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.

Сети Smart Power представляют собой интеллектуальные сети питания завтрашнего дня, которые стали основой технологии «Smart Grid» в промышленности. Концепция основана на интеллектуальном управлении системами подачи питания и обмена данными между оборудованием предприятия, что требует разработки новых принципов администрирования энергетических сетей. Идея компании HARTING: каждое устройство становится абонентом сети вне зависимости от того, подключен ли к нему кабель данных или только кабель питания.

ЗАО «ХАРТИНГ», г. Москва

В рамках управления предприятием разрабатывается общая концепция развития коммерческих и производственных зданий, которая позволяет добиться постоянного снижения производственных и эксплуатационных расходов и обеспечить готовность оборудования к техническому обслуживанию. Главная цель – получить «экологически чистое» производство, а также увеличить производительность и соответственно рентабельность всего предприятия путем снижения расходов на энергоснабжение, увеличения эффективности распределения энергии, оптимизации пиковых нагрузок или оптимизации энергопотребления с помощью программных средств, а также путем использования современной концепции распределения энергии в составе системы управления энергетическими ресурсами предприятия по стандарту DIN EN 16001. Для достижения поставленной цели требуется единая и универсальная система связи, объединяющая сети питания и сети передачи данных. Для крупных потребителей электроэнергии будет создана система энергетического мониторинга, которая объединит функции управления процессами подачи электроэнергии, управления энергопотреблением и предоставления пользователям полной информации. Качественная связь – основа эффективности. Обмен данными между промышленными устройствами до сих пор считается всего лишь вспомогательной функ­цией. Однако если промышленные устройства работают изолировано, вне системы обмена данными, дальнейшее развитие и повышение эффективности промышленных процессов невозможно. Отсутствие диагностики отрицательно влияет на готовность оборудования к техническому обслуживанию, а повышение энергоэффективности при эксплуатации оборудования невозможно без эффективной системы идентификации потребителей электроэнергии. Обе задачи решаются только при использовании сети передачи данных, которая позволяет «увидеть» каждое работающее устройство и управлять им.

Энергоснабжение в промышленности и типы сигналов связи

Работа промышленных уст­ройств связана с тремя жизненно важными «артериями» – это линии подачи питания, линии передачи данных и линии передачи сигналов управления. Устройства, потребляющие большую мощность, постоянно подключены к силовой линии 400 В, однако менее 50 % из них способны передавать и принимать информацию. Для эффективного администрирования подобных устройств каждое из них должно быть интегрировано в сеть питания в качестве оконечного устройства.

Отсюда вытекают требования к сетям питания. Когда устройство подключается к сети питания, должно немедленно распознаваться само устройство и значение потребляемой им мощности, а также должна быть возможность отключения нагрузки в соответствии с выбранным алгоритмом. Для реализации перечисленных функций требуется канал с достаточно узкой полосой пропускания.

Автоматизация, напротив, требует линий связи, способных передавать данные на высокой скорости в режиме реального времени. Например, оптические линии автоматической диагностики работают в достаточно широком частотном диапазоне.

Организация линий передачи данных в сети питания

Чтобы снизить затраты на монтаж, а также для реализации базовых функций управления сетью питания, компания HARTING выбрала технологию передачи данных по кабелям электропитания. Однако, несмотря на то что сети объединены, они должны работать так, как работали бы сети, организованные с помощью отдельных кабелей. Поэтому в качестве основы для сети питания был выбран стандарт Ethernet, позволяющий добавлять в сеть новые функции в зависимости от требований пользователей. Если в традиционную сеть питания интегрировать функцию интеллектуального управления, она становится сетью smartPowerNet. В этом случае объединенные в сеть устройства начинают играть ключевую роль, поскольку именно они определяют требуемую для промышленности топологию сети. Следовательно, элементы сети smartPowerNet формируют основу сетевой структуры: компания HARTING сделала соответствующие выводы и стала первым предприятием, разработавшим устройства для сетей электропитания с функцией передачи данных.

Использование стандартной сети Ethernet

Управление сетью Ethernet осуществляется через управляемые компоненты сети.

