Технологии и компоненты передачи данных по линиям электропитания

В последнее время наблюдается всплеск интереса к средствам передачи данных по линиям электропитания. Это обусловлено, прежде всего, повсеместно возрастающей потребностью в средствах телекоммуникаций как в глобальном, так и в локальном масштабах. Системы управления и мониторинга в промышленности и на транспорте, в медицине, энергетике, системах экологической безопасности и других областях человеческой деятельности становятся все более интеллектуальными и распределенными. Одновременно значительное распространение получают новые виды информационного обмена — средства домашней автоматики, сети малых и домашних офисов (SOHO), распределенные системы охранной и иной сигнализации, которые также нуждаются в развитой инфраструктуре средств связи. При этом определяющую роль играет экономический фактор: средства информационного обмена, являясь «инструментом» коммуникаций, должны быть дешевыми и повсеместно доступными.

Рис. 1. Особенности систем связи на базе различных физических сред

На фоне слабой инфраструктуры российской проводной связи именно широкая распространенность электрических сетей, отсутствие необходимости проведения дорогостоящих работ, связанных с созданием траншей и колодцев, пробивкой стен и прокладкой кабелей, а также возможность формирования симметричных каналов связи (рис. 1) стимулируют повышенный интерес к электрическим сетям как среде передачи данных.

Особенности линий питания

Оговоримся сразу, что далее речь пойдет о передаче данных между узлами, подключенными к одной фазе понижающего трансформатора, т.е. о передаче в пределах одной трансформаторной подстанции.

Сложность организации связи по линиям электропитания заключается в том, что существующие электросети первоначально не предназначались для передачи данных. Они характеризуются высоким уровнем шумов и быстрым затуханием высокочастотного сигнала, а также тем, что коммуникационные параметры линии, постоянные для традиционных физических сред, существенно меняются во времени в зависимости от текущей нагрузки. Специфической особенностью линий электропитания является и их разветвленная древовидная топология. Кроме того, при организации связи должны быть обеспечены электромагнитная совместимость и экранирование процессов передачи данных от собственно электропотребления.

Реализация систем передачи данных по электрическим линиям в России связана с дополнительными трудностями, заключающимися в том, что технические характеристики отечественных электрических сетей отличаются от характеристик сетей западных и пожалуй, (более важно), отсутствуют стандарты, определяющие главные параметры систем передачи данных по линиям электропитания.

Основные области применения

В настоящее время существует несколько стандартных системных подходов к передаче информации по линиям питания. Различия между ними состоят прежде всего в ориентации на конкретный класс приложений, а также в методах и средствах обеспечения надежного информационного взаимодействия.

Рис. 2. Области применения средств связи на основе электрических сетей

Важнейшие области применения средств связи на основе электрических сетей показаны на рис. 2. Каждый класс приложений характеризуется специфическими требованиями к скорости и дальности передачи, методу доступа и другим показателям, определяющим качество передачи.

К низкоскоростным распределенным системам управления и учета относятся системы автоматического управления в цехах и на производственных территориях, системы жизнеобеспечения зданий (лифты, кондиционеры, вентиляция), складские системы, средства учета энергопотребления, системы охранной и пожарной сигнализации в дачных поселках, гаражных кооперативах и т.д.

Другой класс приложений составляют средства домашней автоматики, позволяющие комплексно управлять бытовыми приборами вплоть до автоматического согласованного включения кофеварок и тостеров, а также вывода на телеэкран изображения с входной видеокамеры при появлении нежданных гостей. Сюда же можно отнести локальные сети для домашних и малых офисов, развернутые в пределах небольшого здания или отдельной квартиры.

Несомненный интерес представляют примеры успешного использования электрических сетей для организации телефонной связи в поселках и на ограниченных территориях, а кроме того, для обеспечения высокоскоростного доступа в Internet. Прогресс в этой области может не только изменить расстановку сил на рынке Internet-провайдеров, но и вызвать к жизни новые принципы проектирования силовых электрических сетей и их оптимальной структуризации с учетом как энергетических, так и коммуникационных требований.

Архитектура взаимодействия

Архитектура информационного взаимодействия на основе электросетей имеет иерархическую структуру; в обобщенном виде она представлена на рис. 3. Даже в рамках одной прикладной области конкретные ее реализации отличаются методами надежной доставки данных на различных уровнях иерархии.

