Технологии передачи данных по электропроводным линиям

        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.

6 Передача данных по электросетям

Всего каких-то 15 лет назад единственный компьютер  дома был настоящей диковинкой и  поводом для гордости всей семьи. Общественное сознание тогда жестко отделяло ПК от прочей бытовой техники, возводя его в ранг дорогого хобби. Всего лишь за 15 лет развитие электроники привело к тому, что компьютер стал по-настоящему персональным. Прогресс породил новую задачу: объединение домашних устройств в сеть для создания общей среды информационного обмена.

Если речь идет только о  двух устройствах, то в домашних условиях не так принципиально, какой из существующих стандартов будет выбран для их взаимодействия, обычно все определяется стоимостью комплекта оборудования. Но соединение между собой двух компьютеров в разных комнатах - это задача, успешно решавшаяся в XX веке. Дело века XXI-го - объединение в единую сеть всей домашней электроники, начиная с компьютеров и включая телевизоры, IP-телефоны, музыкальные центры и многое другое, куда постепенно начинает тем или иным образом внедряться IP-интерфейс. При этом, помимо самого факта соединения, чтобы быть конкурентоспособными на рынке, стандарты сетей дня сегодняшнего должны обеспечивать достаточную скорость для передачи, к примеру, потокового видео (что повышает требования к пропускной способности до 20 Мбит в секунду для HDTV формата Mpeg-2). Здесь, помимо экономических соображений, в игру вступает множество других факторов, влияющих на выбор стандарта и оборудования; не на последнем месте среди них - эстетическая составляющая, сводящая на «нет» многочисленные преимущества надежного и дешевого Ethernet. Ведь каждое новое устройство в сети - это, как минимум, два новых кабеля (кабель питания и сетевой кабель).

Традиционно проблему соединения без новых проводов принято решать при помощи радиоэфира - то есть различных  технологий беспроводных подключений. Однако радиочастоты - далеко не единственная среда передачи, которую можно задействовать в современном доме. Одним из способов создания сети является организация передачи данных по электропроводам. Действительно, при том охвате, который имеют сети электропередачи (а он намного превышает охват телефонных или любых других коммуникаций, покрывая практически весь «цивилизованный мир»), полоса пропускания в них используется очень неэффективно - переменный ток потребителям передается лишь на частоте 50-60 Гц в то время, как все, что находится выше в частотном спектре, совершенно свободно, в отличие, например, от жестко регламентированного радиоэфира.

Есть, конечно, у электросети  и глобальный недостаток, а именно неспособность противостоять любым  бытовым помехам. С этим фактором принято связывать замедленное  распространение технологий передачи данных по электросетям. Разветвленность среды передачи и влияние помех существенно ограничивает скорость обмена информацией, но, учитывая ширину доступного спектра, с этим научились бороться с помощью высокопроизводительных сигнальных процессоров за счет разделения одного потока данных на несколько параллельных и их передачи по разным каналам.

Нельзя сказать, что технология передачи информации по электропроводам является наилучшей, однако для решения некоторых  задач она может оказаться  оптимальной. К примеру, в ситуации, когда по дому разбросано множество устройств, а модификации кабельной системы и дополнительные дыры в стене при этом не приветствуются. Также стандарт является находкой для тех, кто любит перемещать технику между комнатами, но не любит заново прокладывать сетевые провода.

Можно возразить, что в таких ситуациях поможет  стандарт Wi-Fi или любой его аналог, но ведь беспроводные соединения обладают одним общим глобальным недостатком: зона распространения сигнала может быть не такой, как хотелось бы, за счет всевозможных препятствий и радиопомех. Кроме того, настройка сети Wi-Fi требует отдельного этапа создания беспроводного соединения, что усложняет процесс развертывания сети для домашних пользователей. Не стоит забывать и о том, что проводные соединения обеспечивают более надежное подключение и более безопасную передачу данных.