Вполне логично, что функции управляемых коммутаторов могут взять на себя устройства сети smartPowerNet. Одна из основных функций управления сетью – это визуализация топологии и подключенных к сети оконечных устройств. Если для сети питания с функцией передачи данных выбран стандарт Ethernet, топология сети передачи данных повторяет топологию сети питания, так как для передачи данных и питания используется один и тот же кабель. Следовательно, для администрирования такой комплексной сети можно использовать стандартные функции Ethernet, выбор которых достаточно широк. На основе такой концепции возможно создать универсальное решение. Система открыта и масштабируема, поскольку подключение дополнительных линий связи расширяет частотный диапазон системы, не накладывая никаких ограничений на совместимость.

Функции управления комплексной сетью

В настоящий момент востребованы решения, которые поддерживают топологии, предусматривающие использование линий передачи данных и питания в различных комбинациях и позволяющие передавать данные об энергопотреблении, например, в диспетчерскую, без прокладки дополнительных кабелей данных, а также осуществлять непрерывный контроль состояния системы без установки и конфигурирования дополнительных устройств. В такой сети очень важна функция автоматического распознавания топологии сети в момент первого включения и во время работы сети, а также отображение данных о системе распределения питания. Устройства, распределяющие и потребляющие электроэнергию, распознаются при включении сети и отображаются на дисплее промышленного ПК или главной рабочей диспетчерской станции вместе с текущими показателями энергопотребления. Интеграция системы управления нагрузкой позволяет избежать перегрузок, система срабатывает при превышении пиковых значений, предварительно установленных для нагрузки. Поэтому целесообразно заранее определить потребителей, которых можно безболезненно отключить при общей перегрузке сети.

Контроль состояния системы

Функция контроля состояния нагрузки в системе распределения электроэнергии, а также нагрузки, подключенной к станку или другому оборудованию, основана на регулярном считывании и последующем анализе соответствующих данных. Она служит для обеспечения безопасности и эффективности работы системы. В дополнение к измерению сигнала на выходах Т-образных отводов производится непрерывный контроль состояния всей распределительной сети и каждого отдельного элемента smartPowerNet.

Любое изменение параметров сети и показателей качества работы регистрируется и анализируется. Так, например, можно мгновенно определить такие неисправности, как падение напряжения, обрыв кабеля или неправильное подключение до отказа всей системы.

Рис. Применение технологии «Smart Grid» в промышленности значительно повысит эффективность

Энергопотребление

Для снижения расходов на электроэнергию нужны данные обо всех потребителях. Для этого в каждый элемент сети smartPowerNet, в каждое распределительное устройство или электрошкаф встроена измерительная интегральная схема, которая считывает и записывает данные, используемые для расчета энергопотребления. Самым простым средством снижения энергопотребления является отключение потребителей. Стандартные входы/выходы администрируемых распределительных устройств позволяют отключать лишние устройства с помощью ПЛК без использования дополнительных сетевых протоколов.

Отображение данных

Обработка всех результатов измерений производится на промышленном ПК. Данные сети smartPowerNet считываются через стандартные коммуникационные интерфейсы, затем обрабатываются и архивируются.

Существенные отклонения результатов измерений от нормальных значений регистрируются, анализируются, записываются и отображаются на промышленном ПК или в диспетчерской в соответствии со степенью важности. Рассчитывается, например, энергия, потребленная всей системой или каждой выходной цепью. Отображается значение потребленной электро­энергии относительно номинального значения и выдается предупреждение при перегрузке. Также возможен графический анализ потребления электроэнергии и составление графиков энергопотребления на достаточно долгий срок.

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.

Как ни странно, но есть еще те, кому не безразлична идея передачи данных по электрической проводке. Да, в мире немало людей, столкнувшихся с этим явлением лицом к лицу, кто-то, возможно, только собирается познакомиться с технологиями, открывающими такие возможности, для кого-то это уже состоявшийся удачный или неудачный опыт, а для кого-то - вчерашний день.

Итак, PLC. К сожалению, информации в сети не так много, как о том же Ethernet или Wi-Fi. Данной статьей постараюсь ответить на наиболее популярные вопросы некогда интересовавшие меня самого. PLC (Power Line Communication) - коммуникационная сеть, транспортом которой является обычная электропроводка квартиры, офиса или предприятия. Сети такого рода можно использовать для передачи данных и голоса. Электрический кабель буквально окружает современного человека. Он есть в домах, офисах и предприятиях, общественных местах. И это не удивительно, ведь провода являются единственным средством доставки электрического тока потребителю. Зачастую к электрифицированным объектам подходит не один, а несколько питающих кабелей. Связано это с использованием нескольких электрических фаз или дополнительных линий питания.

