Организация сети передачи данных по энергосетям с применением технологии PLC

Организация сети передачи данных по энергосетям с применением технологии PLC

Введение

При современном уровне развития компьютерной техники и сетевых технологий, к сетям предъявляются жесткие требования. Компьютерная сеть должна обеспечивать требуемую для конкретных условий скорость передачи; так же она должна быть мобильной, с большим количеством точек доступа, при этом не должна требоваться прокладки кабеля; сеть должна иметь простое администрирование; она должна обеспечивать высокую надежность при простых технических решениях; сеть должна поддерживать все возможные типы сетевого оборудования и при всем этом она должна быть дешевой.

При всеобщей глобальной компьютеризации, как простого населения, так и предприятий, организаций и спецслужб появилась необходимость организации компьютерных сетей

Одним из вариантов организации сетей является система передачи данных по энергосетям

В дипломной работе будет показана схема организации сети передачи данных по энергосетям на примере п. Алхан-Чурт с применением технологии PLC

Раздел БЖД выполняется с целью создания безопасных условий труда при работе с сетями энергопитания

В экономической части диплома будет произведен расчет себестоимости проектируемой сети и экономическая целесообразность построения сети на основе PLC технологии

Технология PLC - это, в первую очередь, решение проблемы "последней мили". Потому что в этом решении используется внутридомовая электросеть. Сама услуга предоставляется по принципу Plug&Play. То есть адаптер или абонентский модем, приобретенный потребителем в магазине, не требует никаких настроек: при включении в розетку автоматически идет связь с головным устройством, которое в каждом доме одно; происходит автоматическая настройка конфигурации и присвоение IP-адреса. Преимуществом технологии является также и то, что для подключения к Интернету нет нужды ждать монтеров и пускать их к себе домой. Другой дополнительный плюс - роуминг: модем работает во всех домах, где есть PLC-покрытие. Он не прописан жестко к конкретному адресу и работает и внутри района, и внутри города, и в другом городе тоже. Сейчас строятся сети одновременно в пяти городах, и в стадии подготовки проектов находятся еще минимум 5-6 городов России.

При всех достоинствах этой технологии рынок Интернет-доступа уже насыщен, и мы буквально на себе чувствуем, как медленно идет нарастание абонентской базы. Если клиент уже подключился к провайдеру и сделал проводку, то привлекать его низкой ценой уже нет смысла, тем более что опуская цены оператор ставит сам себя в тяжелое положение. Средний платеж за широкополосный доступ уже и так небольшой. Поэтому для развития необходимо вводить новые сервисы и услуги. Например, так называемый "конструктор". К базовому PLC-модему "пристегиваются" разные модули: Ethernet-розетка; Wi-Fi-точка доступа; телефонный модуль, к которому можно подключить и обычный аналоговый городской телефон, и внутренний аппарат, и VoIP-устройство. С помощью последнего можно организовать внутреннюю телефонную сеть внутри города (например, прямые каналы телефонной связи с родственниками).

Еще один подключаемый модуль -видеокамера, с помощью которой можно организовать у себя дома систему видеонаблюдения, даже не подсоединяя ее к компьютеру. Весь трафик она передает по электросети на сервер провайдера. И пользователь в любой точке мира может, выйдя в Интернет, зайти в свой личный кабинет на клиентском интерфейсе и проверить обстановку дома. Подобное решение идеально подходит для контроля за детьми, приходящими нянями и домработницами. Кроме того, через Web-интерфейс можно настроить различные дополнительные функции -такие, например, как система motion detection (контроль движения), которая позволит камере выполнять функции объемного датчика движения: когда картинка сменилась, пошел сигнал на сервер, высылается SMS на мобильный телефон пользователя - он подключается к Интернету и проверяет, все ли в порядке.

1. Аналитическая часть

1.1 Технология PLC

Технология PLC (Power Line Communications - коммуникации по силовым линиям), также называемая PLT (Power Line Telecoms), является проводной технологией, направленной на использование кабельной инфраструктуры силовых электросетей для организации высокоскоростной передачи данных и голоса. В зависимости от скорости передачи делится на широкополосную (ВPL) со скоростью более 1 Мбит/с и узкополосную (NPL).

1.1.1 Развитие технологии PLC

Тестирование службы широкополосного доступа в Интернет через электросеть было запущено в Шотландии. Эта инициатива принадлежит электроэнергетической компании Scottish Hydro Electrics. Как сообщает британское издание PC Advisor, в тестировании "Интернета через розетку" было задействовано около 150 пользователей. Каждый абонент получил доступ в Интернет на скорости 2 Мбит/с. По цене это было более чем в два раза выгоднее предложения другого провайдера Интернета. Интерес к новой службе проявили уже несколько энергетических компаний страны. Кроме того, динамично внедряет PLC ведущий поставщик электроэнергии в Германии компания RWE. Например, в Германии люди даже квитанции за электроэнергию не заполняют: информация со счетчиков приходит напрямую к поставщику электричества по электропроводке. Аналогичные проекты запущены в Италии и Швеции.

В России первый этап строительства сети на базе PLC-технологии выполнялся компанией "Спарк" и завершился в октябре 2005 г. На тот момент сеть включала в себя более 750 узлов доступа, расположенных в жилых домах. Все узлы доступа объединены магистральной оптической сетью Gigabit Ethernet. В 2006 г. стартовал пилотный проект по вводу в эксплуатацию технологии PLC в районе Южное Тушино, а в 2007 г. началось активное строительство сети и подключение абонентов.

Невысокая плата за доступ в Интернет обеспечивает хорошую конкурентоспособность, но качество порой вызывает нарекания потенциальных и настоящих абонентов (если судить по многочисленным дискуссиям на форумах). Например, пользователи сетуют на проблему возможности подключения к Сети только через определенную розетку в квартире, что не всегда бывает удобно абоненту, а также на снижение скорости при включении электроприборов. Это обусловлено общим состоянием электропроводки квартиры, но такие проблемы решаются специалистами провайдера. К тому же во избежание каких-либо проблем рекомендуется включать пользовательское устройство в отдельную розетку. Тем не менее эксперты телекоммуникационной отрасли придерживаются невысокой оценки потенциала развития PLC-сетей. Причиной этого является сама технология. Для передачи данных от компьютера к компьютеру специально разрабатывалась технология Ethernet, в результате при ее использовании стоимость оконечного оборудования самая низкая, да и скоростные характеристики наилучшие. Любые же попытки приспособить для передачи данных среду, изначально к тому не предназначенную, приводят к более высокой стоимости оборудования и к худшим техническим характеристикам. Это относится и к телефонному медному проводу (коммутируемые модемы или ADSL), и к силовым сетям (технология PLC).

