Комуникации по електрическата мрежа

Мястото на Powerline комуникациите в ерата на безжичните технологии

Въпреки неоспоримите предимства на технологиите за безжично предаване на данни, приложението им все още е ограничено от един основен недостатък, а именно - невъзможността на сигнала да достига до всички желани точки. Разбира се, повечето съвременни безжични мрежови протоколи и технологии при антените намаляват в голяма степен споменатия проблем, но в случаите, когато не достига безжично покритие или то е прекалено слабо, електрическата мрежа може да се използва като добавка към WLAN (Wireless Local Area Network) и по този начин да се постигне по-висока ефективност на цялостната мрежа. Друго предимство на връзката посредством електрическа мрежа е, че нейната производителност запазва по-стабилни нива в сравнение с тази на безжичната комуникация.
Във възможностите на комуникациите по електрозахранващата мрежа (PowerLine Communications - PLC) са преносът на данни, на звукови и видеосигнали, телефонни разговори, управление на електроуреди, мониторинг и дистанционно измерване на енергийната им консумация, управление на системите за сигурност и др.

Високоскоростни PLC системи
Обхватът на 220-волтовите комуникации е разделен на канали, които се използват едновременно. Предаването се извършва с честоти между 2 и 30 мегахерца, съответстващи приблизително на тези на късовълновите радиопредаватели.
В зависимост от максималната възможна скорост на предаване на данните съществуват различни видове PLC комуникации - 14, 85 и 200 Mb/s, а отскоро и 1 GB/s (макар че предлаганите за момента адаптери могат да осигурят реална максимална скорост около 550 Mb/s). Първите два вида са подходящи главно за обмен на данни (Интернет, електронна поща), докато 200-мегабитовите обикновено се използват за телефонни разговори, висококачествена телевизия и много бърз обмен на данни.
Високоскоростните PLC комуникации основно се използват в жилищни и административни сгради, което определя наименованието им Home Powerline Networking. Голямата скорост на предаване на данните същевременно означава, че се изисква широка честотна лента, откъдето произлиза другият термин Broadcast over Powerline (BPL). Съществуват две разновидности на BPL. Едната е за нисковолтова мрежа с възможност за предаване по проводници с дължина до 300 m, известна като In-house BPL. Нейните приложения се ограничават в една или няколко съседни сгради, но все пак разстоянието е около 3 пъти по-голямо от това на един сегмент от Ethernet и десетина пъти повече от това при безжичните мрежи WiFi и WiMax. Предаване на големи разстояния, включително по линиите със средно напрежение, се осъществява чрез разновидността Access BPL. Тя осигурява преминаването на данните през трансформаторите за връзка между линиите със средно и ниско напрежение.
Специфична е и технологията PowerStream на Adaptive Networks. Тя също използва много носещи честоти от обхвата 5-35 MHz за едновременно предаване на телефонни разговори, висококачествен звук и телевизия. Всеки приемник съдържа еквалайзер, който непрекъснато променя характеристиката си, за да компенсира промените на постъпващия сигнал.

Устройства за връзка
Преносът на Интернет по електрическа мрежа изисква комплект от два адаптора, единият от които е предвидено да работи като управляващ. Кабелът от оператора се свързва към Ethernet входа на този адаптор, който от своя страна се включва в контакт на електрическата мрежа. Вторият адаптор е управляван и се свързва към друг контакт, където и да е в помещението, а неговият Ethernet изход - към съответния вход на компютъра. Тази двойка фабрично е програмирана по такъв начин, че да могат да се декодират само обменяните помежду им данни. По същия начин може да се установи връзка между два компютъра и между компютър и каквото и да е устройство с Ethernet вход. Има, разбира се, и адаптори с USB вход и изход. Ако компютрите разполагат с възможност за безжична връзка, се използват адаптори за обмен на данни между безжична и електрическата мрежа.
Управляващият адаптор има още едно предназначение. Фабрично в него се записва уникален идентификационен номер, който не може да се повтаря в друг, независимо от това къде и кога е произведен. Този номер автоматично се прехвърля в другия адаптор и представлява идентификатора на така образуваната комуникационна мрежа - в света няма друга мрежа със същия идентификатор.
Ако потребителят желае към тази комуникационна мрежа да прибави още устройства, например принтер към двата компютъра, допълнително закупува съответния брой управлявани адаптори и им записва номера на мрежата. За целта към всеки управляващ адаптор има необходимият програмен продукт, с който лесно се работи в диалогов режим. Самият програмен продукт позволява при желание на екрана на компютъра да бъдат изведени идентификационните номера на всички адаптори и идентификатора на мрежата.