Само собой разумеется, что об использовании электрического кабеля, как средства коммуникации, задумывались давно. При реализации этой затеи подключение к сети сводилось бы к подключению вилки адаптера к розетке. Как следствие, была разработана новая спецификация, в основу которой легли разработки PLC и DPL (Digital PowerLine), которые велись ранее. Создана она была усилиями группы компаний, таких как Siemens, Nortel, Motorola и др., образовавших собой HomePlug Powerline Alliance . С появлением стандартов HomePlug 1.0, а затем и HomePlug AV PLC устройства в режиме BPL (Broadband over Power Lines — широкополосная передача через линии электропередачи) стали способны обмениваться данными на скорости до 200Мб/с.

Где же можно использовать технологию Power Line Communication? При правильном применении почти где угодно, но, главным образом, данная технология используется для организации локальной сети дома и офиса, а также в качестве технологии доступа на провайдерском уровне. К достоинствам данной технологии можно отнести легкую масштабируемость сети, возможность реализации системы "умный дом" (наподобие технологии Z-Wave :)), отсутствие дополнительных отверстий в стене и кабеля в квартире/доме.

История

На заре развития электрических сетей встал вопрос об организации обмена диспетчерской информацией между энергетическими узлами. Наиболее рациональным было использование уже имеющихся линий электропередач, нежели строительство отдельных телеграфных линий. Уже в начале 20-го столетия в США для обмена телеграфной информацией использовали ЛЭП постоянного тока. С развитием радиосвязи стало возможным использовать в этих же целях и сети переменного тока.

В настоящее время обмен диспетчерской информацией по линиям электропередач широко применяется как один из основных видов связи. Приемопередатчик подключается к ЛЭП через фильтр присоединения, образованный из конденсатора малой емкости (2200 — 6800 пикофарад), и высокочастотного трансформатора (автотрансформатора). Подобная система позволяет передавать как голосовую информацию, так и данные телеметрии и телеуправления. Идея технологии PLC заключается в использовании силовых линий для высокоскоростного информационного обмена.

Как выяснилось в процессе разработки и последующей эксплуатации, узким местом технологии являлась слабая помехозащищенность и низкая скорость передачи данных. В марте 2000 года результатом объединения нескольких крупнейших телекоммуникационных компаний стал HomePlug Powerline Alliance, организованный с целью совместного исследования, разработки и проведения испытаний, кроме того было решено принять единый стандарт на передачу данных по системам электропитания. Кстати, на настоящий момент в состав HomePlug Powerline Alliance входит более сотни организаций.

Прототипом PowerLine является технология PowerPacket фирмы Intellon, которая легла в основу единого стандарта HomePlug1.0 (принят альянсом HomePlug 26 июня 2001 года), в нем была определена скорость передачи данных до 14 Мб/сек. Однако на данный момент стандарт HomePlug AV поднял скорость передачи данных до 200 Мбит/с. А новый стандарт G.hn в ближайший год расширит полосу до 1 Гбит/с.

Стоит заметить, что HomePlug не единственный пакет существующих спецификаций. Помимо HomePlug имеются и другие — это широкополосная технология, поддерживаемая международной ассоциацией UPA (Universal Powerline Association), а также технология с одноименным названием, которая была разработана рядом влиятельных японских компаний, объединившихся в альянс HD-PLC (High-Definition Powerline Communications). В Европе вклад в разработку PLC-технологии внес альянс OPERA (Open PLC European Research Alliance). Кратко расскажу о них.

OPERA

OPERA был основан европейскими компаниями-производителями и университетами в 2004 г. Альянс насчитывает более 40 участников. Целью были исследования и разработки в области интегрированных PLC-сетей для организации широкополосного доступа.

В 2006 году завершился первый проект альянса. Результатом завершения стал выход первой версии стандарта, которым поспешили воспользоваться многие производители PLC-оборудования. С января 2007 г. стартовал второй этап проекта, завершившийся в декабре 2008 г. Целью проекта стала разработка спецификаций, обеспечивающих возможность работы широкополосных систем с использованием в качестве физической среды существующей электропроводки. Отсюда и другое название — BPL (Broadband over Power Line).

