Технология передачи данных через электрические силовые линии

Методы подключения  к электросетям

Одним из самых важных моментов при организации PLC сети является выбор метода подключения модема к силовой линии. Устройство, которое  осуществляет ввод/вывод сигнала  называется Каплер (Coupler), в переводе с английского — делитель, ответвитель. Существует два основных физически  различных варианта подключения  в силовую электросеть:

Емкостный — сигнал подается контактным методом через  высокочастотный высоковольтный конденсатор;

Индуктивный — сигнал подается бесконтактным методом  через цепь образованную витками  петли инжектора и силовыми кабелями.

В коаксиальную сеть сигнал подключается либо через обычный  ТВ-сплиттер, либо через частотный  ответвитель, называемый диплексером. Для подключения к головной станции  использование диплексера обязательно, поскольку он обеспечивает подавление сигнала в сторону ГС более  чем на 50 дБ (у сплиттера развязка 22 дБ), а потери инжекции составляют 0, 5 дБ (у сплиттера – 3, 5) Внешне диплексер  не отличается от обычного делителя КТВ.

Для подключения  к LV сетям (110-240 Вольт) обычно не составляет труда организовать гальваническое соединение, хотя в некоторых случаях  без индуктивного соединения не обойтись, например, если гальванический контакт  организовать невозможно. В таком  случае применяются защелкивающиеся  ферритовые клипсы как показано на Рисунке 2.5.:

Основное правило  при индуктивном подключении  состоит в том, что сигнальная петля должна образовывать замкнутую  цепь с направлением движения в одну сторону по фазе и в другую по нейтрали. Варианты подключения с  использованием стандартного однофазного  или каплера 1+11 приводятся в презентации Corinex.

Для подключения  к средневольтовым сетям (MV) применяются  специальные каплеры, состоящие  из высоковольтных конденсаторов и  ферритов рассчитанные на большой ток. Существуют специализированные компании, производящие такое оборудование, например, Arteche

Таблица расчета PLC сети

Поскольку PLC технология является разновидностью передачи радиосигналов, то метод расчета сетей PLC подчиняется  законам радиотехники. При этом для  коаксиальных сетей расчет совпадает  с практикой очень хорошо, а  для электросетей оказывается весьма приблизительным, прежде всего, из-за отсутствия точной информации о структуре электросети.

Для начала приведем данные производителя, которые дают понятие о запасе бюджета линии (Таблица 1.6.).

Таблица 2.2.

Описание	Значение в дБ
Шум в коаксиальном кабеле	-125
Шум в электропроводке	-110
Мощность передачи HD и GPON шлюзов	-50
Мощность передачи стандартных шлюзов	-53
Мощность передачи CPE	-57
Бюджет линии  в коаксиальной	58 … 65 (при SNR =10)
Бюджет линии  в силовой сети	43 … 50 (при SNR = 10)

Теперь посмотрим  на потери, которые имеют место  в реальной сети (Таблица 1.7.):

Таблица 2.3.

Описание	Потери, значение в  дБ
Однофазный емкостный  каплер	1, 25
Однофазный индуктивный  каплер	4 … 8
Трехфазный емкостный  каплер	5
11 + 1 каплер	11, 5
Потери в коаксиальном проводе на 30 МГц	2, 5 на 100 метров
Потери в силовом  медном проводе	6 ...12 на 100 метров
Потери в подземном  медном проводе	10 ... 20 на 100 метров
Коаксиальный сплиттер на 2 выхода	3, 5
Коаксиальный сплиттер на 3 выхода	5
Коаксиальный сплиттер на 4 выхода	7
Разветвление на 2 электропровода	3
На 3	5
На 5	7
На 9	10
На 17	12
Защитный автомат	2 … 5
Электросчетчик	5 … 40

В реальных условиях совсем нетрудно представить такую  конфигурацию электропроводки, при  которой бюджета линии не хватает  для покрытия всего объекта. К  счастью, использование репитеров  позволяет увеличить максимальное расстояние до 5 раз, хотя это происходит за счет уменьшение максимальной доступной  полосы. Мы обнаружили и сформулировали правило «двух щитков», которое  гласит, что PLC сигнал может преодолеть не более двух электрощитов. При  подключении шлюза в ГРЩ здания, обычно все абоненты сидящие на этажных  распределительных щитах могут  установить связь с головной станцией.

Приведем таблицу 1.8. физических скоростей соединения PLC в зависимости от соотношения  сигнал/шум (SNR):

Таблица 2.4.

SNR дБ	TX, Мбит/c.	RX, Мбит/c.
14, 33	39	23
20, 9	78	43
25, 52	101	76
30, 57	156	86

Таблица 2.5. Пример расчета сети на основании табличных  данных.