7 Power Line Communication

Существуют  различные варианты передачи энергии  по электропроводам и различные  варианты «подмешивания« информационной составляющей в эту передачу. С  практической точки зрения, можно  передавать потоки данных по высоковольтным ЛЭП на большие расстояния, предоставлять пользователям услуги ШПД, или «разводить« локальную сеть в рамках одной квартиры. Power Line Communication (PLC, коммуникации по силовой линии) - это собирательный термин, описывающий все варианты доставки данных по электрической сети.

«Передача данных по энергосетям независимо от действующего в них напряжения принципиально  ничем не отличается. В основе такой  передачи данных лежит принцип частотного уплотнения, когда в нижней части  спектра передается электроэнергия, в более высокочастотной осуществляется передача информации в виде сигналов данных, речи и т.д. Следует подчеркнуть, независимо от типа энергосети (ее напряжения), при передаче данных по энергосетям используются практически близкие методы модуляции и кодирования, при которых максимальная доступная скорость передачи определяется удельной скоростью передачи около 8…10 бит/с/Гц. Эта цифра также является практическим пределом при передаче данных для ADSL, цифрового кабельного ТВ, SHDSL и VDSL, - комментирует М.А. Мендельсон, специалист компании Zelax, любезно согласившийся ответить на наши вопросы о PLC. − Например, при ширине полосы частот сигнала 1 МГц максимальная скорость передачи составит 8…10 Мбит/с».

Существуют  многочисленные варианты классификации PLC. Во-первых, технологии передачи данных по электросетям принято разделять на широкополосные и узкополосные по ширине частотного спектра, который они используют для передачи данных (Broadband over Power Lines и Narrowband over Power Lines соответственно). С точки зрения конечного пользователя логично отделять варианты организации локальной сети в рамках квартиры от всех остальных способов PLC. А вот с позиции рынка варианты высокочастотной связи по электросети принято делить несколько по другому критерию, связанному с областью применения: на узкополосную передачу (точка-точка) в высоковольтных сетях (более 35 кВ) и широкополосную передачу в сетях низкого и среднего напряжения (0,4-35 кВ). В последнюю категорию и попадают домашние сети, а также так называемая «последняя миля« провайдеров Интернет.

Обычно если речь заходит о передаче данных по электропроводам, имеется в виду именно этот сегмент; однако не будем  незаслуженно забывать и о менее  открытой широкому кругу пользователей  «высоковольтной« составляющей.

8 Решение частной задачи: высоковольтные линии

Передача данных по ЛЭП не имеет никакого отношения  к рядовым пользователям и  даже провайдерам, ищущим вариант «последней мили« для организации интернет-канала. Это отдельный рынок, где появляются и успешно продаются свои разработки. «Надо сразу отметить, что передача информации по энергосетям - это не основное назначение таких сетей, а попытка получить канал передачи информации наиболее дешевым способом. Поэтому основное назначение канала передачи информации в энергосетях - это передача технологической информации о состоянии сети и создание одного из каналов управления энергосетью (с целью повышения надежности управления энергетики всегда пытаются сделать параллельную сеть управления по какой-нибудь другой среде, например, используя волокно, радио, медный кабель и т.д.). При этом структура сети передачи информации в большинстве случаев жестко привязана к структуре сети передачи электроэнергии», - рассказывает М.А. Мендельсон.

Узкополосная  передача в высоковольтных сетях - в определенных условиях хорошая альтернатива оптическим линиям связи. Имея собственную кабельную инфраструктуру, энергетическим компаниям далеко не всегда выгодно пользоваться чужими услугами для организации соединения. Под определенными условиями здесь понимается экономический фактор: внедрение высоковольтного варианта технологии PLC не дешевая задача и при передаче данных на короткие расстояния оптическая линия может оказаться выгоднее. Однако при увеличении расстояния стоимость оптической линии многократно возрастает, а расходы на PLC остаются, фактически, теми же. Таким образом, PLC - это вариант экономии для отрезков ЛЭП без ответвлений.