BPL-технология обеспечивает высокоскоростную передачу данных (потоковое видео, IP-телефония и т.п.), а также организацию домашних локальных сетей. В число участников второго этапа проекта вошли ведущие европейские университеты Swiss Federal Institute of Technology (Швейцария), University of Dresden и University of Karlsruhe (Германия) и др., крупные технологические компании-разработчики DS2 (Испания) и CTI (Швейцария), а также европейские PLC-операторы EDEV-CPL (Франция), ONI (Португалия), PPC (Германия), коммунальные предприятия и OEM-производители — всего 26 участников. В основе предложенных альянсом спецификаций лежит технология, разработанная испанской компанией DS2, которая первой представила коммерческие микросхемы PLC-модемов, обеспечивающие пропускную способность канала связи на физическом уровне до 200 Мбит/с. Здесь предусматривается передача данных в полосе частот 10, 20 или 30 МГц. Способ модуляции — OFDM, число поднесущих — 1536. Для модуляции поднесущих используется модуляция типа ADPSK (Amplitude Differential Phase Shift Keying — амплитудно-дифференциальная фазовая манипуляция), что обеспечивает передачу до 10 бит на каждой поднесущей. Теоретически достижимая скорость передачи данных составляет 205 Мбит/с.

UPA

UPA была основана в 2004 г. В ее состав вошли ведущие производители электронного оборудования и исследовательские центры: Analog Devices, Ambient, Buffalo, Comtrend, Corinex, D-Link, NETGEAR, Korea Electrotechnology Research Institute, Toshiba и др. Целью ассоциации была разработка стандартов и нормативных документов, определяющих различные аспекты процесса передачи данных для ускорения развития PLC-рынка и продвижения систем передачи данных по электросетям на правительственном и корпоративном уровнях. Один из аспектов выполняемой UPA сертификации — совместная работа оборудования разных стандартов при использовании одной и той же физической среды передачи данных, т.е., к примеру, одновременное использование одной электросети для передачи потоков данных в соответствии со стандартами HomePlug и OPERA. Ассоциация UPA поддерживает основные спецификации, предложенные альянсом OPERA.

HD-PLC

HD-PLC основан японской корпорацией Panasonic Corporation, в состав которой вошли такие компании как AOpen, Advanced Communications Networks, Icron Technologies Corporation, I-O DATA DEVICE, Analog Devices, APTEL, Audiovox Accessories Corporation, Buffalo, OKI, Kawasaki Microelectronics, OMURON NOHGATA, Murata и др. Предложенная корпорацией Panasonic широкополосная технология HD-PLC предназначена для организации высокоскоростной передачи и приема данных по электросети и поддерживается альянсом CEPCA (Consumer Electronics Powerline Communication Alliance).

Этот альянс был образован в 2005 г. влиятельными японскими корпорациями Panasonic, Sony, Toshiba, Mitsubishi, Sanyo и Yamaha. Одно из направлений деятельности CEPCA — объединение усилий по разработке технологии, совместимой с различными стандартами, что потенциально позволит объединить сети передачи мультимедийных данных в пределах квартиры или здания. Конкурентами технологии HD-PLC являются технологии, продвигаемые ассоциациями HomePlug и UPA. Отличительной особенностью технологии HD-PLC является предложенный способ синтеза OFDM-сигнала. В отличие от принятого, к примеру, в технологии HomePlug AV способа формирования OFDM-сигнала с помощью инверсного быстрого преобразования Фурье (FFT), в технологии HD-PLC авторы предложили использовать Wavelet-преобразования. Wavelet OFDM — широкополосная технология передачи данных с использованием электросети, отличающаяся высокой спектральной эффективностью. В этой технологии для синтеза OFDM-сигнала используются Wavelet-преобразования. При этом теоретически достижимая скорость передачи данных составляет 210 Мбит/с.

Участники

Нужно понимать, что все перечисленные альянсы и ассоциации - это своего рода "клубы по интересам", ядро которых составляют несколько крупных производителей интегральных микросхем, преследующих коммерческую выгоду. На периферии же находятся производители модемов и прочего оборудования. Так были сформированы "некоммерческие" организации, развивающие и пропагандирующие "независимый от производителя" стандарт.