Объект	Потери, дБ
Каплер 3 фазный:	5
Главный Электрощит 3 фазы на 3 группы автоматов каждая, 5 разветвлений	7
Проход автомата ГЭ	3
Этажный провод толстым  медным проводом до щитка на 3 этаже, 30 метров.	2
Этажнное УЗО	3
Этажный электрощит на 6 автоматов на фазу (всего 12 на сеть и 3 на свет)	10
Провод до комнаты  по этажу 50 метров, тонкий медный кабель	5
4 ответвления на  розетки в комнате 4 x 4	16
Всего	35 … 51

Ожидаем, что соединение установится нормально во всех точках комнаты со скоростью около 50 Мбит при использовании шлюза доступа LW. Область покрытия 3 этажа по 12 комнат без использования репитеров.

Архитектура сети

Сравним возможные  архитектуры нашей сети (Рис. 2.6.).

Рис. 2.5. Архитектура  сети

Точка-точка

Простая система. Обычно состоит из специализированного RS-232 порта для последовательной связи  между устройствами. Конфигурацию “последовательный  интерфейс данных” лучше всего  Формировать прозрачно так, чтобы  каждое связанное устройство "думало", что присоединено к RS-232 последовательным кабелем. Несколько устройств, подключенных последовательно для единичного ресурса по RS-232, типа принтера или  модема, могут конфликтовать и  иметь исключительное использование  ресурса, пока подключение не занято в течение выбираемого периода  прерывания. Для устройств разделяющих  один ресурс, этот фактор называют конфликтом портов множественной архитектуры.

Разработанная микропрограммная версия позволяет организовать как  одноранговые, так и многоранговые  сети с топологией точка-точка. Поток  данных, отправленный микропроцессором одного узла, получает микропроцессор второго узла.

Эта микропрограммная версия является удобной для интеграции микропроцессора с оборудованием  находящимся в эксплуатации, обеспечивая  прозрачность, по отношению к существующим протоколам, и позволяет хосту, не поддерживающему специальные сетевые драйвера и программное обеспечение, типа индустриального программируемого логического контроллера, быть частью PLC сети.

Последовательный  интерфейс микропрограммных средств  соответствует высоким технологиям  и высоким потребительским оценкам, может использоваться в реальных клиентских окружающих условиях, например, в коммерческом или индустриальном применении, в коммуникациях типа PC-PC или в других применениях RS-232, требующих единого “жесткого” канала связи.

Точка-многоточка

Множество систем сбора  данных и систем управления состоят  из датчиков, сканеров, и управляемых  приводов, которыми управляет один микропроцессорный узел. В сети, состоящей из Master узла и множества Slave узлов, драйвера и программное  обеспечение, обычно устанавливают  на хост машине (на master узле), который  общается с множеством slave узлов  в предопределенной последовательности. Управление Slave узлами требует прозрачности последовательного интерфейса на хост машине. Данную функцию обеспечивают микропрограммные средства, использующие версию команды ответа.

Команды ответа в  сети использует единственное Master устройство, ответственное за контроль сетевых Slave устройств. Все соединения инициируются от master узла, а slave узлы соединений не выполняют, поскольку они только отвечают на запрос master узла. Таким образом, программируемое  оборудование снимает задачу организации PLC сети на верхнем уровне с хост машины, осуществляя управление на уровне микропрограммных средствах, а  не на прикладном уровне master узла. В  случае необходимости, эта микропрограммная версия может применяться с пакетами обычного формата.

Эта версия является пригодной для систем, использующих архитектуру Master/Slave и прозрачность slave устройств, для разгрузки хоста  при организации сети на верхнем  уровне, а также позволяет хосту  поддерживать протокольный доступ по выбору (опрос равноправных Master/Slave узлов сети, символьная пересылка, или  сочетание обоих). На этом принципе основана помехозащитная символьная пересылка, используемая для осуществления  опроса, символьной пересылки. Данную версию микропрограммных средства можно  использовать и для управления закрытыми  системами.

Множественная точка  – многоточка

При использовании  версии команд общего назначения, хост машина сохраняет полную гибкость доступа, контроль методом символьной пересылки, конфигурацию и функционирование сети в целом. Интерфейс микропроцессора  хост машины полностью соответствует  требованиям протокола и поддерживает сетевые микропроцессорные драйвера. Дополнительная гибкость последовательного  потока микропрограммных средств позволяет  организовать одноранговые и многоранговые  сети с топологией точка-многоточка. Поток данных, отправленных микропроцессором одного узла, получает микропроцессор второго.