Для параметров аппаратуры передачи данных по высоковольтным сетям существуют рекомендации МЭК (Международная электротехническая комиссия), которых стараются придерживаться производители приемо-передающих устройств. На рынке узкополосной передачи данных по высоковольтным сетям работают как многочисленные небольшие российские и зарубежные компании, так и крупные промышленные гиганты вроде Siemens. Один из крупных игроков российского рынка - компания Zelax.

Передача данных по высоковольтным линиям вряд ли когда-нибудь заинтересует обычных интернет-провайдеров. Учитывая слабую помехозащищенность и  узкую спектральную полосу, используемую для передачи, по ЛЭП будет технически невозможно организовать скорость, удовлетворяющую требованиям хотя бы 10 средних интернет-пользователей. Тем более, на сегодняшний день предлагаемые на рынке решения обеспечивают скорость, исчисляемую даже не мегабитами, а килобитами в секунду. О факторах, влияющих на скорость передачи, говорит М.А. Мендельсон: «Линия электропередачи с точки зрения теории связи - это несимметричный кабель, что и определяет его возможности с точки зрения скорости передачи информации. На абонентском участке (до 0,4 кВ) расстояния небольшие, затухание сигнала в электрокабеле относительно небольшое, уровень и частотное распределение помех предсказуемо, можно использовать более широкую полосу частот, и поэтому скорости передачи достигают несколько десятков Мбит/с. В сетях 35 кВ и выше расстояние между взаимодействующими объектами (подстанциями) может достигать 100 км, что приводит к существенному затуханию сигналов в ЛЭП; соответствующая помеховая обстановка вынуждает использовать относительно узкие по ширине полосы для передачи сигналов полосы частот, поэтому скорости передачи здесь достигают нескольких десятков - нескольких сотен кбит/с».

9 Широкополосная передача

Широкополосная  передача по электрическим сетям  низкого и среднего напряжения - это тот сегмент рынка, который обычно подразумевается, если речь заходит о PLC. В этой сфере действует достаточно много широко известных стандартов и контролирующих (регламентирующих) организаций.

В первую очередь  передача данных по электрическим сетям является одной из сфер интересов Европейского института по стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI), независимой некоммерческой организации, основной целью которой является наведение порядка в области различных вариантов передачи информации. Организация проводила многочисленные исследования по интерференции сигналов от разных источников в общей среде передачи и изучению влияния внешних помех. Результатом стал выпуск ряда рекомендованных спецификаций оборудования для передачи данных по электросети в домашних сетях (с самыми популярными вы можете ознакомиться на сайте ETSI).

Среди наиболее интересных разработок раннего периода  развития технологий передачи данных по электросетям можно вспомнить спецификации Intelogies PassPort, а также более позднюю и совершенную Intellon PowerPacket. Технология Intelogis PassPort в своей основе использовала частотную модуляцию (FSK) и обеспечивала скорость соединения от 50 до 350 кбит в секунду, причем, только для компьютеров под управлением Windows. Сейчас о PassPort можно найти больше негативных отзывов, нежели позитивных, так как технология была чрезвычайно зависима от качества электропроводки и общей «загруженности« сети. В Европе и России Intelogis PassPort была практически неизвестна из-за ориентации исключительно на сети 110 В.

Основное достижение пришедшей следом технологии Intellon PowerPacket в том, что в ней применяется  метод OFDM с адаптацией к физической среде. Используются 84 параллельных канала в диапазоне от 4,3 до 20,9 МГц. Выбор рабочих каналов зависит как от предустановленных ограничений (например, ряд каналов можно не использовать), так и от сиюмоментного состояния рабочего спектра. Метод OFDM весьма удачно подошел к PLC в целом, в результате большинство современных стандартов использует именно его, комбинируя OFDM с возможностями частотного и временного разделения канала.

На начальном  этапе развития технологии устройства обеспечивали связь со скоростями до 14 МБит в секунду, что в разы превосходило возможности ближайшего конкурента. Практически сразу компания Intellon объявила о своем намерении добиваться скоростей, обеспечивающих потоковую передачу видео, что в рамках используемых в основе идей было вполне реализуемо на практике. Разработки Intellon легли в основу стандарта HomePlug 1.0.