Так называемая "проблема последней мили", о которой так много говорят последнее время, породила множество решений. Однако у большей части таких решений есть один общий недостаток - все они требуют прокладки проводов и кабелей. Наверное, нет смысла говорить о том, какие сложности и трудности это подчас вызывает - очень часто стоимость прокладки кабеля составляет большую часть стоимости наладки сети. Более того, существует ряд случаев, при которых прокладка новых кабелей невозможна или крайне нежелательна - ярким примером такой неприятной ситуации является недавно законченный ремонт, сразу после которого неожиданно выясняется, что необходимо прокладывать дополнительные провода для компьютерных сетей.

Поэтому особый интерес всегда вызывали те технологии, которые позволяли обойтись без прокладки новых кабелей. На данный момент существует два успешных подхода к этой проблеме - это беспроводные сети Wi-Fi и технологии PLC. Если про беспроводные сети сейчас написано достаточно много, то про технологии PLC доступно гораздо меньше информации.

Технологии PLC позволяют построить компьютерные локальные сети на основе существующих линий электропередач. Так, применяя технологии PLC, вы можете построить небольшую домашнюю локальную сеть, используя ту электрическую проводку, которая уже проложена.

На самом деле, способы передачи информации при помощи электрической проводки существовали давно. Одним из них являются всем известные советские репродукторы (которые также часто неверно называют радиоточками). В основе различных технологий лежит достаточно простая идея разделения сигнала - если бы каким-то образом можно было бы одновременно передавать несколько сигналов по одному физическому каналу, то таким образом можно было бы увеличить общую скорость передачи данных. Этого можно добиться при помощи модуляции (к тому же, модулированный сигнал устойчив к помехам), и при разных способах модуляции на одних и тех же физических каналах передачи данных можно добиться разной скорости передачи данных.

На первый взгляд, рецепт удачной технологии PLC может показаться простым - достаточно выбрать такой способ модуляции, который мог бы обеспечить наиболее скоростную передачу данных, и современное средство связи готово. Однако те способы модуляции, которые обеспечивают наиболее плотную упаковку сигнала, требуют сложных математических операций, и для того, чтобы их можно было применять в технологиях PLC, необходимо применение быстрых сигнальных (DSP) процессоров.

Процессор цифровой обработки сигналов (digital signal processor -- DSP) -- это специализированный программируемый микропроцессор, предназначенный для манипулирования в реальном масштабе времени потоком цифровых данных. DSP-процессоры широко используются для обработки потоков графической информации, аудио- и видеосигналов.

Таким образом, развитие PLC-технологий упиралось в темпы развития DSP процессоров, и как только последние стали справляться с продвинутыми алгоритмами эффективной модуляции, появились новые технологии организации таких сетей. На данный момент в PLC-технологиях используется OFDM-модуляция, которая позволяет добиваться большой скорости передачи данных и хорошей устойчивости сигнала к помехам.

1.2 Области применения PLC

- Широкополосный доступ в Интернет;

- Домашние и офисные компьютерные сети;

- VoIP - IP-телефония;

- Высокоскоростная аудио- и видеопередача;

- Офисное и домашнее (в том числе через Internet) видеонаблюдение, построение систем удаленного видеомониторинга;

- Построение каналов передачи цифровых данных для промышленной и домашней автоматизации (АИИС КУЭ, АСУ ТП(SCADA), СКУД);

- Системы безопасности (пожарно-охранная сигнализация).

1.3 Технологические предпосылки внедрения PLC-решений

От применяемых решений для построения сетей доступа во многом зависит успех бизнеса телекоммуникационных операторов, а также эффективное функционирование ведомственных и корпоративных сетей связи.

Волоконно-оптические линии связи обеспечивают передачу данных с большой скоростью, но до массового пользователя они пока не доходят, находя широкое применение, как правило, в корпоративном секторе.

На массовом рынке абонентского доступа сегодня наиболее востребованной считается технология xDSL, которая обеспечивает пользователям доступ к сети Интернет и другим инфокоммуникационным услугам по существующим телефонным линиям. Определенную долю в этом сегменте занимают также такие технологии как широкополосный беспроводный радиодоступ и спутниковый доступ, доступ по сетям кабельного телевидения, пакетная передача данных в сетях сотовой связи 2.5G/3G (GPRS/EDGE/UMTS, CDMA 2000 1X/ EV-DO).

Такие факторы, как широкая распространенность электрических сетей 0,20,4 кВ, отсутствие необходимости дорогостоящего строительства кабельной канализации, пробивки стен и прокладки кабелей связи и пр. стимулируют исследование силовых сетей как альтернативной среды передачи данных и развитие еще одной технологии широкополосного доступа - по электросетям.

Было разработано оборудование PLC первого и второго поколений. Достигнутая предельная скорость передачи данных не превышала 10-14 Мб/с. Реальная же скорость передачи данных в тестовых сетях PLC с применением этого оборудования отличалась на порядок и составляла 1-2 Мб/с. Кроме этого, абонентское оборудование PLC имело сравнительно высокую стоимость, а для электролиний, "уплотненных" PLC, был характерен высокий уровень электромагнитных излучений, обусловленный работой PLC-аппаратуры.

Поэтому до недавнего времени технология PLC применялась для коммерческого предоставления телекоммуникационных услуг в ограниченном масштабе, будучи неконкурентоспособной по отношению к другим технологиям, и прежде всего xDSL. Однако последние достижения микроэлектроники, позволившие создать системы PLC третьего поколения, которые обеспечивают скорость передачи данных до 200 Мб/с при использовании стандартных электролиний, открывают новые возможности для реализации широкополосного доступа.

