CC BY
138
КСЕНОФОНТОВ1 Михаил Анатольевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ НА «ПОСЛЕДНЕЙ МИЛЕ»
В статье описано современное положение дел в области передачи информации с использованием проводки силовой сети. Прорыв в рассматриваемой области произошел в 2005 г. с принятием стандарта «HomePlug AV», использующего современные связные технологии. Дальнейшее развитие ознаменовано утверждением стандарта IEEE1901 и использованием однопроводного режима работы силовой сети при передаче информации.
Ключевые слова: направляемые электромагнитные волны, однопроводная направляющая линия, передача информации в сети электроснабжения, стандарт «HomePlug AV»
The article describes the current state of affairs in the transfer of information using the power wiring network. A breakthrough in this area occurred in 2005 with the adoption of the standard «HomePlug AV», using modern communication technology. Further development of the IEEE1901 standard, marked by the approval and use of single-wire mode of operation of power networks in the transmission of information.
Keywords: guided electromagnetic waves, single-wire guide line, information transfer in the electricity network, HomePlug AV.
Огромное и все нарастающее количество потребителей информации в современном информационном обществе, увеличение объемов и скоростей передаваемого контента предъявляют новые требования к оконечным, потребительским участкам линий передачи информации. Участки «последней мили» в силу их массовости имеют особое значение. Основное противоречие на «последней миле» возникает между требованиями повышения скорости передачи информации и уменьшения затрат на реализацию связи. На расстояниях до нескольких сотен метров преимуществом в затухании сигнала за счет адресной канализации обладают направляемые электромагнитные волны. Наиболее привлекательным с точки зрения экономичности является использование в качестве направляющей системы для электромагнитных волн,
несущих информацию, проводки существующей сети электроснабжения. Это направление в последнее время интенсивно разрабатывалось интернациональными усилиями. Прорывные результаты, изменившие отношение специалистов к рассматриваемой проблеме, были получены к 2005 г. в процессе работы над стандартом «HomePlug AV» [2]. Этот стандарт был разработан в группе компаний, составляющих «HomePlug PowerLines Alliance» (США). Именно благодаря успешной разработке указанного стандарта, консорциум «HomePlug PowerLines Alliance» сумел объединить под своей эгидой три континентальные группировки:
♦ европейскую - Universal Powerline Association (DS2, RWE, ASCOM и
др.)>
♦ американскую - HomePlug Powerline Alliance (Intellon, Intel, Cisco,
- главный специалист ОАО НИИВК им. М.А. Карцева.
Motorola Texas Instruments, General Electric, Connexant, Arcados, Radio Shack и др.),
♦ азиатскую - SECA Powerline Alliance (Sony, Mitsubishi, Panasonic и др.). Ныне альянс объединяет 90 крупных компаний. Вся аппаратура для PLC (Power Lines Communications) систем в качестве платформы использует наборы микросхем компании «Intellon». Главное преимущество стандарта HomePlug AV, отличающее его от конкурентных технологий, - скорость и устойчивость связи в условиях помех, создаваемых при подключении и работе различных потребителей в электросети. Максимальная скорость, заявленная стандартом HomePlug AV,
- 200 Мбит/с. Однако указанная величина относится к физическому уровню, а канал используется для передачи как пользовательских данных, так
25.07.2011 12:00:23
и служебной информации. Последняя занимает порядка 60% пропускной способности сети и повышает надежность основной передачи. Поэтому в реальных условиях максимальная скорость передачи информации для пользователя достигает 80 Мбит/с, а в проблемных случаях не опускается ниже 40 Мбит/с. К концу 2010 г. за счет нового чипсета INT7400 и расширения используемой полосы частот до 40 МГц, скорости передачи информации были увеличены до 500 Мбит/с. Сравнительные тесты технологий показали, что HomePlug AV - единственная на сегодняшний день альтернатива кабелю Ethernet для трансляции по дому широковещательного потока IP-телевидения стандартной четкости (SDTV) и передачи видео высокой четкости (HDTV).
