Использование линий электропроводки в качестве среды передачи информации

частот для каждого приложения

. испускаемые электромагнитные поля могут нарушать прием

широковещательных радиотрансляций или других служб в том же

частотном диапазоне.

Последняя проблема достаточно серьезна и более подробно рассмотрена

далее в пункте 3.2.5. Первые две проблемы приводят к частотному спектру,

представленному на рис. 2.

3.2.2 Передача сигнала

Большое разнообразие сетей и условий нагрузки делает очень сложным

подсчет уровня напряжения сигнала на радиочастоте в 50/60-герцовых

системах.

Практические статистические измерения дают результаты, с каким

затуханием передаются сигналы. На Рис. 3 (верхняя кривая) показано в

качестве примера затухание напряжения в 300-метровом кабеле как функция

частоты: напряжение падает в пределах 20 дБ при частоте 1 МГц, 80 дБ при 20

МГц.

Рисунок 3. Затухание напряжения сигнала и шум в 300-метровом кабеле.

[pic]

В первом приближении оно может быть подсчитано в следующем порядке:

Тип линии Затухание Радиус использования

1-30 МГц

Адресная область:

Кабель 40-80 дБ 300 м

Надземные линии 40-80 дБ 300 м

Внутренняя область до 80 дБ около 50 м

Когда невозможно достичь необходимого уровня отклика, требуется

установка повторителей. Могут также потребоваться шлюзы между линиями

обеспечения и внутренними линиями.

3.2.3 Уровень шума и помехи проводимости в сетях низкого напряжения

Уровень шума в линиях определяется для модемов. Рис. 3 (нижняя кривая)

демонстрирует пример уровня шума в кабеле обеспечения. Существует три типа

помех:

. постоянный широкополосный шум (белый шум)

. узкополосные «пики» (отдельные частоты)

. пульсации (не показаны на рис. 3)

Измерения шума основываются на нескольких факторах: ширина полосы и

временная константа измерительного инструмента, пиковое, или квазипиковое,

или среднее значение и т.д. Это делает сравнительные измерения сложными.

Должен быть соответствующий метод, чтобы стандартизировать измерения,

например, в соответствии с CISPR 16 (ширина полосы 9 кГц, пиковое

значение). По общему мнению стоит рассматривать диапазон:

. широкополосный шум (ширина полосы 100 кГц, пиковое значение): 30-

40 дБ, мкВ (по отношению к 9 кГц — отношение частот не известно

достаточно хорошо для этого типа шума: от <20 дБ мкВ до <30 дБ

мкВ)

. Узкополосный шум (до 50-60 дБ мкВ)

Измерения в зданиях показывают уровень шума в тех же пределах.

Сравнимые уровни были зарегистрированы и в компьютерных сетях.

3.2.4 Ограничение уровня сигнала во избежание нарушения работы других

сетевых устройств.

PLC-системы не должны нарушать работу других устройств, подключенных к

той же сети. Защищенность таких устройств против проводимого «шума» в

частотном диапазоне от 0,15 до 80 Мгц обеспечивается Общим стандартом EMC.

Это намного больше, чем уровень сигнала PLC (см. параграф 5.6 ниже) и

опасность такого воздействия исключена.

3.2.5 Ограничение уровня сигнала из-за излучаемых полей.

Напряжение в PLC-системах и токи, циркулирующие в сетях низкого

напряжения, порождают электромагнитное излучение, которое может

взаимодействовать с радиослужбами, работающими на той же частоте.

Фактически, диапазон 1-30 Мгц, включающий в себя соответственно длины волн

300-10 м, занят коротковолновыми широковещательными службами и другими

зарезервированными сервисами, такими как сигнализация, полиция и т.д.

Конечно же, их функции не должны нарушаться PLС-системами, и это является

основной заботой властей и пользователей.

Некоторые особенности электросетей:

. каждый проводник излучает электрические и магнитные поля.

Когда два проводника с противоположно направленными токами

находятся очень близко друг к другу, результирующее поле очень

мало, практически пренебрежимо.

. Если проводники находятся на некотором расстоянии, некоторое

поле образуется вследствие асимметрии между двумя

компонентами. Так происходит в случае силовых кабелей 3ф

+(N+G) во внешней области, особенно когда N-проводник

заземлен. Асимметрия становится еще значительнее в случае

надземных линий.

Асимметрия возникает также внутри зданий и комнат вследствие «дикой»

конфигурации внутренней проводки, розеток, бытовых приборов и т.д.

