Реферат: Использование линий электропроводки в качестве среды передачи информации

Рис. 1 Функциональная схема коммутационного узла.

Ядром коммуникационного узла являются контроллеры сетевого, канального и физического уровней; последние часто называются также приемопередатчиками или трансиверами. Как правило, эти компоненты реализуются на базе универсальных либо специализированных микропроцессоров и выпускаются рядом фирм в виде наборов микросхем.

Изолирующий (соединительный) модуль в общем случае осуществляет две функции: изолирует аппаратуру коммуникационного узла от напряжения питания и выделяет информационный сигнал из силового напряжения. Обычно этот модуль выполняется из отдельных радиоэлектронных компонентов.

Некоторые фирмы изготавливают специальные микросхемы усилителей мощности, позволяющие передавать сигнал на большие расстояния. На основе этих компонентов может быть построен электромодем со стандартным или заказным интерфейсом пользователя.

Для обеспечения совместимости изделий различных производителей (в рамках одного класса приложений) предпринимаются усилия по стандартизации технологий передачи информации по линиям электропередачи.

1.2.2 Короткая история Магистральных сигнальных систем

Идея использования развитых энергетических систем также для передачи сигналов — под общепринятым названием «Магистральная передача» — возникла впервые еще в конце 19 века, когда два французских инженера в 1898 году запатентовали свое изобретение. Практическое применение эта идея нашла в начале 20 века во французской мультичастотной «системе контроля», но реальное распространение этой технологии произошло после 1950 года. «Система контроля» работала в низкочастотном диапазоне от 110 до 1000 Гц, пользуясь успехом по всему миру. Она и сейчас является весьма распространенным сетевым оборудованием. В мире установлено несколько тысяч систем и существует около 30-40 миллионов пользователей. «Система контроля» — это узкополосная система, направленная от подстанции к пользователю. В 70-х годах 20 века были разработаны несколько подходов с так называемыми системами с «Несущими энерголиниями», работающими в килогерцовом диапазоне от 3 до 150 кГц. Эти системы были двунаправленными. Но особым успехом эти разработки не увенчались. В 90-х годах 20 века огромное распространение электроники и телекоммуникационных технологий позволило начать новые разработки систем уже в мегагерцовом диапазоне и дало жизнь новым широкополосным приложениям с общим названием «Power Line Communications» (PLC). Они и сейчас находятся в процессе усовершенствования.

1.2.3 Топология PLC-систем.

Нужно учитывать — как будет объяснено дальше — что, с одной стороны, высокие частоты предоставляют широкий частотный диапазон, необходимый для высокоскоростных приложений; с другой стороны,  на этих частотах происходит сильное ослабление сигнала в линии. Это делает передачу сигнала с удовлетворительным качеством возможным в основном только в сетях с низким напряжением. Следует рассмотреть две системы (рис. 1)

¾   внешнюю, на силовых линиях: «Систему доступа» для коммунальных целей

¾   находящуюся внутри дома: «Домашнюю систему» для частных целей (следует заметить, что Коммунальная система тоже может выполнять свои функции внутри здания)

Рисунок 1 представляет классическую европейскую сеть с топологией «звезда». Основной трансформатор поддерживает несколько домов (или одно большое производственное здание). Внешние линии представляют собой 3ф кабели в городах или надземные линии в сельской местности. Проводка внутри зданий сделана на основе 2ф или 3ф +N проводников (Американские и Японские сети имеют абсолютно другую структуру). Практически работать в сетях с низким напряжением в мегагерцовом диапазоне очень сложно: существует множество абсолютно различных конфигураций, постоянно меняется загруженность сети, и большинство PLC-характеристик должны учитываться статистически. Высокая частота приводит к возникновению резонансных эффектов.

«Хребет» на рисунке 1 — это классический широкополосный канал: контрольный кабель коммунальной системы, радио связь, телевизионный кабель и т.д.

В случае если длина линии низкого напряжения превышает радиус распространения сигнала, необходимо устанавливать повторители и шлюзы.

Рисунок 1.

                                                           C3

                                               C2

B                                                       C1

                                            Acess System

                         LV

LV- сеть низкого напряжения                                  Cn - потребитель

CC- контрольный центр коммунальной сети         LAN – локальная сеть

B – «хребет»                                                               IC – внутренний контроллер

LV-G – шлюз системы низкого напряжения          M - модем

H-G – «домашний» шлюз

R - повторитель

2.1 Использование PLC

Системы PLC прелагают новый сервис в использовании силовых линий, который не был возможен ранее. Учредители PLС предполагают несколько возможных применений технологии. Они требуют высокой надежности коммуникационной системы, сто должно быть отражено и в электромагнитных требованиях. Предлагаются следующие варианты:

¾       для коммунальных услуг: контроль нагрузки на сеть, удаленное чтение измерений, автоматизация сети и т.д.