Ядро Homeplug Powerline Alliance составляют компании Cisco, Intel, LG, Motorola, Texas Instruments. Именно они являются союзниками компании Intellon, которая отражает американское направление развития данной технологии. Европейское же направление определяет компания DS2 поддерживаемая Европейским Союзом в рамках проекта OPERA. Более двух десятков компаний-партнеров DS2 объединились в ассоциацию UPA, в состав которой входят Buffalo, Corinex, D-Link, Intersil, Netgear, Toshiba и другие компании. Корпорация Panasonic в своих разработках придерживается спецификаций промышленного альянса CEPCA. На этот же стандарт ориентируются такие компании как Hitachi, Mitsubishi, Philips, Pioneer, Sanyo, Sony и др. К числу влиятельных международных организаций по стандартизации, несомненно, относятся Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и международный союз электросвязи и стандартизации (ITU). В состав этих организаций входят представители ведущих компаний многих стран мира.

В декабре 2008 г. институтом стандартизации ITU-T был принят международный стандарт на высокоскоростную передачу данных по линиям электросетей, телефонным и коаксиальным кабелям. Новый стандарт ITU-T (G.9960), называемый также G.hn, — это пакет спецификаций канального и физического уровней, который унифицирует принцип построения проводных домашних сетей. В конце 2008 г. впервые появился международный стандарт, позволяющий в полной мере использовать потенциал проводных сетей, в которых в качестве физической среды передачи данных используются линии электросети, коаксиальный или телефонный кабели. За обеспечением совместимости всех сетей, созданных на базе G.hn, наблюдает некоммерческая организация Home Grid Forum, одним из основателей которой является компания DS2.

В конце 2008 г. компания DS2 объявила о намерении разработать микросхему PLC-модема, совместимую со спецификациями G.hn, UPA и OPERA. В июле 2005 г. институт IEEE объявил о создании рабочей группы, которая будет заниматься подготовкой стандарта Broadband PowerLine. Объектом изучения были приняты конкурирующие и несовместимые между собой спецификации использования электросетей для высокоскоростной передачи данных. Спецификации были представлены альянсом HomePlug Powerline Alliance, корпорацией Panasonic и компанией DS2.

В результате был одобрен первый проект стандарта: IEEE P1901 Draft Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications. В проекте стандарта предусматривается возможность использования на физическом уровне двух несовместимых между собой способов модуляции (FFT OFDM и Wavelet OFDM). Более того, допускалась возможность использования двух несовместимых между собой методов прямой коррекции ошибок.

Один из них базируется на сверточных турбокодах, во втором используются коды LDPC — коды с малой плотностью проверок на четность. В настоящее время турбокоды применяются в системах спутниковой и мобильной связи, беспроводного широкополосного доступа и цифрового телевидения. В проекте стандарта отсутствуют ссылки на использование технологии, предложенной компанией DS2, а принятые за основу два варианта PHY существенно различаются между собой. В результате оборудование с разными видами модуляции не может взаимодействовать в одной сети, хотя оно и будет соответствовать требованиям стандарта IEEE P1901. При написании были использованы материала этого сайта .

В теории

Основой технологии PowerLine является использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбирается на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнал.

При частотном мультиплексировании (FDM - Frequency-Division Multiplexing) доступный спектр расходуется неэффективно. Связано это с наличием защитных интервалов (Guard Band) между поднесущими. Наличие защитных интервалов необходимо для предотвращения взаимного влияния сигналов.

Поэтому используется ортогональное частотно-разделенное мультиплексирование (OFDM). Идея заключается в размещении центров поднесущих частот так, что пик каждого последующего сигнала совпадает с нулевым значением предыдущего. Как видно, доступная полоса частот при использовании OFDM расходуется более эффективно.

Перед объединением в один сигнал отдельные поднесущие частоты подвергаются фазовой модуляции - каждая своей последовательностью бит.

Затем наступает черед PowerPacket engine, в котором поднесущие собираются в единый информационный пакет (OFDM-symbol). В технологии PowerLine используются 1536 поднесущие частоты с выделением 84 наилучших в диапазоне 2-32 Мгц. Любая технология передачи данных нуждается в адаптации к физической среде, значит ей нужны средства обнаружения и устранения ошибок и конфликтов. PLC не исключение. При передаче сигналов по бытовой сети могут возникать большие затухания на определенных частотах, что приведет к потере данных. В технологии Powerline предусмотрен специальный метод решения этой проблемы - динамическое выключение и включение передачи сигнала (dynamically turning off and on data-carrying signals). Суть метода заключается в постоянном мониторинге канала с целью выявления участка спектра с превышением максимального порога затухания. В случае обнаружения такого участка передача данных в проблемном диапазоне частот прекращается до восстановления приемлемого значения затухания.

