через эфир менее стабильна и плохо защищена от помех. Кроме того, зачастую пропускная способность канала ограничена, поэтому в случае беспроводной сети редко удается добиться одновременной передачи нескольких потоков (видео, аудио и данных) с хорошим качеством. Еще одна проблема — ограниченная зона покрытия, которая в большой степени зависит как от размеров, так и конфигурации помещения, а также от свойств строительных материалов, из которых возведено здание. Расширить зону покрытия в некоторых случаях можно с помощью дополнительной PLC-сети.
PLC-технология наиболее конкурентоспособна среди проводных и беспроводных технологий для создания локальных компьютерных сетей (особенно домашних). Инфраструктуры проложенных электросетей достаточно для организации сети во всем здании, а высокая пропускная способность (до 200 Мбит/с) потенциально удовлетворяет требования современных мультимедийных приложений.

Области применения

В настоящее время создано и эксплуатируется большое число высокоскоростных магистральных информационных сетей, однако возможность подключение к ним конечных потребителей в ряде случаев все еще остается проблемной. Большинство подключений осуществляется путем прокладки кабеля от высокоскоростной линии до офиса или квартиры пользователя. В силу ряда причин прокладка кабеля может оказаться крайне нежелательной или даже невозможной. Например, это происходит в случае небольших фирм, часто меняющих арендуемые помещения. Поскольку необходимость подключения к интернету стала неотъемлемой частью ведения бизнеса многих компаний, весьма привлекательна возможность использовать уже имеющуюся в каждом здании электропроводку. При этом каждая электрическая розетка может стать точкой подключения к глобальной сети — требуется лишь PLC-модем.
Электрические сети подразделяются на три класса: высоковольтные (100 кВ и более), линии среднего напряжения (4…50 кВ) и низковольтные (до 0,4 кВ). Структура сетей энергоснабжения и области применения PLC-технологии приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Структура сетей электропередач и области применения PLC-технологии

PLC-технология открывает новые возможности реализации концепции «умного дома», в котором вся бытовая электроника объединена в единую информационную сеть с возможностью централизованного управления. Электрическая сеть — идеальная среда передачи управляющих сигналов между бытовыми приборами, работающими от сети 110/220 В. Встроенные в различные приборы специализированные микросхемы могут обеспечить возможность приема/передачи данных через электросеть, а также обмен данными через интернет, что стимулирует появление новых бытовых приборов: интернет-пылесоса, интернет-холодильника, интернет-стиральной машины и т.д. (другой вопрос, зачем и кому это необходимо). Кроме того, можно также организовать передачу данных датчиков охранной сигнализации, аудиоданных, расширить и продлить телефонные линии и т.д.
PLC-технология может найти применение в распределенных системах управления и учета в цехах; в системах жизнеобеспечения зданий (лифтах, системах кондиционирования и вентиляции и т.д.); системах складского хранения; средствах учета потребления электроэнергии, воды, газа, тепла; системах охранной и пожарной сигнализации в дачных поселках, гаражных кооперативах и т.д. Фактически информационную сеть можно развернуть на любом участке, где уже имеются линии электроснабжения. PLC-технология может успешно использоваться в средствах домашней автоматики для управления бытовыми приборами.
Особый интерес вызывает возможность совместного использования технологии PLC с другими широкополосными технологиями передачи данных, например PLC + WiMAX, PLC + WLAN, PLC + xDSL, PLC + Satellite, PLC  + UMTS и т.д. Пример использования комбинированной технологии Satellite + PLC приведен на рис. 2 [1]. В данном случае связь с поставщиком интернет-услуг осуществляется через спутник. Данные принимаются на наземную приемную станцию, а в помещениях здания используется PLC-сеть.