Чтобы реализовать высокую скорость передачи данных, используется широкая полоса частот: 2 — 30 МГц. Для увеличения скорости передачи информации относительно значения, определяемого данной полосой частот при бинарной манипуляции, применяется способ передачи данных — OFDM (ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING). Он обеспечивает разделение скоростного потока данных на ряд параллельных под-потоков с низкой скоростью передачи и затем использование каждого из них для модуляции своей поднесущей частоты (используется от 917 до 1155 частот). Спектры субпотоков при этом перекрываются, и в целях устранения взаимного влияния расстояние между поднесущими должно находиться в определенном соотношении с частотой манипуляции в элементарном канале (ортогональность). Для повышения достоверности передачи используется избыточное кодирование. Сначала формируется спектр (комплексный) OFDM символа, потом при помощи обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT) формируется его временная реализация. Между OFDM-символами вставляется специальный защитный символ, который служит для предотвращения межсимвольной интерференции, возникающей из-за непостоянства частотной характеристики коэффициента передачи канала. Для расшифровки сообщения на приемном конце используется соответс-
твенно прямое быстрое преобразование Фурье (БЕТ). Используемый тип модуляции - дифференциальная квадратурная фазовая модуляция (ЭОР8К). Протокол доступа к среде (МАС) основан на базе метода коллективного доступа с обнаружением несущей и избежанием коллизий (С8МА/СА). Этот метод, благодаря наличию периода ожидания до начала каждого сеанса, позволяет снизить уровень внутрисистемных конфликтов. На физическом уровне СБМА/СА регламентирует передачу пакетов таким образом, что каждая посылка передается лишь после оценки состояния канала связи и поступления от приемника сигнала, свидетельствующего о его готовности.
Высокая эффективность работы оборудования стандарта НотеР1ид в сложной помеховой обстановке обеспечивается за счет гибкого изменения параметров системы с учетом изменяющихся частотной характеристики канала, а также уровня и распределения помех. С этой целью в устройствах реализованы три процедуры:
1)адаптация к реальной помеховой обстановке за счет исключения отдельных пораженных помехами рабочих частот;
2) оперативная смена метода модуляции на поднесущих (при увеличении уровня помех DQPSK заменяется на более помехоустойчивую DBPSK);
3) снижение скорости передачи данных для повышения помехоустойчивости (за счет выбора параметров сверточного кода).
Необходимо отметить, что адаптация к помеховой обстановке осуществляется без потери данных. Например, если одна из поднесущих частот поражена помехой, она просто отключается. Однако передаваемый на пораженной частоте пакет данных не теряется, а автоматически восстанавливается при последующей обработке информации в приемнике. Достигается это за счет перемежения и каскадного кодирования, основанного на сочетании блочного кода Рида-Соломона и сверточного кода с декодированием по алгоритму Витерби. Такой принцип кодирования позволяет исправлять не только одиночные ошибки, но и пакеты ошибок. Протокол НотеР1ид ЛУ имеет поддержку качества обслу-
живания для обеспечения непрерывной передачи видео- и аудиопотоков
- QoS. Защита данных при передаче по стандарту HomePlug AV обеспечивается 128-разрядным шифрованием - AES.
Скорость передачи данных в такой сети может динамически изменяться, адаптируясь к характеристикам передающей среды и окружающей по-меховой обстановке. В силу того, что силовой и информационный потоки распространяются в одной и той же двухпроводной направляющей системе и имеют одинаковую структуру электромагнитных полей, потребители электроэнергии вносят диссипативные потери и неоднородности в линию связи. Кроме того, в современных технологиях отбора электроэнергии из сети изменился принцип выполнения основных операций: трансформирования напряжения, создания развязки и реактивного балласта. Сейчас указанные операции осуществляются на частотах, существенно превышающих промышленную частоту переменного тока. Эти меры позволили значительно улучшить массогабаритные показатели аппаратуры. Однако при этом антипомеховые фильтры потребителей сильно шунтируют высокочастотные сигналы систем передачи информации, действующих в той же сети, уменьшая коэффициент передачи линии. В подобных условиях очевидно, что передача информации в сети электропитания сильно зависит от количества потребителей электроэнергии.
Дальность связи и скорость передачи информации зависят от физического состояния линий и степени их загруженности потребителями электроэнергии. Производители адаптеров, реализующих связь по стандарту HomePlug AV, декларируют дальность связи по обычной неадаптированной сети до 300 м и скорость передачи до 80 Мбит/с. К концу 2010 г. за счет нового чипсета INT7400 и расширения используемой полосы частот до 40 МГц скорости передачи информации были увеличены до 500 Мбит/с., а дальность возросла до 1500 м. Новый стандарт получил название IEEE1901.