1.4 Обзор технологий широкополосного абонентского доступа на основе PLC

Современные PLC системы, ориентированные на решение задачи широкополосного абонентского доступа, в основном используют две технологии. В первой применяется сигнал с т.н. расширением спектра (spread spectrum - SS), существенно повышающий 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). Отметим, что помимо помехоустойчивости SS-модуляция обеспечивает высокий уровень защиты информации. В качестве базовой используется QPSK-модуляция.

Вторая технология основана на ортогональном частотном уплотнении с одновременной передачей сигналов на нескольких несущих (OFDM -Orthogonal Frequency Division Multiplex). Этот метод также гарантирует высокую достоверность передачи и устойчивость к искажениям сигнала.

Дальнейшим развитием второго варианта стала технология, предложенная американской фирмой Intellon. Здесь применен модифицированный OFDM-метод, в котором исходный поток данных разбивается на пакеты, и каждый из них передается в диапазоне частот 4,3-20,9 МГц с использованием относительной фазовой модуляции на собственной поднесущей (DBPSK или DQPSK - Differential Quadrature Phase Shift Keying, дифференциальная квадратурная фазовая модуляция со сдвигом). Максимальная информационная скорость передачи достигает десятков Мбит/с.

Технология PLC реализует принцип множественного доступа “точка - множество точек”. Локальная трансформаторная подстанция поставляет определенному числу зданий электроэнергию и, одновременно, обеспечивает подключенным пользователям услуги передачи данных, IP-телефонии и др.

Основным оконечным оборудованием следует считать PLC-модем, который обычно реализует интерфейс для связи с ПК: USB, либо - Ethernet. Таким образом, модем подключается к источнику информации - розетке 220В, а на выходе по соответствующему интерфейсу к ПК. Возможен вариант, когда параллельно с ПК подключается телефон, поддерживающий режим VoIP.

Типовая функциональная схема и основные компоненты PLC-модема представлены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Компоненты PLC-модема

Соединение с сетью Интернет в этой инновационной технологии называется Broadband over power lines (BPL).

В отличие от DSL-соединения, посредством домашней сети технология позволяет большему количеству людей иметь широкополосный доступ в Интернет.

Технология PLC - самый дешевый способ создания домашней сети, так как не требует от пользователя установки дополнительных кабелей питания и позволяет подключить к сети PLC жителей целого квартала. Одно мастер-устройство способно обеспечить доступ в Internet через сеть PLC для 500 пользователей. Для этого пользователи должны иметь у себя в квартирах адаптерные устройства, содержащие модемы PLC.

Конечно же, больше всего успешных проектов по организации широкополосного доступа через электросети реализовано в США - на родине Интернета. Известны такие компании как New Visions(Нью-Йорк), Communications Technologies (шт. Виргиния), Cinergy (шт. Огайо).

В Германии PLC предлагают Vype; Piper-Net и PowerKom; в Австрии - Speed-Web; в Швеции - ENkom; в Нидерландах - Digistroom; в Шотландии - Broadband.

В 2005 году в Российской Федерации началось развертывание сетей доступа в Интернет через бытовые электрические сети по технологии PLC.

Доступ в Интернет эволюционирует, и скоро даже у себя на даче, где нет телефонной и кабельной линий, можно будет подключиться к Интернет.

1.5 Технические основы технологии PLC

В большинстве случаев системы PLC классифицируются в соответствии с напряжением силовой сети, на которой они используются, и зоной действия (территорией):

применяемые на высоковольтных линиях (HV);

применяемые на средневольтных линиях (MV);

применяемые на низковольтных линиях (LV):

последняя миля;

внутри здания;

внутри помещения (квартиры).

PLC включает B, обеспечивающий передачу данных со скоростью более 1 Мбит в секунду, и NPL с намного меньшими скоростями передачи данных.

При передаче сигналов по бытовой электросети могут возникать большие затухания в передающей функции на определенных частотах, что может привести к потере данных. В технологии PowerLine предусмотрен специальный метод решения этой проблемы - динамическое включение и выключение передачи сигнала (dynamically turning off and on data-carrying signals). Суть данного метода заключается в том, что устройство осуществляет постоянный мониторинг канала передачи с целью выявления участка спектра с превышением определенного порогового значения затухания. В случае обнаружения данного факта, использование этих частот на время прекращается до восстановления нормального значения затухания.

Существует также проблема возникновения импульсных помех (до 1 микросекунды), источниками которых могут быть галогенные лампы, а также включение и выключение мощных бытовых электроприборов, оборудованных электрическими двигателями.

1.5.1 Проблемы развития технологии PLC

Какими бы оптимистичными ни были результаты работы экспериментальных PLC-сетей за рубежом, в нашей стране эта технология рискует столкнуться с рядом трудностей. Отечественная электрическая проводка выполнена в основном из алюминия, а не из меди, которая нашла применение в большинстве стран мира. Алюминиевые провода обладают худшей электропроводностью, что приводит к более быстрому затуханию сигнала. Другая проблема заключается в том, что у нас до сих пор не решены основные вопросы нормативно-правового регулирования использования таких технологий. Впрочем, последнее актуально и для Запада. Главным фактором, сдерживающим быстрое развитие высокоскоростных систем PLC, является отсутствие стандартов на широкополосные PLC-системы и, как следствие, большой риск несовместимости с другими службами, использующими те же или близкие диапазоны частот. В 2001 г. международный консорциум HomePlug Powerline Alliance принял отраслевой стандарт для построения домашних сетей через линии бытовой электропроводки - спецификацию HomePlug 1.0. Но этот стандарт регламентирует построение "домашних" сетей, то есть сетей в пределах одной квартиры (коттеджа). Полноценный же стандарт для широкополосных PLC пока не разработан.

1.6 Существующие стандарты

Основными организациями и сообществами, занимающимися вопросами стандатизации различных аспектов этой технологии, являются IEEE, ETSI, CENELEC, OPERA, UPA и HomePlug Powerline Alliance.