Препоръчителният начин за свързване
на няколко апартамента или офиса в една сграда към Интернет е чрез едно общо устройство. То получава данните отвън по произволен начин (чрез кабел, безжична мрежа или сателит) и ги “пуска” по електрическата инсталация на сградата. В такъв случай на входа на всяко апартаментно електрическо табло се поставя специален ретранслатор, който гарантира качеството на връзката.
За използването на услугата IPTV (Интернет телевизия) е необходимо към изхода Ethernet на адаптор да се свърже входът Ethernet на специализиран приемник, известен като IPTV сет-топ бокс. Той преобразува телевизионния сигнал, идващ от Интернет, в подходящ за домашния телевизор. Към входа на телевизора се свързва сет-топ боксът, вместо кабела от местния оператор.
За висококачествено озвучаване на помещенията чрез използване на електрическата мрежа, системата се свързва към мрежата чрез специален звуков адаптор. Със същия адаптор активни тонколони могат да се свързват към контакт на мрежата. Електрическата мрежа може да се превърне и в телефонна - например за провеждане на евтини разговори по Интернет. За целта се използват специални адаптори, един от които е основен. Той се поставя в електрически контакт и се свързва към Ethernet порта на компютъра. Сега, в който и да е контакт може да се постави друг адаптор и към него да се свърже телефон.
Целта на 220 V комуникацията не е да измести останалите видове в жилището, а да прави това, само когато действително е ефективно. Това означава, че е напълно възможно част от връзките да се реализират чрез Ethernet мрежа, например между домашния рутер и разположените в близост до него компютър и принтер. Същевременно, рутерът може да осигурява безжична връзка с преносим компютър и такава по електрическата мрежа с устройства в отдалечени помещения.

Сигурност на обменяните данни
Сигурността на PowerLine комуникациите се постига чрез кодиране на данните при предаването и декодиране по време на приемането. За повишаване на нивото на сигурност някои компании препоръчват технологията PowerPacket. При нея връзките между устройствата са peer-to-peer, т. е. всяко от тях може непосредствено да обменя данни с друго. Устройство, което ще предава данни, най-напред проверява за наличието на свободен канал и когато го намери, има определено време за излъчване на един пакет. Приемащото устройство прочита кода на пакета и връща съобщение, че той е приет. При липса на такова, например поради големи смущения по канала, се подава заявка за повторение (ARQ) и в отговор на нея пакетът се предава отново с друга носеща честота. Дължината на пакетите е малка в сравнение с класическите комуникации, тъй като при по-дълъг пакет вероятността от грешка поради смущенията е по-голяма. Същевременно се следят промените в състоянието на мрежата (напр. включване и изключване на товари, създаващи смущения) и в зависимост от това се правят корекции в параметрите на предаването.

Стандарти
Съществуват няколко различни варианта на технологията за мрежи за данни, базирани на електрическата инсталация. Повечето от тях се основават на стандартите на алианса HomePlug PowerLine Alliance (консорциум от над четиридесет компании). Първият стандарт, HomePlug 1.0, осигурява до 14 Mbit/s скорост на трансфер. Обновеният вариант HomePlug Turbo, предлага пропускателна способност до 85 Mbit/s. HomePlug AV (наследник на HomePlug 1.0) обещава достатъчно висока производителност (200 Mbps) за поточно видео с висока дефиниция (HD). Също така, съществува и 200 Mbps спецификация от асоциацията Universal Powerline Association.
За връзка с Интернет и обмен на звукови и видеосигнали са създадени два стандарта. Първият е Homeplug 1.0, който действа от юни 2001 г. и осигурява максимална скорост на обмен 14 Mbps. Той предвижда използването на 84 канала, чиито средни честоти се наричат подносещи и са в обхвата от 4,5 до 21 MHz. Модулирането на всяка подносеща се прави с една от трите предвидени разновидности на PSK. Един от начините за намаляване на влиянието на смущенията е временно премахване на носещата честота на каналите, в които те са над определено ниво. Част от стандарта определя формата на пакетите от данни (Frame). Друга част фиксира начина на достъп до даден канал. Както вече бе споменато, най-напред се прави проверка дали каналът е свободен, при това по два начина - по липсата на предавани данни в него и дали според програмното осигуряване той не е зает. След като се установи, че е свободен, се задейства системата за приоритет, изчаква се определено време дали друго устройство с по-висок приоритет няма да го заеме и предаването започва. За да не се допусне едновременно предаване на повече от един пакет по мрежата, в стандарта са предвидени 4 нива на приоритет. Всеки тип данни принадлежат към определено ниво, например телефонните разговори са с най-висок приоритет, а предаването на звукови и видеосигнали е под него. Приоритетът се познава по съответните данни в началото на пакета. Реалната скорост на обмен на данните е по-малка от 14 Mbps. Според някои изследвания в 14% от случаите скоростта е до 8,2 Mbps, в 77% - до 5 Mbps и в 98% - над 1,5 Mbps. Паролата на устройствата е 56-разредна.