Рис. 3. Обобщенная модель протоколов для систем связи на основе сетей электропитания

Повышение надежности передачи на физическом уровне связано с выбором способа модуляции и частотного диапазона, с использованием методов цифровой обработки сигналов и адаптивного управления. Здесь в первую очередь следует отметить перспективность алгоритмов широкополосной (Spread Spectrum) модуляции, существенно повышающей 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). Технологии SS-модуляции и CDMA подробно рассмотрены в литературе (главным образом, на примерах использования в сотовых телефонных сетях). Здесь лишь отметим, что помимо помехоустойчивости SS-модуляция обеспечивает высокий уровень защиты информации.

Основные способы повышения надежности передачи на канальном уровне следующие:

• разбиение пакетов данных на кадры небольшой длины;
• использование корректирующих кодов для выявления и исправления ошибок;
• применение низкоуровневых протоколов надежной передачи на основе подтверждений приема коротких кадров;
• использование эффективных методов управления доступом к среде передачи данных.

Короткие пакеты позволяют увеличить не только вероятность достоверной передачи порции данных, но и эффективность адаптации передающей стороны к быстро меняющимся характеристикам сети. При использовании широкополосной модуляции это выражается в оптимальном перераспределении мощности сигнала в полосе частот с учетом фактического спектра помех.

Некоторые фирмы разработали оптимизированные протоколы доступа к среде, учитывающие особенности «электросетевых» приложений и зашумленность линий питания. Поскольку значительная часть таких приложений (автоматический учет, охранная сигнализация, домашняя автоматика) предполагает наличие в сети одного активного узла, для обеспечения доступа целесообразно использовать методы опроса или передачи маркера. Это снимает проблемы распознавания несущей в зашумленных сетях и необходимость выявления коллизий. В целях повышения надежности самого управления доступом используется принцип «трехкратного рукопожатия» при передаче маркера.

Базовые компоненты

Типовая функциональная схема и основные компоненты коммуникационного узла «электрической сети связи» представлены на рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема коммуникационного 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 питания.

Технологии и продукты

Наиболее распространенными технологиями передачи данных по электрическим сетям 120/220 В являются:

• X-10 одноименной фирмы (http://www.x10.com);
• CEBus компании Intellon (http://www.intellon.com);
• LonWorks корпорации Echelon (http://www.echelon.com);
• Adaptive Networks, предложенная фирмой с таким же названием (http://www.adaptivenetworks.com);
• DPL 1000 производства NOR.WEB (http://www.nor.webdpl.com).

Технология X-10 разработана в 1978 г. корпорацией Х-10 с ориентацией на задачи дистанционного управления светильниками и простейшими бытовыми приборами. Для передачи двоичной информации здесь используется генерация коротких радиоимпульсов частотой 120 кГц в момент перехода переменного напряжения через ноль. Выбор такой схемы кодирования обусловлен тем, что нулевое значение напряжения характеризуется меньшими уровнями шумов и влияния других устройств, подключенных к сети.

Двоичной «1» соответствует передача частоты 120 кГц в течение 1 мс, а двоичному «0» — отсутствие радиоимпульса. В целях уменьшения ошибок для передачи одного бита используются два перехода через ноль. Поэтому скорость передачи ограничена величиной 60 бит/с (для сети 120 B, 60 Гц).

Прикладному уровню соответствует язык управления простейшими устройствами. Полная команда Х-10 состоит из двух пакетов, разделяемых интервалами в три периода для ее передачи требуется 47 циклов или приблизительно 0,8 с.

Контроллеры и адаптеры Х-10 выпускаются многими фирмами США. В ряде стран Европы доступны продукты Х-10, адаптированные к европейским электросетям. Стоимость модулей Х-10 колеблется от 8 долл. за пассивный приемник до 50—100 долл. за многофункциональное активное устройство.

Основными недостатками системы на базе Х-10 являются низкая скорость передачи и функциональная ограниченность.

Технология Intellon CEBus (Intellon SSC) создавалась компанией Intellon для передачи данных по линиям электропитания (120 В, 60 Гц) в соответствии со стандартом домашней сети CEBus (более подробную информацию об этом стандарте можно найти в Internet по адресу http://www.CEBus.com). Стандарт CEBus (EIA-600) определяет требования, которые сделают возможным взаимодействие бытовых приборов и устройств домашней автоматики на основе различных физических сред передачи: линий электропитания, радио- и инфракрасных каналов, коаксиального кабеля и др. Модель CEBus включает протоколы прикладного, сетевого, канального и физического уровней эталонной модели OSI.