1.6.1 IEEE

IЕЕЕ объявил о создании группы, которая будет заниматься разработкой стандарта ВPL. Проект носит наименование IEEE P1675, «Standard for Broadband over Power Line Hardware».

Помимо IEEE P1675 существуют еще три направления:

IEEE P1775, инициированное с целью регламентирования PLC-оборудования, требований по электромагнитной совместимости, методов тестирования и измерения;

IEEE P1901, «Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications», обеспечивающее описание физического уровня и уровня доступа к среде для всех классов ВPL-устройств;

IEEE BPL Study Group, «Standardization of Broadband Over Power Line Technologies», обеспечивающее создание новых групп, связанных с BPL.

1.6.2 ETSI

Европейский институт по стандартизации в области телекоммуникаций сформировал технический комитет ETSI Technical Committee Power-Line Telecommunications (ТС PLT), отвечающий за стандартизацию в области PLC.

1.6.3 CENELEC

CENELEC - некоммерческая организация, состоящая из Национальных электротехнических комитетов государств-членов ЕС, которая является самой значительной организацией в ЕС в области стандартизации электромагнитных полей. Применительно к PLC, CENELEC выполняет создание спецификаций PLC для физического уровня и подуровня доступа к среде передачи; принят соответствующий стандарт EN55022 [1].

1.6.4 OPERA

Консорциум Open PLC European Research Alliance (OPERA) создан в 2004 году в рамках европейской программы Broadband for All по продвижению технологий скоростного интернет-доступа. Работа OPERA состоит из двух этапов, на выполнение каждого из которых отведено два года.

Основным инициатором и источником финансирования является Европейская комиссия. Суммарный бюджет составляет более 20 миллионов евро, значительная часть сумм выделяется в рамках программы FP6. Завершение проекта OPERA предполагается в 2008 году. Всего в проекте участвуют более 30 компаний и исследовательских институтов из 12 стран.

Подготовленные к настоящему моменту спецификации OPERA охватывают уровни PHY, MAC и оборудование передачи данных по сетям электроснабжения.

1.6.5 UPA

Ассоциация UPA была официально анонсирована в декабре 2004 года. Основной декларируемой целью UPA является пропаганда технологий PLC и демонстрация правительствам стран и индустриальным лидерам перспектив ее масштабного использования. UPA занимается разработкой стандартов и регулирующих документов для обеспечения быстрого развития рынка PLC. Обеспечивает участников рынка сведениями об открытых стандартах, основанных на совместимости и безопасности.

1.6.6 HomePlug Powerline Alliance

Для широкого внедрения и развития технологии HomePlug (одна из первых технологий передачи по силовым линиям), стандартизации и совместимости устройств различных изготовителей, использующих эту технологию, в 2000 году был организован международный индустриальный альянс HomePlug Powerline. Сегодня более 80 фирм являются спонсорами, участниками альянса, а также придерживаются его рекомендаций. Среди них такие известные фирмы как: Motorola, France Telecom, Philips, Samsung, Sony, Matsushita, Sanyo, Sharp, Panasonic и многие другие. Зарегистрированный знак альянса «HomePlug Certified» на продукции любого изготовителя означает, что данное устройство удовлетворяет всем требованием стандарта HomePlug Powerline и полностью совместимо с аналогичными устройствами другого изготовителя.

В основе первого стандарта HomePlug Powerline Specification 1.0 лежит технология Power Package™, предложенная компанией Intellon (USA) и принятая в качестве стандарта членами HomePlug Powerline Alliance. Принятые к настоящему моменту и находящиеся в стадии подготовки стандарты представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Основные стандарты HomePlug Powerline Alliance

1.7 Производители

Сегодня разработки в области PLC ведут несколько сотен компаний, занимающихся как выпуском комплектов микросхем, так и созданием на их базе законченных устройств. Вот лишь некоторые из игроков отрасли: ABB, Adaptive Networks, Alcatel, Ambient Corporation, Amperion, Ascol, Cisco Systems, Cogency, Corinex, Current Technologies, DataSoft, DefiDev, DS2 (Design of Systems on Silicon), Echelon, Eicon, Electricom, Enikia, Ericsson Austria AG, HP, llevo, Intellon, Krone AG, Linksys, Lucent Technologies, Metricom Corporation, Mitsubishi, Netgear, Northern Telecom, Nor.Web, Philips, PowerNet, PowerWAN, Schlumberger, Schneider Electric, Sumitomo Electric Industries, Telkonet.

1.7.1 Производители ИМС для PLC-решений

Безусловным лидером в производстве ИМС (чипов) для PLC-систем третьего поколения является компания Design of Systems on Silicon Corporation - DS2 (Испания). Она основана в 1998 г и производит функционально полный набор продуктов, позволяющий реализовать законченное решение для задачи широкополосного доступа на базе PLC. Одна из первых DS2 представила в конце 2003 г ряд ИМС третьего поколения, обеспечивающие скорость обмена до 200 Мб/с. Пока продукты DS2 не поддерживают стандарт HP v.AV.

Основные ИМС DS2:

- DSS9001: на базе данной ИМС могут быть реализованы PLC-модемы и аппаратура класса In-Door;

- DSS9002: на базе данной ИМС могут быть реализованы Излучатели и Повторители;

- DSS9003: Специализированная ИМС для сопряжения электросети и ВОЛС;

- DSS9010: Специализированная ИМС для высокоскоростных решений

Реализация PLC-системы на основе продуктов DS2 представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Реализация PLC-системы на основе продуктов DS2.

Другим лидером следует признать компанию Intellon Corporation (США), которая была одним из соучредителей альянса HomePlug. Для спецификации HomePlug v.1.0 Intellon подготовила следующие ИМС: INT51X1, INT5200, INT5500CS. В сентябре 2002 г. компания представила первый в мире сертифицированный модуль HomePlug 1.0 -- устройство RD51X1-AP для организации точки доступа в Internet по технологии PLC. В ноябре 2005 г компания объявила о выпуске 3-х миллионного изделия для сетей PLC.