Стандартът HomePlug AV (HPAV)
През 2005 г. влезе в сила стандартът HomePlug AV (HPAV) за максимална скорост 200 Mbps, съвместим с HomePlug 1.0. Това позволява съвместната работа на устройства по двата стандарта в една мрежа, като тези с HomePlug 1.0 са с приоритет. Стандартът предвижда предаването на данни да се извършва с напрежения в честотен обхват от 1,8 до 30 MHz, съдържащ 1155 канала с носещи честоти на разстояние 24,4 kHz една от друга. Използва се OFDM реално с 917 канала, всеки от които работи с BPSK, QPSK, 8-QAM, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM и 1024-QAM. Именно избраната модулация определя скоростта на предаване на данни. Броят на числата, които могат да бъдат предадени по един канал за 1 s, е 21 500. Тъй като при използване на BPSK числата са 1-разредни, максималната скорост е 21,5 kbps. При 1024-QAM и съответно 10-разредни числа тя е 21 500 x 917 = 215 kbps. И когато по всички канали едновременно се предава с такава модулация скоростта достига 215 kbps x 917 = 197 Mbps, но на практика максималната е 150 Mbps.
Значителна част от смущенията по електрическата мрежа са с период, равен или кратен на нейния. Поради това синхронизирането на обмена на данни по всеки канал с мрежовата честота намалява значително влиянието на смущенията.
Сигурността на предаваните данни се гарантира от използването на 128-разредно число за кодиране, което може да бъде променяно по време на работата. Така устройствата в дадена мрежа могат да обменят данни само помежду си. Същевременно те съдържат специален блок, който прави възможен обменът на данни между различни PLС мрежи.

Новите стандарти IEEE P1901 и HomePlug GP
Наскоро официално бе утвърден новият стандарт IEEE P1901, който теоретически позволява пропускателна способност на мрежата до 1 GB/s, но предлаганите за момента адаптери от водещи фирми производители, осигуряват реална скорост за предаване на данни около 550 MB/s. Тези устройства ще могат да се използват за приемане и предаване на голямо количество данни по мрежата, като например транслиране на видео в резолюция 1080p, създаване на VoIP (Voice over IP) телефонии, мрежови игри и други. Продуктите и полупроводниците, поддържащи стандарта, се сертифицират от HomePlug Powerline Alliance. Устройствата са съвместими с HomePlug AV, а някои полупроводници са съвместими и с HomePlug 1 и HomePlug AV.
Стандартът HomePlug GP е разработен като профил на IEEE 1901 и е насочен към Smart Grid приложенията в областта на ОВК, интелигентни измервателни уреди, домакински уреди, Plug-in електрически хибридни автомобили, управление на осветлението, сигурност и др. Стандартът е известен и с наименованието “Green PHY” поради факта, че осигурява използването на до 75% по-малко енергия в сравнение с AV.
Първите сертифицирани чипове се очакват на пазара в началото на 2011 година, въпреки че някои от HomePlug GP приложенията могат да се изграждат и в момента чрез използването на HomePlug AV чипове.

Потенциални проблеми при преноса
Решенията за пренос на данни през електрическата мрежа не винаги са универсални за безжичните проблеми. Въпреки че се използва жично пренасяне на информацията, съществуват фактори, които могат да повлияят на производителността. Освен това, условията за предаване на сравнително слабите комуникационни сигнали на значително разстояние са много тежки в сравнение с коаксиалните кабели и усуканата двойка проводници. Причините за това са няколко. На първо място, наличието на значителни импулсни смущения, особено в близост до колекторни електродвигатели, импулсни захранвания и др. В обикновените електронни устройства те не могат да преминат през захранващия блок, който реално представлява защита. При PLC е необходима верига за обмен на данните между мрежата и комуникационната част, по която смущенията преминават с лекота. Това налага използването на подходящи модулации, съпътствани понякога с коригиращи кодове и въвеждането на защита чрез ограничителни диоди или варистори. Също така, в голяма част от електронните устройства има кондензатор, свързан между двата проводника на мрежата, например на противосмутителния филтър или импулсното захранване. Той представлява много малък импеданс за комуникационните сигнали, понякога под 1 ом. Това налага подходящо съгласуване между електрическата мрежа и устройството за PLC, както и изходни блокове с достатъчно голям ток.
Предавателната част на устройствата за PLC трябва да удовлетворява нормите за ниски проводникови (предавани по мрежата) и излъчвани смущения. Това е особено съществено, тъй като проводниците на електрозахранващата мрежа не са екранирани. От своя страна, приемната част трябва да е устойчива към попадащите в нея смущения. За целта, на входа й се поставя пасивен или активен филтър и се използват методи за корекция на грешката.
Не на последно място, амплитудата на приемания сигнал може да се променя в много широки граници, тъй като затихването по линията зависи от дължината й, нейното състояние и свързаните към нея товари. Стойностите му са от няколко dB до над 60 dB и силно зависят от честотата.