¾       для Интернет-провайдеров: Интернет-сервисы

¾       для телефонных операторов: телефонные передачи на «последней миле»

¾       для пользователей: локальные сети для компьютерных систем, использование в «домашних» целях.

Большинство из них — это двунаправленные службы, работающие от центральной контрольной точки до приложения или от приложения к центральной точке. Сложность заключается в том, что несколько приложений могут работать одновременно.

2.2  Условия применения.

2.2.1 Главное.

В качестве ключевых критериев для успешного рыночного продвижения PLC-систем, которые соперничают с существующими и появляющимися коммуникационными технологиями,  могут быть выделены следующие:

·          экономическая осуществимость – то есть возможность передачи информации по прямой в радиусе нескольких сотен метров.

Технически

¾  соответствие требованиям электромагнитной совместимости и вытекающее отсюда ограничение уровня передаваемого сигнала.

¾  уверенность в достаточной скорости передачи данных и, соответственно, уверенность в предоставлении единичному потребителю услуг с нужной скоростью и приемлемой частотой появления ошибочных битов (bit error rate ¾ BER), которая соответствует качеству услуги.

Коммерчески

¾  возможность финансировать применение таких систем с помощью услуг, предоставляемых на их базе, что и обеспечивает конкурентоспособность по отношению к альтернативным системам.

·          успешное проведение соответствующих «полевых» испытаний и использование полученных наблюдений при оптимизации разработки технической системы.

·          Возможность нормативной и регуляторной систематизации как базы для надежного финансирования.

2.2.2  Нормативные и регуляторные условия.

А)  Электромагнитная совместимость как ключевой выход.

Тогда как сигналы, передаваемые PLC-системой, представляют собой специальные сигналы внутри системы, для другого оборудования, подключенного к соответствующей энергосети, эти сигналы являются компонентами напряжения питания помимо первичного 50-герцового напряжения.

В узкополосных  PLC-системах сигнал, по сути, передается по проводникам. В широкополосных PLC-системах, использующих более высокие частоты, с увеличением частоты передача сигнала выливается в растущее излучение непреднамеренного характера. Результирующая волна распространяется по земле, в космосе и атмосфере. Должен быть рассмотрен совокупный эффект сил поля, происходящих из разных энергосетей. Это касается сил поля, вызванного всеми PLC-пользователями, активными в различных энергосетях в одно и то же время.

В связи с ионосферными процессами (отражением то ионосферы в зависимости от времени года, суток и погодных условий) на больших расстояниях (больше 1000 км) необходимо учитывать эффект накопления сил поля, исходящего из одной крупной области.

Б) Стандартизация и соглашения.

Работы над согласованными стандартами и соглашениями идут по всему миру на нескольких уровнях.

Над нормативными аспектами работают:

· Европейский Комитет по Электротехнической Стандартизации (CENELEC)

· Европейский Институт Телекоммуникационной Стандартизации (ETSI)

· Международный Специальный Комитет по Радиопомехам (CISPR)

Решения, связанные с применением частот (и, следовательно, проблемой сосуществования PLC-систем и радиослужб) в основном принимаются:

·   Европейской Конференцией Управления Почтой и Телекоммуникацией (CEPT) и ее Европейским Офисом Радиокоммуникаций (ERO)

·   Международным Телекоммуникационным Объединением (ITU)

Кроме того, должны учитываться связанные с вопросом работы Института Электрической и Электронной Инженерии (IEEE), где разрабатываются документы для узкополосных систем (частотный диапазон для США: 50кГц-450кГц).

В то же время, как было провозглашено CEPT, не может рассматриваться никакое распределение частот для PLC-систем. Это связано с тем, что ограничения накладываются только на радиосистемы в целом (с которыми PLC-системы ¾ их излучение представляет собой побочное явление нарушения работы системы ¾ не могут рассматриваться в совокупности).

Вдобавок органы, ответственные за радиочастоты, привлекают внимание к необходимости защиты существующих радиослужб так же, как и неограниченному использованию частотных ресурсов радиоприложениями, как это ожидается в будущем.

В) Стандартизация, существующие документы.