Для широкополосного доступа (HomePlug v.AV specification) Intellon подготовила набор ИМС INT6000. В августе 2005 г. было объявлено, что инвестиционное подразделение Motorola Ventures начало инвестировать работы компании Intellon по развитию набора ИМС INT6000. Первые поставки ожидаются во 2 кв.2006 г.

Разработки компании Intellon реализуют технологию PowerPacket, использующую метод эффективной модуляции спектра, который дает возможность передавать данные по линиям электропередачи на очень высоких скоростях. Скорость передачи данных может достигать 100Мб/с. PowerPacket является системой с характеристиками, которые позволяют ей адаптироваться к среде с сильным многолучевым отражением, сильной узкополосной интерференцией, импульсивным помехам без выравнивания.

Компания SPiDCOM Technologies (Франция, www.spidcom.com) один из ведущих разработчиков элементной базы для решений PLC/BPL (BPL - broadband powerline, аббревиатура используемая в США для обозначения PLC). Последняя разработка компании - ИМС типа SPC200 обеспечивает скорость передачи порядка 220 Мб/с. Ее серийный запуск в производство начался в марте 2005 г. Вариант SPC200, совместимый со стандартом HomePlug v.AV, поступит в продажу во 2 кв. 2006г. ИМС SPC200 использует диапазон 2 - 30 МГц, разделенный на 7 рабочих полос.

Израильская компания Yitran Communications Ltd активно сотрудничает с HomePlug Powerline альянсом. В результате проведенных исследований в марте 2006 г решение Yitran было выбрано в качестве базовой технологии при подготовке стандарта HomePlug v.AV (раздел «Команды и управление»).

Компания подготовила две ИМС третьего поколения: ITM1 и ITС1. Они позволяют реализовать пиковую скорость до 200 Мб/с. Структурная схема устройства связи на базе ИМС ITM1/ITC1 приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Структурная схема устройства связи на базе ИМС ITM1|ITC1.

Фирма Yitran Сommunications разработала и запатентовала технологию дифференциальной кодовой манипуляции (DCSK), позволяющую создавать недорогие сетевые компоненты с высокими техническими характеристиками. Детали DCSK не известны; сообщается лишь, что в ее основе лежат независимые от физической среды передачи методы адаптивной SS-модуляции в полосе частот 4-20 MГц с турбо-компенсацией и сжатием кода.

Аппаратные компоненты (трансиверы), созданные на основе DCSK, обеспечивают значительно более высокие скорость передачи, помехоустойчивость и защиту информации, чем существующие CEBus-трансиверы, при заметно меньшей стоимости устройств. Анонсировано несколько изделий, в частности ITM1 (скорость передачи данных - до 2,5 Мбит/с) и ITM10 (скорость передачи данных - до 12 Мбит/с).

Компания XELine (Ю.Корея) разрабатывает как ИМС, так и оборудование для PLC-решений. Компания предлагает ИМС третьего поколения типа XPLC40A, которая обеспечивает скорость доступа до 200 Мб/с.

Другое изделие Xeline - ИМС типа XPLC21 обеспечивает скорость доступа до 24 Мб/с. На его основе могут быть реализованы Излучатель, повторитель и непосредственно PLC-модем. Данная ИМС реализована на базе процессора ARM9. Используемый частотный диапазон - 2-23 МГц. Структурная схема XPLC21 приведена на рис. 1.4.

Рис.1.4. Структурная схема ИМС типа XPLC21

Остальные поставщики пока находятся в стадии тестирования PLC-ИМС третьего поколения, продолжая выпуск аппаратуры второго поколения и поколения 2.5, т.н. стандарт HomePlug v.1.turbo (скорость до 85 Мб/с).

1.7.2 Обзор предложений ведущих поставщиков оборудования для систем PLC класса In-Door (установка внутри помещений)

На основе рассмотренных выше наборов ИМС вендоры выпускают PLC-оборудование и для сегмента In-Door, и для сегмента комплексных решений (для доступа на последней миле).

Ниже мы укажем производителей оборудования класса In-Door третьего поколения.

Германская компания devolo AG выпускает линейку PLC-продуктов dLAN, которые относятся к классу In-Door и позволяют создать локальную сеть внутри помещения на основе технологии PLC.

В марте 2006 г компания devolo AG объявила, что она подготовила к выпуску новую продуктовую линейку dLAN 200, которая обеспечивает скорость передачи информации до 200 Мб/с (HomePlug v.AV) и реализована на базе ИМС компании Intellon.

Один из лидеров в сегменте аппаратуры локальных сетей, компания NETGEAR (США) проявила интерес и к сегменту PLC-адаптеров - в феврале 2006 г NETGEAR заключила соглашение с компанией DS2 о начале совместных работ и поставке ИМС третьего поколения, которые позволят освоить производство PLC-устройств, поддерживающих скорость до 200 Мб/с. Начало поставок новой продукции намечено на третий квартал 2006 г.

Компания ELCON (Германия) в марте 2006 г анонсировала выпуск модели ELCONnect P-200, которая реализована на базе ИМС компании DS2, поддерживает интерфейс Ethernet и обеспечивает скорость обмена до 200 Мб/с.

Таблица 1.2. Технические характеристики наборов микросхем D52

Таблица 1.3. Позиционирование изделий DS2

1.8 Стандарт HomePlug

Рассмотрим один из популярных стандартов

В отличие от другой популярной технологии, которая предлагалась для построения протяженных сетей PLC - PowerLine, HomePlug лишен ряда недостатков, свойственных PowerLine. В частности, главная проблема PowerLine состоит в том, что при использовании этой технологии генерирует сильные помехи, которые подавляют радиовещание. Поскольку PLC-сети HomePlug не предусматривают большой протяженности, то уровни сигнала в них ниже, чем в протяженных PLC-сетях на основе технологии PowerLine, и мощность генерируемых помех, которые создают PLC-сети HomePlug, намного меньше. Поэтому эта технология не так сильно мешает радиовещанию.

Существует несколько редакций стандарта HomePlug. HomePlug 1.0, принятый альянсом HomePlug, обеспечивает скорость передачи данных до 14 Мб/с. Однако, необходимо понимать, что в этом случае речь идет о скорости передачи информации на физическом уровне, когда к полезной информации добавляется необходимая служебная, и поэтому в реальности в таких сетях PLC, например, при передаче файлов, скорость будет ниже.