Пределы для PLC-сигналов даны на время в двух формах: как ограничения

на излучаемые поля или как ограничения на уровень сигнала в сети. Рисунок 4

демонстрирует допустимые пределы для полей, излучаемых PLC-сигналами,

определяемые различными национальными властями. Британские требования более

жесткие, американские — более мягкие.

Рисунок 4. Ограничения на излучаемые поля в Британии, Германии и США.

[pic]

Перед установкой новой PLC-системы необходимо определить поле, которое

она может породить. Что касается силовых кабелей, в этом случае поля,

создаваемые PLC-системой могут быть вычислены. Однако на практике

оказывается, что, по сравнению с прямым измерением электрических полей,

вычисления дают слишком большие значения. Это можно объяснить тем фактом,

что рядом с кабелем мы не можем определить поле в удаленных областях. В

зданиях конфигурация проводки настолько сложна, что практически применимы

только статистические измерения. В основном дальнейшие статистические

исследования и представляются необходимыми. Нас интересуют создающие помехи

поля на расстоянии 1,3, максимум 10 м от силовых линий или внутри комнаты.

Чтобы с большей легкостью оценить эти поля, было предложено упрощение —

использовать замещающую функцию, названную «коэффициент соединения». Он

может быть определен как отношение:

E(f) – Электрическое поле в В/м

kE = ———————————————

U(f) — Напряжение передаваемого сигнала

в В

Практически в этом частотном диапазоне легче измерять магнитное поле и

преобразовывать результат в электрическое поле путем умножения на

сопротивление пустого пространства Zo (377?)

E(f) ?V/m = H(f) ?A/m*Zo или E(f) dB?V = K(f)dB ?A/m + 51,5dB

Замечание: Другое предложение заключается в том, чтобы соотнести

коэффициент соединения с вводимой мощностью, но этот метод выглядит менее

простым при проведении измерений в узле сети.

Рис. 5 иллюстрирует пример измерений коэффициента соединения.

Практически существуют огромный разброс значений этого коэффициента,

возможно, по причине эффекта резонанса, который делает прогноз полей крайне

неточным.

Рисунок 5. Коэффициент соединения для напряжения поблизости от частного

дома.

[pic]

При первом приблизительном рассмотрении, могут быть получены следующие

значения коэффициента соединения:

. силовые кабели во внешних областях: от -35 до -55 дБ

. внутренние площади: от -20 до 40 дБ

3.3 Измерение полей.

Что касается узкополосных PLC-систем, было проведено множество

измерений полей. Несколько систем, например, входящие в ENEL в некоторых

итальянских городах, уже в регулярном использовании в течение некоторого

времени или расширяются в данный момент.

Недавно в некоторых странах были проведены или стали рассматриваться на

предмет запуска измерения полей, связанные с широкополосными PLC-системами.

Результаты, полученные в ходе этих измерений, привели к следующим

заключениям:

. удовлетворительная производительность высокоскоростного

доступа в Интернет и телефонии

. различные нужды/возможности оптимизации; например, путем

оптимизации программного обеспечения и модификации

использования части частотных полос может быть достигнуто

улучшение пропускной способности от 1,8 Мбит/с до 3 Мбит/с.

. ограничение сил поля до значения, соответствующего указанному

в NB 30, может привести к снижению приемлемой дистанции для

«последней мили» примерно вдвое. Ограничение в соответствии с

EN 55022, Class B (жилой район), может вести к росту

нерентабельности.

. Высокая заинтересованность потребителей в предложенных

услугах, особенно достаточно высокой скорости передачи данных

в Интернет в сочетании с неплохими тарифами. Увеличение

конкурентоспособности входит в интересы Европейской Комиссии.

3.4 Модуляция сигнала и кодирование.

Методы модуляции сигналов и кодирование команд, в общем, не

рассматриваются как проблемы, но, так как они тесно связаны с нарушениями

работы сети, мы коротко рассмотрим их.

Что касается метода модуляции, в связи с передачей различных сигналов и

иммунитету к импульсным помехам рассматриваются только широкополосные

методы с частотным мультиплексированием. OFDM-модуляция (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing — Мультиплексирование с разделением по

ортогональным частотам), похоже, пользуется наибольшим предпочтением. Она

состоит в разделении доступного спектра на большое число подканалов и

передаче данных по N из этих каналов с частотами f1,f2,…,fN. Преимущество

этого метода состоит в том, что он позволяет избегать каналов,

соответствующих запрещенным частотам и, в связи с этим, повысить уровень

передаваемого сигнала. Подробнее мы остановимся на OFDM-модуляции,

являющейся основой технологии PLC, немного позднее.