Однако усилия разработчиков новых систем связи в силовой сети были
03 2011 SPT.indd 27
направлены только непосредственно на совершенствование различных сторон самих систем связи. При этом фундаментальные вопросы распространения электромагнитных волн в направляющих проводящих структурах сети остались без внимания. В результате не решался основной вопрос
- влияние на передачу информации потребителей электроэнергии, возникающее при использовании одной и той же направляющей системы для совместной передачи энергии и информации. Оказалось, что решение лежит на пути применения отличающихся направляющих структур для энергии и информации. Альтернативой двухпроводной направляющей системе может стать однопроводная система [2]. Способ ввода сигнала в силовую сеть, реализующий однопроводную линию связи, предложен автором статьи [3]. Ранее такие попытки не предпринимались. Определенную роль в этом сыграла неточность в определении степени локализации полей электромагнитной волны, направ-
ляемои однопроводнои структурой. Указанная неточность имеет место в фундаментальных трудах авторитетных ученых, заключается она в завышенном размере области, содержащей энергию полей волны [4, с. 98,
5, с. 127, 6, с. 18.]. Большие размеры отмеченной области не позволяют рассчитывать на незначительные потери и высокую стабильность параметров однопроводной линии. Автор статьи [7] доказал, что поля однопроводной линии значительно сильнее концентрируются около проводника, чем это принято считать.
Адаптация блоков ввода-вывода сигнала к однопроводной направляющей системе у модемов, реализующих работу по стандарту НотеР1ид ЛУ, позволила исследовать характеристики линии связи на основе однопроводной направляющей системы и сравнить их с характеристиками существующей двухпроводной линии в той же силовой сети. Исследования выявили ранее неизвестный резонансный механизм влияния потребителей электроэнергии
на параметры линии связи, показали большую независимость параметров новой системы связи от наличия потребителей, большую скорость передачи информации в реальных условиях и меньшее влияние сетевых защитных фильтров. Экспериментальные исследования старой и новой систем связи показало, что потребители электроэнергии влияют на эти системы в разных частотных диапазонах [8], что натолкнуло на мысль о совместном использовании двух физически различных направляющих структур в одной сети электроснабжения [9]. Эксперименты показали, что связь между рассматриваемыми системами в реальной силовой сети невелика, указанный факт позволяет при отсутствии потребителей электроэнергии увеличить скорость передачи информации до двух раз. Влияние потребителей, ухудшающее качество связи, позволяет получить еще больший выигрыш, реально сохраняя скорости передачи информации, характерные для сети без потребителей
Литература
1. Ксенофонтов М.А. Современные методы организации «последней мили»./ Автоматика, связь, информатика, 2009.
-№ 6. - С. 46 - 48.
2. Х. Мейнке и Ф. Гундлах. Радиотехнический справочник. Т.1. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. -416 с.
3. Ксенофонтов М.А. Способ увеличения, скорости передачи информации по линии электроснабжения. Заявка на патент на изобретение №2009135887 с приоритетом, от. 29.09.2009 г.
4. Айзенберг Г.З. Антенны, ультракоротких волн. - М.: Связьиздат, 1957. — 699 с.
5. Лавров Г.А., Князев А.С. Приземные и подземные антенны.. - М.: Сов. радио, 1965. — 472 с.
6. Харченко К.П. КВ антенны-рупоры, без видимых стенок. - М.: ИП РадиоСофт, 2003. — 96 с.
7. Ксенофонтов М.А. К вопросу о концентрации электромагнитного поля вокруг проводника в задаче Зоммерфельда./ Вестник ИКСИ. Серия «с», 2008. - т. VI. - с. 46 - 53.
8. Ксенофонтов М.А. Экспериментальное исследование каналов связи в сети электроснабжения./ Информатизация и связь, 2011. - № 2. - С. 66 - 68.
9. Ксенофонтов М.А. Способ увеличения, скорости передачи информации по линии электроснабжения. Заявка на патент на изобретение №2011116956 с приоритетом, от. 28.04.2011 г.