Сила технологии PowerLine, заключающаяся в использовании широкого спектра частот, одновременно является ее слабым местом. В различных странах спектр запрещенных для использования частот строго регламентирован. Работая, PLC-устройство способно "заглушить" радиоприем в используемом спектре. Эту проблему хорошо знают радиолюбители. Поэтому использование OFDM и широкого диапазона частот придают технологии PowerLine гибкость при использовании в различных условиях. Технически это реализуется путем настроек, так называемых Signal Mode и Power Mask на устройствах (в которых предусмотрена соответствующая возможность). Signal Mode - программный метод определения рабочего диапазона частот. Power Mask - программный метод ограничения спектра используемых частот. За счет этого устройства PowerLine могут спокойно сосуществовать в одной физической среде и не зашумлять диапазоны частот используемых радиолюбителями.

Другой существенной проблемой, теперь уже для самих устройств PLC, являются импульсные помехи, источниками которых могут быть различные зарядные устройства, галогеновые лампы, включение или выключение различных электроприборов.

Сложность ситуации заключается в том, что, используя вышеописанный метод, устройство PLC не успевает адаптироваться к быстроизменяющимся условиям, ведь их длительность может быть равна одной микросекунде и меньше. Для решения подобной проблемы используется каскадное кодирование битовых потоков перед их модуляцией и последующей передачей в сеть. Суть помехоустойчивого кодирования состоит в добавлении в исходный информационный поток избыточных битов, которые используются декодером на приемном конце 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 в общей среде передачи. Так как в качестве среды передачи данных выбрана сеть бытового электропитания, то в один момент времени передачу могут начать сразу несколько устройств. Для разрешения коллизий используется метод CSMA/CA. Благодаря добавлению в кадры данных, передаваемых в сетях PowerLine, полей приоритезации, стало возможным передавать голос и видео через IP.

На практике

HomePlug 1.0

Первая «электрическая» спецификация стандарта HomePlug была разработана и принята уже после года работы альянса - в середине 2001 года. Данная спецификация описывает следующие правила функционирования локальной сети:

• в качестве сетевой топологии используется «шина»;
• максимальная скорость передачи данных составляет 14 Мбит/с;
• максимальный диаметр сети составляет 100 м (на практике расстояние может составлять более 1000 м, но с более низкой скоростью передачи данных);
• допускается применение репитеров, что позволяет увеличить расстояния передачи данных до 10 000 м;
• используются адаптивные механизмы изменения частоты или отключения определённых каналов при обнаружении сильных помех;
• применяется сервис качества QoS (Quality of Service) с четырьмя уровнями качества доставки;
• для шифрования данных используется метод DES с 56-битным ключом шифрования.

По прошествии небольшого промежутка времени появилась неофициальная версия HomePlug 1.0 с пометкой Turbo, технические характеристики которой повторяли характеристики HomePlug 1.0 с единственным, но значительным отличием: скорость передачи данных была увеличена до 85 Мбит/с.

HomePlug AV

Принятие в 2005 году спецификации HomePlug AV стало знаменательным событием, поскольку позволило использовать этот стандарт для работы с большими потоками информации, например с видеопотоком в HD-качестве (HDTV). Если проанализировать данную спецификацию детально, то можно заметить, что при ее разработке были пересмотрены многие подходы, которые применялись при разработке спецификаций HomePlug 1.0 и HomePlug 1.0 Turbo. Спецификация HomePlug AV имеет следующие возможности:

• максимальная скорость передачи данных составляет 200 Мбит/с;
• передача данных ведется в диапазонах частот 2-28 МГц и 4-32 МГц;
• используется метод доступа к передающей среде CSMA/CA;
• применяется сервис качества QoS (Quality of Service);
• для шифрования данных используется технология AES со 128-битным ключом шифрования.

В настоящее время подавляющее большинство конечных подключений осуществляется посредством прокладки кабеля от высокоскоростной линии до квартиры или офиса пользователя. Это наиболее дешевое и надежное решение, но если прокладка кабеля невозможна, то можно воспользоваться имеющейся в каждом здании системой силовых электрических коммуникаций. При этом любая электрическая розетка в здании может стать точкой выхода в Интернет. От пользователя требуется только наличие PowerLine-модема для связи с аналогичным устройством, установленным, как правило, в электрощитовой здания и подключенным к высокоскоростному каналу.