Метод кодирования должен выбираться в соответствии с конкретными

выполняемыми функциями. Важный пункт, который надо учитывать — это

одновременный запуск различных приложений, например, команд и Интернет или

телефона. Каждому приложению при этом выделяется определенное количество

каналов.

3.5 Руководство по определению уровня сигнала.

Различные факторы, описанные выше, которые должны быть учтены, делают

относительно сложной оценку реальных характеристик PLC-системы. Следующий

пример может служить руководством, принимая во внимание неуверенность в

полученных коэффициентах. Предполагается система с операционной полосой

шириной в 1Мгц (2Мбит/c), использование OFDM-модуляции (которая

обеспечивает хорошую защиту против шумовых пульсаций) и средние значения

учитываемых факторов.

Можно пойти следующим путем:

( Уровень широкополосных помех с В = 100 кГц ( 35 дБ мкВ

В = 1 МГц ( до 45 дБ мкВ

( гарантийный резерв – 10дБ

( Затухание сигнала в силовом кабеле – 60 дБ

( Приложенное напряжение = 45+10+60 = 115 дБ мкВ / 0,56

( Коэффициент соединения: -45 дБ

( Излучаемое поле: 115 дБ – 45 дБ = 70 дБ ( 30 мВ/м

Другой метод вычислений может базироваться на спектре плотности энергии

(СПЭ).

Некоторые замечания:

. Уровень сигнала внутри и около точки излучения превышает пределы,

установленные в CISPR 22 (максимум 60 дБ)

. Излучаемое поле превышает допустимый для Германии и Британии уровень

излучаемых полей (максимум вне кабеля 50дБ)

. Приведенный выше пример неприемлем. Параметры поля, указанные в NB30,

могут быть получены при сигнале, меньшим на 20 дБ. Некоторые

производители заявляют, что они могут удовлетворить эти требования.

Однако требования CISPR очень жесткие, и вопрос встает остро, если для

PLC не будут установлены более щадящие пределы.

3.6 Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам

Технологию OFDM-модуляции рассмотрим на примере стандарта 802.11а.

По сути, OFDM является частным случаем техники передачи данных с

использованием множества несущих (MultiCarrier Modulation -- MCM). Главный

принцип MCM заключается в том, чтобы разделить основной поток бит на ряд

параллельных подпотоков с низкой скоростью передачи и затем использовать их

для модуляции нескольких несущих (поднесущих). При этом, вообще говоря, к

каждой из поднесущих может быть применена любая техника модуляции. Общая

структура MCM-системы представлена на рис. 1.

[pic]

Традиционный метод разделения полосы пропускания заключается в

применении частотных фильтров. Хорошо известным примером этой техники

является мультиплексирование с разделением по частотам (Frequency Division

Multiplexing -- FDM). На рис. 2 представлены типичные спектральные кривые

для трех подканалов FDM. Чтобы избежать межканальной интерференции, спектры

подканалов должны быть разделены защитной полосой. Такое требование

приводит к неэффективному использованию выделенного частотного диапазона.

[pic]

Применение преобразования Фурье позволяет разделить частотный диапазон

на поднесущие, спектры которых перекрываются, но все остаются

ортогональными. Ортогональность поднесущих обозначает, что каждая из них

содержит целое число колебаний на период передачи символа. Как видно из

рис. 3, спектральная кривая любой из поднесущих имеет нулевое значение для

"центральной" частоты смежной. Именно эта особенность спектра поднесущих и

обеспечивает отсутствие интерференции между ними. В приведенном примере

максимумы разделены диапазоном 300 Hz.

[pic]

Еще одним преимуществом OFDM является ее устойчивость к так называемому

эффекту многолучевого запаздывания. Он вызывается тем, что излученный

сигнал, отражаясь от препятствий, приходит к приемной антенне разными

путями. Это может привести к искажениям за счет межсимвольной

интерференции. Для ослабления эффекта многолучевого запаздывания символы

передаются с большим периодом. Устойчивость может быть повышена путем

добавления защитного временного периода между передаваемыми символами.

Обычно используют циклическое расширение -- конечную часть волны,

кодирующей символ, добавляют к начальной части. Это увеличивает длину

символа, не нарушая ортогональности. Кроме того, циклическое расширение

позволяет выбрать окно для преобразования Фурье в любом месте временного

интервала символа (рис. 4).