Позднее появился расширение стандарта HomePlug, которое получило название Home Plug 1.0 Turbo. Этот стандарт позволяет строить такие сети PLC, которые обеспечивают физическую скорость передачи данных до 85 Мб/с. Это расширение позволило сетям PLC конкурировать с распространенными Ethernet-сетями, однако таких скоростей передачи данных не хватало для передачи данных для передачи цифрового телевидения высокой четкости HDTV.

Поэтому появилось следующее поколение стандарта HomePlug - HomePlug AV. Эта технология позволяет передавать данные со скоростью до 200 Мб/с, и на основе этой технологии можно строить PLC-сети, в которых можно использовать сети iPTV и VoIP.

1.9 Преимущества и недостатки технологии PLC

Преимущества:

Не требуется прокладка кабеля, заключение его в короба, сверление стен и опорных конструкций

Простота использования

Скорость монтажа

По сравнению с Wi-Fi:

Не требует настроек

Более стабильная связь

Большая безопасность информации

Подходит для передачи Multicast-трафика, например, IPTV

На качество связи не влияет материал и толщина стен в квартире

В РФ не требуется регистрация оборудования в Роскомнадзоре

Недостатки:

Нарушение радиоприема в помещениях, где работают PLC-модемы, особенно на средних и коротких волнах,[1] но на очень небольшом расстоянии порядка 3-5 метров от модема.

Пропускная способность сети по электропроводке делится между всеми её участниками. Например, если в одной Powerline-сети две пары адаптеров активно обмениваются информацией, то скорость обмена для каждой пары будет составлять примерно по 50% от общей пропускной способности.

На стабильность и скорость работы PLC влияет качество выполнения электропроводки, наличие стыков из разных материалов (например, медного и алюминиевого проводника), а также просто количество соединений проводника.

Не работает через сетевые фильтры и ИБП, не оборудованные специальными розетками "PLC READY".

На качество связи могут оказывать отрицательное влияние дешевые энергосберегающие лампы, тиристорные диммеры, импульсные блоки питания и зарядные устройства. Максимальное влияние на скорость в сети перечисленные устройства оказывают при подключении в непосредственной близости от PLC-модема.

Неясные правовые аспекты использования данной технологии в Российской Федерации.

1.10 Варианты исполнения PLC-сетей

Рис. 1.5. Наружный вариант исполнения PLC-сети

Рис. 1.6. Вариант исполнения PLC-сети внутри здания: организация сегмента PLC-сети

Рис. 1.7. Вариант исполнения PLC-сети внутри здания: много сегментная PLC-сеть

Рис. 1.8. Совместное использование PLC и беспроводных технологий

На рисунках представлены варианты создания сетей PLC на оборудовании DefiDev:

наружный вариант использования средне-вольтной и низковольтной проводки (рис, 1.5, показаны варианты соединения с репитерами и без репитеров);

установка внутри здания (рис, 1.6, 1.7);

комплексное использование PLC и беспроводных техно логий (рис. 1.8).

Управление PLC-сетью может осуществляться как при помощи собственной системы управления, так и с помощью систем управления сторонних производителей, например, HP OpenView.

Рис. 1.9. Схема подключения корпоративных пользователей к Интернету по технологии PLC

Состав PLC-сети:

- автоматизированные рабочие места пользователей (АРМ) - ПК, ноутбуки, КПК. Кроме того, может быть подключено различное оборудование, например, сетевые многофункциональные устройства, телефоны/IP телефоны.

- абонентские PLC-устройства (адаптеры) с интерфейсами Ethernet (1), USB (2) или Wi-Fi (3);

- пограничный PLC-модем со встроенными функциями маршрутизации, аутентификации и ADSL-доступа в магистральную телекоммуникационную сеть;

- электропроводка: устройства фазового сопряжения, щиты распределения электропитания (вторичные распределительные панели), автоматы электрозащиты (автоматические выключатели), электрические розетки.

В настоящее время с использованием PLC развернуты сети на всех континентах:

Америка - США, Канада, Мексика, Бразилия, Чили и Аргентина;

Африка - Марокко, Тунис, Алжир, Сенегал, Нигерия, ЮАР и др.;

Азия - Китай, Тайвань, Филиппины, Сингапур, Индия и Австралия;

Европа - Франция, Чехия, Словакия, Хорватия, Албания и др.

Инсталляции в России выполнены в Москве, Санкт-Петербурге, Екатеринбурге, Тюмени и Новосибирске.

Из состава бывших республик СССР охвачены Казахстан, Узбекистан и Грузия.

2. Специальная часть

2.1 Принцип действия, основные возможности оборудования

Для сбора и передачи данных по линиям электропередач 0, 4-110кВ предлагается оборудование узкополосного доступа - модемы, емкостное и индуктивное устройства присоединения к кабельным линиям и ЛЭП. Оборудование разработано специально для решения задач контроля и управления в области энергетики и построения систем, таких как АСКУЭ и АСУТП, передачи голоса и других данных.

Модемы PLC имеют входные интерфейсы RS-232/485 и Ethernet и совместимы со всеми стандартными протоколами для данных интерфейсов. С помощью аппаратно-программных средств модемы можно настроить на различные режимы работы:

- Master - головной магистральный модем;

- Repeater-повторитель;

- Slave-оконечный модем.

Модемы, установленные в режим Master/ Repeater имеют 16-битное адресное пространство, т.е. 65536 адресов. Экспериментально подтвержденная скорость передачи данных составляет: - для интерфейса RS-232/485 - до 100 кБит/сек., а для интерфейса Ethernet - до 60 кБит/сек. Модемы работают в частотном диапазоне 50-525 кГц, спектральная выходная мощность сигнала 38 dBm, таким образом, при работе модемов не создается помех для потребителей в электросети.

Существующее программное обеспечение модемов на базе интерфейсов RS-232 и Ethernet обеспечивает возможность построения PLC сетей различных архитектур:

- «точка-точка» - для систем, требующих единого “жесткого” канала связи.