Рис. 2. Пример использования комбинированной технологии Satellite + PLC
Проблемы

Сложность организации связи по линиям электросети заключается в том, что существующие электросети изначально не предназначались для передачи данных. Они отличаются высоким уровнем помех и большим затуханием высокочастотного сигнала, а также тем, что параметры линии, зачастую постоянные для традиционных физических сред передачи данных, существенно изменяются во времени в зависимости от текущей нагрузки.
Проложенные в большинстве случаев с нарушениями норм неэкранированные, разделенные трансформаторами, с большими помехами, возникающими в результате работы многочисленных энергопотребителей, силовые линии электрической сети относятся к одной из наихудших сред для надежной передачи данных. Еще одна проблема — низкое качество и изношенность электропроводки в многоквартирных домах старой постройки. До недавнего времени в этих зданиях использовались алюминиевые провода, которые обладают меньшей электропроводностью по сравнению с медными. Кроме того, скрутки проводов, которые часто имеются в домашней проводке, также негативно влияют на прохождение сигнала. Поэтому к технологии PLC лучше приспособлены здания новой постройки, в которых зачастую применяются медные провода и современные технологии их соединения и подключения.
На достоверность передачи данных очень большое влияние оказывают помехи от различных электроприборов, ламп дневного освещения и т.д., создающих помехи в проводах. Наиболее сильно влияние импульсных помех, возникающих при работе электродвигателей, сварочного оборудования и СВЧ-печей. Однако надежные методы кодирования и шифрования данных, применяемые в современных PLC-технологиях, обеспечивают не только высокий уровень достоверности при передаче информации, но и ее защиту от несанкционированного доступа. Кроме того, при организации связи должна быть обеспечена электромагнитная совместимость, т.е. необходимо снижать побочные электромагнитные излучения, возникающие в процессе передачи данных.
Во многом ориентация PLC-технологии на применение в малых и домашних офисах (Small Office/Home Office — SOHO) обусловлена не только простотой реализации и мобильностью устройств на ее базе, но и тем, что эта технология наиболее эффективна только на участке т.н. «последней мили». Скорость передачи данных резко снижается при увеличении расстояния.
Далее мы рассмотрим характеристики некоторых разработанных еще в прошлом веке и используемых по настоящее время PLC-технологий — Х-10, CEBus, Adaptive Networks, LonWorks и т.д.

Технологии и стандарты

Существует несколько вариантов классификации PLC-систем. Во-первых, технологии передачи данных по электросетям принято разделять на широкополосные (Broadband over Power Lines) и узкополосные (Narrowband over Power Lines). Широкополосные системы (со скоростью 1…200 Мбит/c) ориентированы на системы высокоскоростного 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. Узкополосные (низкоскоростные) системы ориентированы на использование в средствах домашней автоматики, в управлении простейшими бытовыми приборами и т.д. В этом случае достаточно значительно меньшей пропускной способности канала (0,1…100 Кбит/с). Для конечного пользователя более близка классификация по назначению, по сути, по области применения. Используется также классификация PLC-систем по типу используемых линий электропередачи.
Технология X-10 была разработана еще в 1978 г. с участием одноименной компании X-10 (www.x10.com) и предназначалась для реализации дистанционного управления простейшими бытовыми приборами. Для передачи цифровых данных в этой технологии используется амплитудно-частотная манипуляция [4—6]. Предусматривается передача радиоимпульсов с частотой заполнения 120 кГц, генерируемых в моменты перехода переменного напряжения частотой 50/60 Гц через нуль (при этом скорость передачи данных на физическом уровне составляет 50/60 бит/с). Такая схема кодирования выбрана не случайно, поскольку при нулевом значении напряжения, как правило, уровень помех уменьшается, а также снижается влияние других устройств, подключенных к электросети. Данные кодируются следующим образом: двоичной 1 соответствует передача радиоимпульса в течение интервала 1 мс, а двоичному 0 — отсутствие радиоимпульса (см. рис. 3).