[pic]

Физический уровень.

Стандарт 802.11a предусматривает использование полосы частот 5,15--

5,825 GHz и скорость передачи данных до 54 Mbps. Полоса поделена на три

рабочие зоны, каждая из которых имеет ширину 100 MHz и максимально

допустимую мощность излучаемого сигнала (в США). Первые 100 MHz в нижней

части диапазона (5,15--5,25 GHz) ограничены выходной мощностью 50 мВт,

излучаемая мощность в средней зоне (5,25--5,35 GHz) не должна превышать 250

мВт, а в верхней зоне (5,725--5,825 GHz) -- 1 Вт. Предполагается, что

верхняя зона частот будет использоваться для каналов, соединяющих здания,

или других наружных приложений, тогда как две другие зоны -- для применения

внутри зданий.

Схема модуляции

Высокая скорость передачи достигается за счет группировки множества

низкоскоростных подканалов (поднесущих). Это выполняется следующим образом.

Две нижние зоны делятся на восемь неперекрывающихся каналов шириной 20 MHz.

В свою очередь, каждый канал разбивается на 52 подканала по 300 kHz (рис.

5). Из них 48 подканалов используются для передачи данных, а остальных

четыре -- для кодов коррекции ошибок. Устройства, удовлетворяющие стандарту

802.11a, должны поддерживать скорости передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 или

54 Mbps. Такое многообразие скоростей достигается с помощью применения

различных схем кодирования. Так, на нижнем уровне иерархии скоростей

используется бинарная фазовая модуляция (Binary Phase Shift Keying --

BPSK). Она обеспечивает пропускную способность подканала 125 Kbps, что,

умноженное на 48, дает 6 Mbps для одного канала. Квадратурная фазовая

модуляция (QPSK) удваивает это значение, доводя его до 12 Mbps.

[pic]

Последующего удвоения удается добиться с помощью 16-уровневой

квадратурной амплитудной модуляции (16QAM), которая кодирует 4 бита

информации на 1 Hz, а применение схемы 64QAM дает скорость передачи данных

54 Mbps. В итоге восемь каналов предоставят суммарную пропускную

способность 423 Mbps с поддержкой 512 пользователей. Безусловно, это не

означает, что каждый из пользователей сможет передавать и получать данные

со скоростью 54 Mbps, они будут просто разделять полосу пропускания в зоне

покрытия определенного канала. Заметим, что стандарт 802.11b поддерживает

лишь три неперекрывающихся канала по 11 Mbps каждый, т. е. обеспечивают

суммарную полосу пропускания только 33 Mbps.

Генерация OFDM-сигнала

При формировании OFDM-сигнала необходимо обеспечить ортогональность

поднесущих. Поэтому сначала, исходя из характера входных данных,

определяются требуемый частотный спектр и необходимая схема модуляции.

Каждая поднесущая связывается со своим подпотоком данных. Амплитуда и фаза

поднесущей вычисляются на основе выбранной схемы модуляции (BPSK, QPSK или

QAM). Затем с помощью обратного преобразования Фурье (ОПФ) амплитуда как

функция фазы преобразуется в функцию от времени (преимущественно

используется вариант обратного быстрого преобразования Фурье ( ОБПФ).

Принимающая аппаратура с помощью БПФ преобразует амплитуду сигналов как

функцию от времени в функцию от частоты, генерируя при этом набор

ортогональных синусоид (рис. 6).

[pic]

Список Литературы

1. G. Goldberg. “EMC PROBLEMS OF POWER LINE COMMUNICATION (PLC) SYSTEMS”.

2001

2. G.F. Bartak. “POWERLINE COMMUNICATION SYSTEMS. NORMATIVE AND

REGULATORY ASPECTS FOR THEIR APPLICATION”. 2001

3. Леонид Бараш. «Быстрый эфир стандарта IEEE 802.11a» (Компьютерное

Обозрение #44, 14 - 20 ноября 2001).

4. Информация с сайта www.hostinfo.ru.

5. Информация с сайта proua.com

6. «Анализ решений по использованию перспективных технологий передачи

данных по электрическим сетям для организации «последней мили» на базе

инфраструктуры энергетических объектов АО Энерго». М. 2001

-----------------------

H-G

H-G

H-G

H-G

H-G

CC

LV-G

LAN

M M

IC

TEL TV

PC-Internet

Оконечное устройство

Трансивер

Контроллер сетевого и канального уровней

Усилитель

Изолирующий модуль

Электромодем

Страницы: 1, 2, 3