Технология передачи данных через электрические силовые линии

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.

Аналитическая часть

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).

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.

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).

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, 2¸0, 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.

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.