Функции прикладного уровня выполняет язык приложений CAL (Common Application Language), описанный в документе EIA-721. Он определяет унифицированный синтаксис для описания функционирования различных устройств и набор типовых команд. CAL является объектно-ориентированным языком, позволяющим задавать прикладные контексты взаимодействия, в частности звуковое управление телевизором, музыкальным центром, видеомагнитофоном и СD-плейером. Каждый контекст далее разбивается на объекты, представляющие собой такие параметры управления, как громкость, яркость и т.д.

Протокол сетевого уровня формирует пакеты данных, содержащие всю необходимую информацию об адресах источника и приемника.

Стандартом CEBus предусмотрена одноранговая модель взаимодействия, при которой любой узел имеет свободный доступ к сети. Для предотвращения коллизий на канальном уровне задействован механизм CSMA/CDCR.

На физическом уровне Intellon CEBus Powerline Carrier Protocol использует технологию SS-модуляции, предусматривающую передачу каждого бита данных в полосе частот 100—400 кГц.

Компания Intellon предлагает семейство продуктов Power Line Evaluation Kit, реализующих технологию Intellon CEBus: от комплекта микросхем до системного решения и средств проектирования сети. Его стоимость — 245 долл. По имеющейся информации, Microsoft приобрела лицензию на использование технологии Intellon CEBus для передачи данных по электрическим сетям.

Технология LonWorks (Local Operation NetWorks) разработана американской корпорацией Echelon с целью создания распределенных систем (сетей) управления промышленного и бытового назначения. LonWorks предоставляет средства и конструктивные блоки, необходимые для проектирования, монтажа и обслуживания интеллектуальных взаимодействующих узлов и подсистем, включающих различные типы датчиков, устройств управления, индикации и т.д.

• протокол LonTalk;
• микропроцессор Neuron Chip (3 х 8 бит ЦП, 10 Кбайт ОЗУ, 10 Кбайт ПЗУ);
• специализированные модули — трансиверы для различных сред передачи, управляющие модули, сетевые адаптеры и маршрутизаторы;
• средства проектирования — LonBuilder (конфигурирование и отладка сетей LonWorks), NodeBuilder (конфигурирование отдельного узла), LonMaker (анализ протоколов);
• программные шлюзы — Ethernet, Т1, Х.25, Bitbus, Profibus, CAN, Modnet, SINEC, Grayhill, Opto22 (цифровой), OptoMux, Modbus, ISAbus, STD32 bus, PC/104, VMEbus и EXMbus.

Основу технологии LonWorks составляет протокол LonTalk, используемый узлами сети для обмена информацией. Каждый узел сети должен содержать микропроцессор, реализующий функции данного протокола.

Протокол LonTalk является открытым и может быть «встроен» в любой подходящий микропроцессор. Примером такого встраивания является упомянутый выше микропроцессор Neuron Chip, который разработан по технологии LonWorks и производится компаниями Motorola и Toshiba. Этот чип обеспечивает эталонную реализацию LonTalk и допускает использование как в задачах управления обменом данных, так и для тестирования других реализаций указанного протокола.

LonTalk представляет собой семиуровневый коммуникационный протокол, позволяющий осуществлять надежную передачу данных через различные физические среды — витую пару, радиоканал (RF), инфракрасный канал, линии электропитания, коаксиальный или оптический кабель. Для среды каждого типа разработаны трансиверы, поддерживающие работу сети при различных длинах каналов, скоростях передачи и сетевых топологиях. Применяемый метод доступа — CSMA.

Для линий электропитания 24/120/220/380/480 В переменного (50/60/400 Гц) и постоянного тока разработано несколько трансиверов (PLT), выполненных в виде микросхем и микросборок.

Цена компонентов LonWorks достаточно велика: 42 долл. — за трансивер, от 2000 долл. — за систему программирования.

Технология LonWorks находит применение прежде всего в системах жизнеобеспечения зданий, промышленной и домашней автоматики. Она является одной из лидирующих в области распределенных управляющих сетей. Это подтверждается и тем, что в последнее время к разработкам домашних сетей на основе LonWorks активно подключилась Microsoft, а компания Cisco Systems продемонстрировала возможность доступа через Internet к узлам сети LonWorks с помощью обычных браузеров.

Корпорация Adaptive Networks (ANI) выпускает ряд продуктов, поддерживающих высоконадежную передачу данных по любым видам электропроводки, в том числе соответствующим европейскому стандарту CENELEC. Технология, запатентованная ANI, обеспечивает эффективную скорость передачи до 115 кбит/с (физическая скорость 268 кбит/c) и надежность, сопоставимую с таковой для специальной выделенной кабельной инфраструктуры.

В 1991 г. технология Adaptive Networks была утверждена в качестве стандарта передачи данных для систем контроля в бортовых холодильных контейнерах (ISO 10368). Ее отличительными особенностями являются:

• обеспечение надежной передачи данных при высоком уровне помех за счет быстрой адаптации широкополосного сигнала к реальным характеристикам электросети;
• возможность работы с существующим сетевым ПО, ориентированным на витую пару или другой вид кабеля;
• использование прозрачного, надежного протокола канального уровня с исправлением ошибок (вероятность ошибочной передачи бита равна 10^-9);
• интегральная реализация, не требующая дополнительной интерфейсной логики;
• гибридная схема маркерного доступа к среде, используемая при достаточно большой загруженности сети.

В настоящее время выпускаются комплекты микросхем и модули, обеспечивающие эффективную пропускную способность 4,8 (AN48), 19,2 (AN192) и 100 кбит/с (AN1000). Для каждого набора микросхем предлагаются средства проектирования (Evaluation Kit). Стоимость компонентов и инструментальных средств достаточно высока.

Технология DPL 1000, позволяющая передавать данные по электросетям со скоростью до 1 Мбит/с, разработана английской компанией NOR.WEB (совместное предприятие Nortel Networks и United Utilities).

DPL 1000 можно по праву считать революционным шагом в развитии средств передачи данных по линиям электропитания, поскольку она открывает возможность практически всеобщего прямого доступа в Internet по крайне низким ценам. Если испытания, проводимые в настоящее время в нескольких странах Европы, подтвердят работоспособность систем на основе DPL1000, то в будущем можно ожидать существенных изменений на рынке провайдерских услуг и снижения расценок на доступ в Internet.

Новая технология базируется на запатентованных средствах экранирования данных от электрических наводок. Технические подробности ее реализации в доступных источниках практически отсутствуют. DPL 1000 представляет собой законченное решение для передачи данных от понижающей трансформаторной подстанции до конечного пользователя в доме или офисе.

В соответствии с технологией DPL 1000 производится определенная настройка рабочих параметров фрагмента распределительной электрической сети, подключенного к низковольтной обмотке понижающего трансформатора, после чего он может использоваться в качестве локальной сети. При этом снимается проблема «последней мили» для Internet-провайдеров и обеспечивается постоянный прямой доступ пользователей к Internet без загрузки телефонных абонентских линий.

В локальные сети на основе DPL 1000 входят следующие аппаратные компоненты:

• центральная станция, которая обеспечивает подключение локальной сети к магистральным каналам связи и сетевое администрирование;
• базовая станция, размещаемая на трансформаторной подстанции и реализующая подключение информационной локальной сети к низковольтным силовым линиям питания;
• присоединительное устройство, которое устанавливается на входе силового кабеля в дом (рядом с электросчетчиком) и обеспечивает стыковку с внутренней информационной сетью;
• коммуникационный модуль, подключаемый к компьютеру, на котором устанавливается коммуникационное ПО.

В настоящее время в нескольких европейских странах развернуты демонстрационные зоны для «обкатки» технологии DPL 1000. Например, в Великобритании с ее помощью к Internet подключена общеобразовательная школа, а в Германии на основе DPL 1000 первые пользователи получили постоянный выход во Всемирную сеть со скоростью до 1 Мбит/с в обоих направлениях.

Отдельные компоненты для передачи данных по электросетям создают и другие фирмы, среди которых следет отметить Intelogis и ITRAN.

Компания Intelogis (http://www.intelogis.com), выделившаяся в свое время из Novell, предлагает технологию Plug-In, лишенную основных недостатков конкурирующих разработок для домашних компьютерных сетей (высокая стоимость, низкая пропускная способность, ограниченные функциональные возможности). Технология реализована в серии продуктов PassPort, использующих существующую сеть переменного тока (120 В, 60 Гц) в качестве среды передачи.

Минимальный комплект PassPort стоимостью 230 долл. включает в себя два адаптера для персональных компьютеров и один для принтера. Он обеспечивает совместное использование файлов и запуск сетевых компьютерных игр, участниками которых могут стать соседи по дому.

Архитектура Intelogis Plug-In реализует протоколы первого, второго, третьего, четвертого и седьмого уровней эталонной модели OSI. В основе протокола прикладного уровня лежит язык приложений CAL стандарта CEBus, упоминавшийся выше в связи с разработками компании Intellon. Однако, в отличие от стандартного варианта, использующего одноранговую (peer-to-peer) схему взаимодействия, язык приложений CAL Intelogis опирается на вычислительную модель клиент—сервер. При этом большая часть функций обработки информации, которая связана с прикладной задачей каждого узла сети, реализуется централизованным сервером приложений, организованным на базе существующего компьютера или контроллера сети. Такое решение позволяет значительно уменьшить стоимость клиентских узлов сети и системы в целом.

Технология Plug-In обеспечивает скорость передачи 350 кбит/с (в перспективе — 1 Мбит/с). Вероятность ошибки при передаче отдельных битов составляет 10-9. Дальность передачи может достигать 400 м.

Израильская фирма ITRAN Сommunications (http://www.itrancomm.com) разработала и запатентовала технологию дифференциальной кодовой манипуляции (DCSK), позволяющую создавать дешевые сетевые компоненты с исключительно высокими техническими характеристиками. Детали DCSKне известны; сообщается лишь, что в ее основе лежат независимые от физической среды передачи методы адаптивной SS-модуляции в полосе частот 4—20 MГц с турбо-компенсацией и сжатием кода.

Аппаратные компоненты (трансиверы), созданные на основе DCSK, обеспечивают значительно более высокие скорость передачи, помехоустойчивость и защиту информации, чем существующие CEBus-трансиверы, при заметно меньшей стоимости устройств. Справедливости ради отметим, что анонсированные производителем продукты еще не появились на рынке. В результате полугодовой переписки автора с представителями данной компании нам не удалось получить ни образцов DCSK-компонентов, ни какой-либо технической документации.

Микросхемы трансиверов и модемы для линий электропитания выпускаются и другими компаниями. Основные параметры продуктов, доступных в настоящее время, приведены в табл.

Параметры трансиверов и модемов для линий электропитания

Завершая этот раздел, отметим одно, на наш взгляд, странное обстоятельство. Некоторые фирмы (например, Adaptive Networks) полностью закрыли доступ к технической информации о своей продукции и, как в случае стратегических технологий, даже до предоставления образцов потенциальному покупателю требуют подробного описания области предполагаемого применения.

По непроверенным данным, компания ITRAN Communications недавно получила статус «почтового ящика», выполняющего специальный проект, и не принимает заказов на свою продукцию до второй половины 2000 г. Похоже, интерес к передаче данных по линиям электропитания стали проявлять какие-то военные ведомства.

* * *

В последние годы резко возросла интенсивность исследований в области передачи информации по силовым электрическим сетям. В Европе реализован опытный участок доступа к глобальной сети Internet по низковольтным линиям электропитания с пропускной способностью 1 Мбит/с. В 1998 г. была организована Международная ассоциация пользователей и производителей средств связи на основе электрических линий — International Powerline Forum (IPF). В мае 1999 г. в Брюсселе состоялся второй Международный конгресс по научным, техническим и экономическим проблемам передачи информации по силовым электрическим линиям.

Исследования в данной области ведутся и в России, например во ВНИИ Электротехники, РАО ЕЭС и ЦНИИ РТК.

В Государственном Научном Центре России ЦНИИ робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК) проводится оценка соответствия отечественных сетей электропитания зарубежным стандартам на домашние сети, а также проверка работоспособности импортной продукции, реализующей ту или иную технологию, на российских линиях электропитания.

Отметим, что отечественные сети отличаются от зарубежных не только напряжением и частотой, но и гораздо большей протяженностью и разветвленностью распределительной сети (один трансформатор на 6—10 больших домов), а также более высоким уровнем шумов. В частности, в ЦНИИ РТК разработано несколько модификаций электромодемов (см. врезку), которые могут быть использованы в различных системах сигнализации и передачи данных.

ОБ АВТОРЕ

Источник статьи: http://www.osp.ru/nets/1999/10/05_print.htm