Рис. 3. Пример формирования сигнала для трехфазной сети

Данные формируются в пакеты длиной 11 бит. Для использования в технологии X-10 была разработана специальная система команд управления простейшими устройствами, работающими от электрической сети, — ON, OFF, DIM, BRIGHT, ALL LIGHTS ON и ALL UNITS OFF. В настоящее время контроллеры и адаптеры, использующие эту технологию для управления бытовыми приборами, выпускаются многими компаниями США и Европы (www.x10.com и www.x-10europe.com).
Стандарт CEBus (Consumer Electronic Bus — шина потребительской электроники) был утвержден в сентябре 1992 г. и продвигается Альянсом электронной промышленности EIA (Electronic Industries Alliance), объединяющим производителей электронного оборудования с целью разработки единых электрических и функциональных спецификаций интерфейсного оборудования (www.eia.org, www.eigroup.org). В стандарте CEBus предусмотрена передача  данных с использованием проводов бытовой электросети, витой пары или коаксиального кабеля, а также беспроводная передача в радио- или инфракрасном диапазоне частот. Скорость обмена данными не зависит от выбранной среды передачи данных и составляет 7,5 Кбит/с (среднее значение). В стандарте CEBus был использован метод передачи данных с расширением спектра (Spread Spectrum — SS), предложенный и использовавшийся компанией Intellon в ее первых разработках.
Стандарт CEBus (EIA-600) включает протоколы прикладного (EIA-721), сетевого, канального и физического уровней эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection). Протокол прикладного уровня описывает порядок функционирования различных устройств и набор типовых команд, включающий команды VOLUME UP, FAST FORWARD, REWIND, PAUSE, SKIP, TEMPERATURE UP или DOWN 1 DEGREE и т.д. Протокол сетевого уровня формирует пакеты данных, содержащие информацию об адресах источника и приемника. Для предотвращения коллизий на канальном уровне задействован механизм CSMA/CDCR (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection and Resolution). На физическом уровне используется технология SS-модуляции, предусматривающая передачу данных в полосе частот 100…400 кГц. Для кодирования данных (на временных интервалах 100 мкс) передается частотно-модулированный сигнал (при этом используется линейный закон модуляции, начальная частота 100, конечная — 400 кГц). Данные формируются в пакеты, причем длина пакета не регламентируется, однако минимальный размер составляет 64 бит.
Американская компания Adaptive Networks для реализации одноименной технологии разработала набор микросхем для построения PLC-сетей, включающий ИМС AN1000 (со средней пропускней способностью 100 Кбит/с), AN192 (19,2 Кбит/с) и AN48 (4,8 Кбит/с) [7]. Микросхемы AN1000/AN192 осуществляют передачу данных по электросети в частотном диапазоне до 450 кГц в соответствии с нормативами комиссии FCC (Federal Communication Commission). Чтобы удовлетворить требования стандартов, действующих в европейских энергосистемах, в таких приложениях как автоматическая регистрация показаний счетчиков, автоматизация и мониторинг распределенных объектов была разработана микросхема AN48, рассчитанная на передачу данных в диапазоне 9…95 кГц. В этой технологии был реализован механизм обнаружения и исправления ошибок, оптимизированный для существующих электросетей, а также предусмотрены интерфейсы к стандартным прикладным протоколам.
Стандарт LonWorks, принятый институтом ANSI (American National Standards Institute) в 1999 г., ориентирован на использование в распределенных системах автоматизации зданий, транспортных сетях, системах автоматизации промышленных предприятий [8]. В качестве физической среды передачи в технологии LonWorks предусмотрено использование электропроводки, витой пары, коаксиального кабеля или радиоканала. LonWorks базируется на применении технологии узкополосной передачи данных. В ней реализованы улучшенная цифровая обработка сигналов, эффективный механизм коррекции ошибок и оригинальный алгоритм выбора альтернативных несущих частот. Максимальная скорость передачи данных в сети LonWorks составляет 1,25 Мбит/с. Стандартный размер пересылаемого пакета данных — 10—14 байт, но возможна передача пакетов и большей длины. Скорость передачи данных в большой степени зависит от среды передачи.
Протокол LonTalk, лежащий в основе технологии LonWorks, обеспечивает возможность создания сетей с практически неограниченным числом узлов и ориентирован на решение задач автоматизации, когда необходимы высокие надежность и скорость передачи данных. Узлами сети LonWorks могут быть датчики температуры и освещенности, различные исполнительные механизмы, контроллеры систем кондиционирования/вентиляции и т.д. Протокол LonTalk включает семь уровней эталонной модели протоколов передачи данных OSI.
Устройства, созданные на базе платформы LonWorks, широко применяется при управлении промышленным оборудованием, в системах освещения городских улиц, системах отопления и кондиционирования воздуха, интеллектуальных приборах измерения и учета электроэнергии, системах контроля и управления движением поездов, системах безопасности, пожарной сигнализации и пожаротушения.