Технология Powerline строится на использовании частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на несколько  относительно низкоскоростных потоков, после чего каждый из них передается на отдельной поднесу-щей частоте с последующим их объединением в один сигнал (рис. 2.7.).

При использовании  обычного частотного мультиплексирования (FDM - Frequency-Division Multiplexing) защитные интервалы (Guard Band) между поднесущими, необходимые  для предотвращения взаимного влияния  сигналов, довольно велики (рис. 2.8.), поэтому  доступный спектр используется не очень  эффективно.

В случае же ортогонального частотно-разделенного мультиплексирования (OFDM) центры поднесущих частот размещены  так, что пик каждого последующего сигнала совпадает с нулевым  значением предыдущих (рис. 2.9.). Такая  схема позволяет более эффективно использовать доступную полосу частот.

Перед тем как  отдельные поднесущие частоты будут  объединены в один сигнал, они претерпевают фазовую модуляцию (рис. 2.10.), каждая определяется своей последовательностью  бит. После этого все они проходят через PowerPacket engine и собираются в единый информационный пакет, который еще  называют OFDM-symbol. На рис. 2.11. приведен пример относительной квадратурной фазовой  манипуляции (DQPSK - Differential Quadrature Phase Shift Keying) на каждой из 4 поднесущих частот в  диапазоне 4-5 МГц.

Теоретическая скорость передачи данных при использовании  параллельных потоков с одновременным  фазовым модулированием сигналов составляет более 100 Мбит/с. При передаче сигналов по бытовой сети электропитания могут  возникать большие затухания  в передающей функции на определенных частотах, что приведет к потере данных (рис. 2.13.).

В технологии Powerline предусмотрен специальный метод  решения этой проблемы - динамическое выключение и включение передачи сигнала (dynamically turning off and on data-carrying signals). Суть данного метода заключается  в том, что устройство осуществляет постоянный мониторинг канала передачи с целью выявления участка  спектра с превышением определенного  порогового значения затухания. В случае обнаружения данного факта использование  этих частот на время прекращается до восстановления нормального значения затухания (рис. 2.14.).

Данный метод  делает технологию Powerline максимально  гибкой при использовании в неодинаковых условиях. Например, в разных странах  существуют различные регулирующие акты, согласно которым часть диапазона  частот не может быть использована. Следовательно, в случае Powerline в таком  диапазоне просто не будут передаваться данные. Еще одним примером является вариант, когда некое приложение уже использует часть диапазона. Аналогично первому случаю здесь  также выключается передача данных на определенных частотах, и два  приложения могут спокойно сосуществовать в одной физической среде.

Другой серьезной  проблемой при передаче данных по бытовой электросети считаются  импульсные помехи (до 1 мкс), источниками  которых могут быть галогеновые  лампы (рис. 2.15.), включение и выключение различных электроприборов и  т.д.

При использовании  метода динамического выключения и  включения передачи сигнала система  может не успеть адаптироваться к  быстро изменившимся условиям, в результате часть передаваемых битов будет  разрушена и утеряна. Для решения  этой проблемы используется двухступенчатое (каскадное) помехоустойчивое кодирование  битовых потоков, прежде чем они  будут промодулированы и поступят в канал передачи данных. Суть помехоустойчивого  кодирования состоит в добавлении в исходный информационный поток  по определенным алгоритмам избыточных ("защитных") битов, которые используются декодером на приемном конце для  обнаружения и исправления ошибок. Каскадирование блочного кода Рида-Соломона и простого сверхточного кода, декодируемого  по алгоритму Витерби, позволяет  исправлять не только одиночные ошибки, но и пакеты ошибок, обеспечивая  тем самым гарантию целостности  передаваемых данных практически в 100%. Кроме того, помехоустойчивое кодирование  является и способом технического закрытия, обеспечивающего относительную  безопасность передаваемой информации в общей среде передачи. Еще  одним проблемным моментом является то, что сеть бытового электропитания служит общей средой передачи данных, то есть в один момент времени передачу могут осуществлять сразу несколько  устройств. В этой ситуации для разрешения конфликтов столкновения трафика необходим  регулирующий механизм - протокол доступа  к среде. В качестве подобного  протокола был выбран хорошо известный Ethernet, который в технологии Powerline был расширен путем добавления дополнительных полей приори-тезации. Такая модификация  вызвана необходимостью иметь гарантированную  полосу пропускания для передачи голоса и видео через IP тогда, когда  величина задержки является критичным  параметром. Пакеты, содержащие голос  или видео, в этом случае помечаются как "timing critical", они имеют самый  высокий приоритет при обработке  и доступе к среде передачи