А также, PLC идеальное решение последней мили в коттеджных посёлках и в малоэтажной застройке, в связи с тем, что организация альтернативных каналов связи выходит в стоимости в 4 и более раз дороже, чем готовая электропроводка.

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 ее сегменты могут быть построены с помощью PowerLine-адаптеров. Часто встречается ситуация, когда необходимо включить в уже существующую сеть удаленный компьютер или сетевой принтер, расположенный в другой комнате или в другом конце здания. Такая проблема легко решается с помощью PowerLine-адаптеров.

PowerLine-технология может быть использована при реализации идеи «умного дома», где вся бытовая электроника связана в единую информационную сеть с возможностью централизованного управления. Благодаря тому, что PLC использует готовые коммуникации, PowerLine-технология может быть использована в автоматизации технологических процессов, связывая блоки автоматизации по электропроводам или другим видам проводов. В связи с тем, что PLC может работать на различных проводах (не обязательно электрических), становится возможным применение технологии в охранных пожарных системах, а также для организации систем видеонаблюдения.

Имеются и отрицательные стороны: например, необходимость подключения всех адаптеров локальной сети к одной фазе. К ним также относится недостаток топологии «шина» - скорость делится между всеми устройствами сети.

Приведу пример реализации технологии в сети интернет-провайдера. Существуют различные варианты реализации технологии.

Я расскажу об одном, возможно самом простом. Подключение к Ethernet коммутаторам не представляет из себя чего-то необычного. PLC-контроллер устанавливается в ящик вместе с коммутатором на доме. Подключаются они друг к другу стандартным патч-кордом в 100мб/с FastEthernet порты. Ящик, в зависимости от модели PLC-контроллера или Head End"а (далее HE), может выглядеть по-разному.

PLC-сигнал передается по коаксиальному кабелю, который, с одной стороны, подключается к НЕ, с другой, к сплиттеру. Сплиттер - это своего рода переходник, используемый для подключения нескольких НЕ в доме. Такая необходимость может возникнуть при большом количестве подключений или при высоких требованиях к пропускной способности канала связи.

В случае использования нескольких НЕ производятся настройки Power Mask c выбором Signal Mode. Принятие этой меры необходимо для однозначного определения актуального НЕ для конкретного CPE клиента. В противном случае будет возникать ситуация с переключением CPE между HE, а значит и переавторизацией после каждого переключения.

Количество переключений определяется стабильностью связи между HE и CPE. С настройкой Signal Mode сильно разгуляться не выйдет, там всего несколько вариантов, а вот Power Mask можно настраивать достаточно гибко. В распоряжении инженера 256 битное поле данных, в рамках которого можно разрешать или запрещать работу в том или ином спектре частот. На данном этапе мы имеем две независимых сети: электрическую и сеть данных. Как же получить сеть способную передавать данные через вожделенную среду? Тут не обойтись без устройства "вливающего" PLC сигнал в электрические провода. Таким устройством является инжектор или, как его еще называют, каплер, а процесс "вливания" - инжектирование.

Для соединения коаксиальных кабелей используются специальные соединители.

Инжектировать можно и с помощью ферритовых колец. Да, не только фильтрами защищающими от шумов они могут быть. Тут стоит сказать, что далеко не каждый феррит подходит, а монтаж далеко не так прост, как хотелось бы. В результате монтажа ферритового кольца, сигнал инжектируется, но результат будет однозначно хуже, чем при использовании каплера.

После этого конечный пользователь уже может получить доступ к сети через электрическую розетку. Но ключевое слово здесь "может". Существует множество факторов влияющих на уровень сигнала и на возможность передачи данных по электрической сети. Их нужно выявлять путем замеров уровня сигнала на разных участках сети и устранять наиболее подходящим способом. Обычно это высокий уровень шумов на нижних этажах, например, девятиэтажного здания, или сильная зашумленность, в участке электрической цепи после УЗО (в направлении к потребителю). В этих ситуациях эффективно использовать шунт, который является своего рода "обходным путем" для PLC сигнала передаваемого в электросети. При слабом сигнале можно сделать дополнительное инжектирование при помощи все того же ферритового кольца или каплера. В конечном счете, схема подключения выглядит примерно так:

В сухом остатке

В заключении скажу, что технология PowerLine таит в себе множество подводных камней и не так проста в реализации и использовании, как о ней пишет производитель. Вполне неплохо данная технология подойдет в использовании на предприятиях для управления автоматизированными линиями. Строить локальную сеть дома на подобной технологии, наверное, экономически невыгодно, ведь один из самых дешевых PLC-адаптеров стоит порядка 1200 рублей. Следует учесть, что устройств нужно минимум два, а значит, сумма решения возрастает уже до двух с половиной тысяч рублей, при этом нет гарантии, что такая сеть будет работать стабильно 24х7. Но тут, как говорится, каждый решает сам, что для него приемлемо.

