Технологии передачи данных по электропроводным линиям

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.

Основными компонентами технологии LonWorks являются:

- 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.

 

5.1 Параметры трансиверов и модемов для линий электропитания

Таблица 1 – Параметры трансиверов и модемов для линий электропитания.

Продукт	Назначение	Тип модуляции	Полоса частот, кГц	Скорость передачи, кбит/с	Протокол	Стоимость розн./опт., долл.
Intellon
SSC P485	Трансивер	SSC	100 - 450	10	CEBus	30/18
SSC P200	Трансивер+контроллер	SSC	100 - 450	10	CEBus	21/11
SSC P300	Трансивер+контроллер	SSC	100 - 450	10	CEBus	24/14
SSC P400	Трансивер+контроллер	SSC	100 - 450	10	CEBus	45/23
SSC P111	Выходной усилитель	SSC	100 - 450	10	CEBus	10
Echelon
PLT- 10A	Трансивер	SST	100 - 450	10	LonTalk	42/34
PLT-21	Трансивер	BPSK	125 - 140	5	LonTalk	42/34
PLT-30	Трансивер	SST	9 - 95	2	LonTalk	42/34
PLT-22	Трансивер двухчастотный	BPSK	115, 132	5	LonTalk	35/30
Adaptive Networks
AN48 (2)*	Трансивер+контроллер	ASST	9 - 95	4,8	Н/д	55/35
AN192 (2)	Трансивер+контроллер	ASST	140 - 450	19,2	Н/д	55/35
AN1000 (3)	Трансивер+контроллер	ASST	140 - 450	100	Н/д	75/45
Intelogis
PassPort	Модем	FSK	Н/д	350	Plug-In	99 (модем)
ITRAN
IT800	Трансивер	DCSK	Н/д	8	CEBus	6,5/5,8
IT5000	Трансивер	DCSK	Н/д	50	CEBus	5,9/5,2
ITM1	Трансивер	DCSK	4000 - 20000	1500	Ethernet	15/12
ITM10	Трансивер	CDMA	Н/д	10000	Ethernet	Н/д
National
LM1893	Трансивер	FSK	50 - 300	4,8	Н/д	Н/д
IC/SS (3)	Трансивер+контроллер	ICSS	9 - 95	3,2	Н/д	Н/д
Philips Semiconductors
TDA5051	Трансивер	ASK	132,5	0,6/1,2	Н/д	Н/д
SGS Thomson
ST7537HS1	Трансивер	FSK	132,5	2,4	Н/д	Н/д
Domosys
CEWay PL-One	Трансивер	SST	140 - 450	Н/д	CEBus	25/10
CEWay-PL-III	Трансивер	SST	140 - 450	Н/д	CEBus	19/8
DOMOSIP	Трансивер+контроллер	SST	140 - 450	Н/д	CEBus	69/22
CECom PL	Модем	SST	140 - 450	2,4 - 10,2	CEBus	199/160
Примечание. Н/д - нет данных; * - .в скобках указано число микросхем в комплекте.