- «точка-многоточка» - для систем, использующих архитектуру Master/Slave и прозрачность slave устройств.

- «множественная точка-многоточка» - для глобальных открытых информационных систем.

Скорость, устойчивость, безошибочность и надежность передачи данных, а также широкая полоса пропускания сигнала PLC модема в реальном времени, позволяет использовать его в электросетях различного напряжения, с многочисленными узлами, поддерживающими различные промышленные протоколы.

С учетом того, что пользователю доступна максимальная скорость в 100 кбит/с, на уровне приложений, это решение наиболее подходит для систем с высокими требованиями к пропускной способности канала, систем автоматизации, мониторинга и других служб использующие высокочастотную связь по ЛЭП.

Емкостное устройство присоединения предназначено для передачи данных по высоковольтным линиям с напряжением до 10кВ как воздушным, так и кабельным. Устройство присоединения является неотъемлемым звеном при построении PLC сетей. УП выполняет передачу высокочастотных сигналов PLC модема в канал связи с номинальным напряжением до 10 кВ и обратно, обеспечивая в свою очередь гальваническую развязку потенциалов и согласование импеданса между первичным и вторичным терминалами, соответственно, не требует дополнительного электропитания и не нуждается в каких либо настройках. Конструкция и габариты УП-10 позволяют устанавливать его как в ТП, так и в выкатных ячейках РП (РТП) и ПС, как внутри, так и вне помещения. Корпус УП изготовлен из стекловолокна с полиэстером, что обеспечивает необходимый уровень безопасности при эксплуатации и степень защиты по классу С3.

Индуктивное устройство присоединения имеет аналогичное назначение, как и емкостное устройство присоединения, и отличается быстротой и легкостью установки без непосредственного контакта с токоведущими частями ЛЭП.

Опыт эксплуатации показывает, что комплект оборудования (PLC модем + УП) обеспечивает передачу данных на расстояния до 10 км.

2.1.1 PDSL

PDSL - технология семейства xDSL, обеспечивающая симметричную передачу данных со скоростью до 2Мбит/с по силовым кабелям (4-20 кВ), параллельно с транспортируемым электричеством. Подключение оборудования PDSL к высоковольтным линиям осуществляется посредством устройств сопряжения, которые устанавливаются в трансформаторных шкафах

2.1.2 Малый офис (SOHO)

PowerLine технология может быть использована при создании локальной сети в небольших офисах (до 10 компьютеров), где основными требованиями к сети являются простота реализации, мобильность устройств и легкая расширяемость. При этом как вся офисная сеть, так и отдельные её сегменты могут быть построены с помощью PowerLine адаптеров

2.1.3 Домашние коммуникации

PowerLine технология открывает новые возможности при реализации идеи «Умного дома», где вся бытовая электроника была бы завязана в единую информационную сеть с возможностью централизованного управления. Электрическая сеть - готовая среда передачи управляющих сигналов между бытовыми приборами, работающих в сети 110/220В.

2.1.4 Оборудование узкополосного доступа

PLC модем TL-100MV

Магистральный модем для передачи данных телеметрии.Скорость передачи данных 270 кбит/с, полезная -115кбит/с Дальность - до 10 км. Интерфейс RS232, 485. Количество поддерживаемых узлов - 65 тыс. Режимы - ведущий, ведомый, повторитель.

TL-192

PLC модуль для передачи данных телеметрии Скорость передачи данных на уровне PLC: 135 кбит/с, на уровне приложения: 19,2 кбит/с. Частотный диапазон: 50-450 кГц Интерфейс - RS-232, дальность - до 3 км. Среда применения: 0,4/10 кВ переменного тока. Питание +5В, +12В

УП 10 Емкостное устройство присоединения

Номинальное напряжение: 10кВ Номинальная рабочая частота: 50/60кГц. Полоса пропускания: 50кГц-500кГц. Способы подключения: фаза-фаза, фаза-земля. Емкость: 5 нФ, другая под заказ. Температур: от -40 до +50 С

Допустимая импульсная микросекундная помеха: 50кВ/50мкс Сопротивление изоляции: 100Мом

Волновое сопроивление силовой линии: 22-75Ом. Затухание в рабочей полосе частот < 1дБ Изоляция конденсатора: Керамика Габаритные размеры: 450*300*190мм Масса: 5,5кг

УП-i-500NB Индуктивное Устройство присоединения

Номинальное напряжение: 24кВ-36кВ Полоса пропускания: 50кГц-500кГц Температура: от -40 до +60 С Габаритные размеры: 100*50*100мм Масса: 1,5кг

2.1.5 Оборудование широкополосного доступа

CPE wall-mount TL-200WM Клиентский модем.

Чипсет 9010. Кол-во поддерживаемых соединений 16. Интерфейсы: Ethernet 10/100 Протоколы: DHCP, TCP/IP (IPv4), TFTP, SNMP, VLAN (802.1 q), OVLAN, VPN, TFTP, STP, HTTP, UDP, 8 QoS. Шифрование - 3DES+расширенное Скорость - до 200 Мбит/с.

CPE wall-mount TL-200WMF Клиентский модем для коксиальных линий.

Чипсет 9010. Кол-во поддерживаемых соединений 16. Интерфейсы: Ethernet 10/100 Протоколы: DHCP, TCP/IP (IPv4), TFTP, SNMP,VLAN (802.1q), OVLAN, VPN, TFTP, STP, HTTP, UDP, 8 QoS.

Шифрование - 3DES+расширенное Скорость - до 200 Мбит/с

CPE wall-mount TL-201WM Клиентский/магистральный модем.

Чипсет 9001. Режимы - мастер, slave, повторитель. Кол-во поддерживаемых соединений 32. Интерфейсы: Ethernet 10/100

Протоколы: DHCP, TCP/IP (IPv4), TFTP, SNMP,

VLAN (802.1 q), OVLAN, VPN, TFTP, STP, HTTP, UDP, 8 QoS. Шифрование - 3DES+расширенное Скорость - до 200 Мбит/с.