Производители

В настоящее время компания Echelon Corporation (www.echelon.com) предлагает компоненты и законченные решения для построения сетей на базе усовершенствованной технологии LonWorks 2.0. Ключевым компонентом новой технологии является высокоскоростной процессор Neuron 5000 с тактовой частотой до 80 МГц [8]. Для реализации технологий LonWorks/LonWorks 2.0 при построении сетей с использованием разных каналов связи, в т.ч. и электропроводки, компания Echelon Corporation выпускает ряд электронных компонентов:
– приемопередатчики серии PL 3120/3150/3170, содержащие 8-разрядное процессорное ядро Neuron с тактовой частотой 10…20 МГц;
– универсальные приемопередатчики серии Free Topology Smart Transceivers — FT 3120/FT 3150;
– новые усовершенствованные приемопередатчики с улучшенными параметрами FT 5000, содержащие процессорное ядро Neuron с тактовой частотой 40 МГц и имеющие увеличенный до 64 Кбайт объем RAM-памяти.
Рассмотренные технологии (Х-10, CEBus, Adaptive Networks, LonWorks) — далеко не единственные пакеты существующих PLC-спецификаций. Помимо них имеются и другие, разработанные сравнительно недавно широкополосные и узкополосные технологии, поддерживаемые европейскими и международными ассоциациями и альянсами:
– HomePlug Powerline Alliance;
– UPA (Universal Powerline Association);
– HD-PLC (High-Definition Powerline Communications).

Заключение

Широкое распространение низковольтных электрических сетей 0,22…0,38 кВ, отсутствие необходимости проведения дорогостоящих работ по строительству траншей и пробивке стен для прокладки кабелей стимулируют повышенный интерес к этим сетям как к среде передачи данных. Потенциальные преимущества передачи данных по проводам электросети огромны. Фактически сеть может быть развернута на любом участке, на котором имеются линии электроснабжения, но особенно привлекательна эта технология для домашних сетей и небольших офисов.
Более полную информацию о рассмотренных PLC-технологиях см. в [1—8].

Литература
1. White Paper: Comparison of Access Technologies. — OPERA Consortium, 2009 (www.ist-opera.org).
2. Pablo Gagliardo. Take advantage of power line communications in nextgen home networking & IPTV designs. — CommsDesign. 2009 (http://www.commsdesign.com/article/printableArticle.jhtml?articleID=217300850).
3. WiMAX’s technology for LOS and NLOS environments. — WIMAX forum (www.wimaxforum.org/technology/downloads/WiMAXNLOSgeneral-versionaug04.pdf).
4. X-10 Communications Protocol and Power Line Interface PSC04&PSC05 (ftp://ftp.x10.com/pub/manuals/technicalnote.pdf).
5. www.x10pro.com.
6. www.smarthomeusa.com/info/x10theory.
7. www.adaptivenetworks.com.
8. FT 5000 Smart Transceivers/Neuron® 5000 Technical Overview. — Echelon. 2009 (www.echelon.com).

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *