Главная

Радиотехника

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.

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, и возможность формирования симметричных каналов связи ( 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, и 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 циклов 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, и в методах и средствах обеспечения надежного информационного взаимодействия.

2. Области применения средств связи на основе электрических сетей

Важнейшие области применения средств связи на основе электрических сетей показаны на 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, и 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 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 3. Даже в рамках одной прикладной области конкретные ее реализации отличаются методами надежной доставки данных на различных уровнях иерархии.

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 проанализированы 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.

• 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).

• протокол LonTalk;
• микроциклор 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.

• 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.

• 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.