Что же касается использования Power Line в сети провайдера, то, скорее всего, время PLC уже прошло. В первую очередь, потому что комфортно работать в сети могут 1-15 пользователей, дальше могут начаться проблемы со скоростью и стабильностью подключения. В настоящее время ситуация когда НЕ перегружен редкость, т.к. большинство домов, вошедших в зону покрытия сети, подключены по технологии Ethernet. У PLC есть одно серьезное преимущество: услуга готова предоставиться любому потенциальному клиенту. Что это значит?

Если сравнивать с тем же Ethernet, то клиент сначала должен оставить заявку, заключить договор на предоставление услуг, после чего придут монтажники, просверлят, протянут, обожмут и готово - услугой можно пользоваться. С PLC иначе. Клиент делает заявку по телефону, на сайте, либо через ICQ, в конце концов, он может просто прийти в офис продаж для заключения договора и получения оборудования. Инсталляция оборудования крайне проста: нужно включить модем в розетку. По истечении 10 минут подключение уже будет работать (если, конечно, нет проблем с сигналом в квартире). При этом пользователь и не подозревает, что модем устанавливает связь с НЕ, авторизуется на RADIUS, вносится в базу данных, за ним закрепляются конфигурационные параметры, формируемые в виде отдельного конфигурационного файла, которые модем загружает и применяет. И только после этого клиентское оборудование получает ip адрес, с которым может работать в сети. С этого момента оборудование считается инсталлированым. Последующие подключения за этим же HE осуществляются менее чем за минуту.

При использовании CPE за другим HE (другой адрес или другой подъезд) инсталлировать оборудование придется повторно. Процесс проходит настолько гладко, что некоторые пользователи и не догадываются о том, сколько сотен метров кабелей и различного рода устройств, от НЕ до BGW, за их модемом.

Однажды обратился клиент и раздраженно недоумевал, как это так, у него не заработал интернет на даче. У себя дома и у друзей с его модемом ведь все работает! И это не единичный случай, бывали клиенты, переезжающие даже в другой город с оборудованием, выданным им во временное пользование. На просьбу сдать оборудование последовал ответ, дескать нет времени, кроме того клиент собирался продолжить использование этого оборудования. Оператор попытался убедить клиента все-таки отдать оборудование компании, аргументировав тем, что оно для него все равно бесполезно, и подключиться к интернету там, в другом городе, не удастся. Ответ был преисполнен сарказма: "Розетки там тоже есть". Ну что тут скажешь...

К плюсам технологии PLC можно отнести то, что мощность передатчика составляет 75 мВт, а это позволяет избежать регистрации оборудования как радиочастотного. Почему это важно? Нам, простым смертным, не стоит забывать о радиолюбителях, чьи интересы охраняются законодательством и в случае ущемления прав или зашумления избранного радиочастотного диапазона, на их защиту встанет Роспотребнадзор. О сложившихся баталиях и инженерных решениях можно написать отдельную большую статью. Скажу лишь то, что топор войны зарыт, шаткий мир поддерживается оперативным реагированием инженеров на обращения радиолюбителей.

Теперь очередь недостатков технологии. Помимо стоимости оборудования, это еще и зависимость от количества работающих CPE за одним HE. Это обстоятельство определяется шинной топологией сети. Не нужно забывать о высокочастотных шумах, появляющихся в сети вследствии включения электроприборов или при использовании импульсных блоков питания, энергосберегающих ламп и т.п. В некоторых случаях придется буквально выбирать: или подключение к сети в темноте или без интернета, но в освещенной комнате. Ирония иронией, но все это кажется смешным до тех пор пока не придется столкнуться с проблемой лицом к лицу. Кроме того, на качество и скорость связи оказывает отрицательное влияние качество электропроводки, наличие скруток (снижение скорости до полного пропадания) тип, мощность бытовых электроприборов и устройств.

Надеюсь, что материал, представленный в данной статье, даст ответы на некоторые вопросы, возможно, возбудит здоровый интерес к технологии.

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.