CPE wall-mount TL-201WMF

Клиентский/магистральный модем для коаксиальных линий. Чипсет 9001. Режимы - мастер, slave, повторитель. Кол-во поддерживаемых соединений 32. Интерфейсы: Ethernet 10/100

Протоколы: DHCP, TCP/IP (IPv4), TFTP, SNMP,

VLAN (802.1 q), OVLAN, VPN, TFTP, STP, HTTP, UDP, 8 QoS. Шифрование - 3DES+расширенное Скорость - до 200 Мбит/с

Slim Injector TL-202HES. Магистральный модем. Чипсет 9002.

Кол-во соединений одновременно поддерживаемых 64, всего 1024. Режимы - мастер, slave, повторитель. Интерфейсы: Ethernet 10/100

Протоколы: DHCP, TCP/IP (IPv4), TFTP, SNMP,VLAN (802.1q), OVLAN, VPN, TFTP, STP, HTTP, UDP, 8 QoS.

Шифрование: 3DES+расширенное Скорость - до 200 Мбит/с.

Устройство присоединения на 0,4 кВ для TL-202HES

Предназначено для подключения PLC модема к 0,4 кВ

УП К-24 Емкостное Устройство присоединения на кабельные линии

Номинальное напряжение: 24кВ

Полоса пропускания:2MГц-40MГц

Температура окружающей среды: от -20 до +60 С

Изоляция конденсатора: Керамика

Габаритные размеры: 270*95мм

Масса: 3,5кг

УП В-17 Емкостное Устройство присоединения на воздушные линии

Номинальное напряжение: 17кВ Полоса пропускания: 2MT^40M^ Температура окружающей среды: от -40 до +60 С Габаритные размеры: п=177мм,а!=112мм Масса: 1,75кг

УП-1-500Л\Ш Индуктивное Устройство присоединения

Номинальное напряжение: 24кВ-36кВ Полоса пропускания: 2MT^40M^ Температура: от -40 до +85 С Габаритные размеры: 90*44*90мм Масса: 1,2кг

Устройство присоединения к телефонной линии УП - ТФ Предназначено для подключения PLC модема к телефонной линии и служит для разделения частотных диапазонов PLC модема и голосового сигнала для исключения взаимовлияния.

УП - ТФ имеет три разъема для подключения:

- к телефонной линии;

- к PLC модему;

- к телефонному аппарату.

Сетевые устройства стандарта HomePlug используют для передачи данных по электросети. Оборудование работает на базе OFDM-модуляции и рассчитано на сети с напряжением LV (0,4 кВ) и MV (6-36 кВ).

Максимальная скорость передачи составляет 14 Mb/s (HomePlug 1.0) и 200 Mb/s (HomePlug AV). Дальность - до 10 км. Новая спецификация предусматривает высококачественную передачу изображений, развлекательных программ, сигналов телевидения высокой (HDTV) и стандартной(SDTV)четкости. Для защиты информации используется алгоритм 3DES, который гарантирует практически такую же высокую защищенность трафика, как в проводных сетях. В дополнение ко всему, оборудование поддерживает функции качества обслуживания (QoS), в частности, четырехуровневую систему приоритетов и возможность сегментации сети.

2.2 Реальные возможности технологии PLC

О технологии PLC так или иначе слышали многие, однако о реальных возможностях технологии осведомлено лишь небольшое количество специалистов. Отчасти это связано с информационной политикой производителей и невнятным маркетингом, который не учитывал российские реалии, отчасти виноваты болезни роста, поскольку первая и вторая версия стандарта работали не так хорошо, как хотелось бы. В это разделе я постараюсь показать возможности этой технологии, которая базируется на стандарте, одобренном UPA в 2006 году, которые я смог проанализировать и узнать. Стандарт UPA обеспечивает физическую скорость передачи данных до 200 Мбит/cек в режиме полу-дуплекс, что соответствует максимальной скорости передачи реальных данных 80 мбит/сек в полнодуплексном режиме. Максимальная скорость ниже пропускной способности FastEthernet из-за издержек на служебный трафик и избыточность данных для протокола коррекции ошибок.

На отечественном рынке технология PLC известна прежде всего решениями типа «Домашняя сеть по электропроводке» которые представлены такими брендами как Zyxel, Dlink, Qlan. Одним из популяризаторов этих решений выступила компания ЭлектроКом со слоганом «Интернет из розетки», доказавшая своим примером работоспособность технологии. В то же время, технология PLC не ограничивается только домашним применением, существует интересный класс решений, получивший название BPL (Broadband over power line), который предназначен для операторов связи и системных интеграторов, занимающихся развертыванием корпоративных сетей. На данный момент на сколько мне известно в нашей стране наиболее заметны на этом рынке два европейских поставщика решений BPL - французская компания DefiDev и канадско-словацкая компания Corinex. Я буу рассматривать оборудование компании Corinex, дистрибьютором которой на данный момент в России выступает компания «СЕТЬТЕЛЕКОМ».

2.3 Практическое описание технологии PLC (слухи и реальность)

Технология PLC проделала непростой путь от непонятно работающих поделок до решений операторского класса. На этом пути в разное время у разных людей возникали различные впечатления, которые превратились в устойчивые мифы. Рассмотрим некоторые из них.

Считается что технология PLC медленная и ненадежная: - ранние версии стандартов работали недостаточно надежно. Версии UPA и HomePlug AV относятся к третьему поколению, а алгоритмы и протоколы непрерывно совершенствуются в регулярно выпускаемых обновлениях программного обеспечения.

Говорится, что можно включить несколько адаптеров в розетки и получить максимальную скорость работы, а на деле результат непредсказуем - PLC работает по электрическим проводам, которые могут быть присоединены к трем разным фазам. В некоторых случаях может оказаться, что разные группы розеток подключены к разным фазам и попросту не имеют электрического соединения друг с другом. В этой ситуации удивительно не то, что PLC не работает, а то, что она часто работает даже в такой сложной ситуации благодаря взаимному влиянию фаз. При наличии плана электросети и опыта работы с PLC можно построить сеть в любых условиях, но это, конечно, не получится сделать по принципу «включил и работает».