Стандартизация узкополосных систем, которые, в основном, разрабатываются для применения в коммунальной сфере (как, например, удаленное снятие показаний) на одной стороне или использования потребителем в границах его собственности, проводится с конца 80-х годов прошлого века. Соответствующие стандарты, обобщающие нормы для использования частот, максимального уровня сигналов, защиты, фильтров и сопротивления оборудования ¾ уже существуют или находятся на стадии завершения (серия EN 50065) .

В сравнении с ними разработка нормативных документов для широкополосных PLC-систем только началась (это произошло в 1999г).

По вопросам PLC-систем CENELEC и ETSI работают как каждый в своей группе (ETSI: EP PLT, CENELEC: SC 205A WG10), так и в объединенной WG. Последняя также практикует сотрудничество с CEPT и CISPR, но не спешит его укреплять.

К сегодняшнему дню были разработаны следующие специальные документы:

·       Так называемый, документ «сосуществования» TS 101 867:2000-11, изданный ETSI, определяющий сосуществование между системами, находящимися в здании, и внешними системами. В первую очередь весь частотный диапазон (1,6-30 МГц) делится на две части так называемой «делящей частотой» и присваиваются: нижний диапазон  внешним системам, верхний ¾ внутренним.

·       Схожий документ CENELEC prEN 59013, являющийся идентичным с вышеупомянутым ETSI TS и отличающийся только значением делящей частоты ¾ 13,5 МГц вместо 10 МГц в ETSI TS.

Дискуссии относительно этой делящей частоты подчеркивают установившуюся коммерческую оппозицию между производителями оборудования для внешних и внутренних систем, оппозицию, которая до сих пор затрудняет принятие положительного решения по prEN.

В то же время для второго поколения PLT-оборудования решение, разрешающее использование всего частотного диапазона в случае отсутствия PLT-активности в одной из половин радиодиапазона, уже находится на стадии рассмотрения.

·    Так называемый «PSD»-документ TS 101 896:2001-02, разработанный ETSI, предлагающий ограничения на плотность энергетического спектра.

·    Так называемый «Радиационный» документ CENELEC, предлагающий сравнимые пределы уровня мощности подаваемого сигнала (дБ(мВ/Гц)) и силы излучаемых полей на расстоянии 10 м в Информационном Дополнении, в котором последний раз связывалась мощность сигнала с «коэффициентом соединения». Для последнего только эмпирически полученные диапазоны значений доступны для вычислений.

Кроме того, можно упомянуть два документа, в Европе трактуемые как «региональные»:

·    Немецкий «Nutzungsbestimmung» NB30, изданный «Regulierungsbehörde für Tele-kommunikation und Post» (RegTP), после обсуждения, длившегося с 1999 г, был одобрен Deutche Bundesrat 30 марта 2001г. Эта работа не была замечена Европейской Комиссией. В соответствии с этим документом частоты в диапазоне от  9кГц до 3 ГГц внутри и вдоль линий должны свободно использоваться при соблюдении некоторых условий:

¾       избытка различных частотных диапазонов, используемых радиослужбами,                          связанными с безопасностью.

¾       существования определенных ограничений пиковых значений сил излучаемого поля на расстоянии 3м.

¾       Отсутствия защиты против помех, вызываемых внутренними радиосистемами.

·          Британское Радиокоммуникационное Агентство определило ограничения на силы поля, излучаемого телекоммуникационными системами в частотном диапазоне 150 кГц – 30 МГц на расстоянии 1м (150 кГц – 1,6 МГц) или 3м (1,6 МГц – 30 МГц), которые примерно на 20 дБ меньше ограничений в NB30.

Единственный существующий гармонизированный стандарт, который признан соответствующими сообществами как пригодный к использованию для вычисления помех от PLC-систем, ¾ это EN 55022. Для частотного диапазона 150 кГц – 30 МГц этот стандарт, базирующийся на CIPSR 22, устанавливает ограничения на напряжение проводимого сигнала (дБ (мкВ)). Если эти ограничения, без возможности прямого преобразования в ограничения на силу поля и, следовательно, без возможности сравнения с NB 30, будут применены к PLC-системам, операционный радиус этих систем может сократиться до участка в 300 м. Это значение рассматривается как эталон для экономичного использования PLC-систем, без использования повторителей. В настоящее время CISPR вносит поправки в CISPR 22, утверждающие, что PLC-системы попадают в рамки CISPR 22.

Страницы: 1, 2, 3