CC BY
137
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.316.722
Электромагнитная совместимость систем передачи данных по электрическим сетям
И.А. Невструев., А.В.Кириллов
Рассмотрены требования к электромагнитной совместимости и способы описания электромагнитного влияния существующих систем передачи данных по линиям электропередач на окружающую обстановку; предложены методы анализа совместимости систем передачи данных по электрическим сетям; представлены существующие стандарты, устанавливающие ограничение допускаемого электромагнитного излучения в окружающую среду.
Requirements are considered In article to electromagnetic compatibility and ways of the description of the electromagnetic influence existing systems data communication on line on surrounding situation; the presented methods compatibility of the systems data communication on electric networks; they Are Considered existing standards, mouth restriction allowed electromagnetic radiation in surrounding ambience.
Введение
Низковольтные силовые сети используются как среда для систем передачи данных по силовым линиям (PLC - от англ. power lines communication). Линии электропередачи начинают функционировать как антенны, формирующие электромагнитное излучение (ЭМИ), которое рассматривается как помеха для окружающей среды.
PLC-системы, на которых реализуются широкополосные системы доступа, используют спектр до 30 МГц. Существующие регулирующие стандарты задают максимальную мощность ЭМИ в рабочем диапазоне частот PLC-оборудования. Например, Европейский стандарт CENELEC определяет работу PLC-систем, работающих в диапазоне от 9 до 140 кГц, а существующие американские и японские стандарты задают для PLC-систем частотный диапазон до 500 кГц. В Германии существует собственный стандарт NB30, который устанавливает ограничение излучения для систем, функционирующих в частотном диапазоне до 30 МГц.
В результате мощность сигнала PLC-систем ограничена, а сами они становятся очень чувствительными к помехам и, как правило, уже не могут
применяться для передачи данных с достаточной высокой скоростью на большие расстояния.
Усиливается влияние помех на PLC-системы от других внешних служб, работающих в частотном диапазоне ниже 30 МГц (рис. 1): помех, возникающих в самой PLC-системе от тяжелых машин, электродвигателей, которые могут быть подключены к низковольтной сети; помех от близлежащих PLC-систем; помех от телевизоров и компьютерных мониторов, а также от переключателей и устройств контроля фазового сдвига. Помимо этого помехи могут возникать от близлежащих электросетей.
Для устранения ошибок передачи, обусловленных влиянием помех, в PLC-системах могут применяться широко известные механизмы коррекции ошибок, например коррекция ошибок вперед (FEC - Forward Error Correct) и автоматический повтор по требованию (ARQ - Automatic Repeat reQuest). Механизм FEC может восстанавливать оригинальное содержание данных в сложной помеховой обстановке. Однако применение механизма FEC приводит к увеличению объема передаваемых служебных данных, необходимых для коррекции ошибок, что приводит к снижению ем-
Рис. 1. Структура источников помех, воздействующих на РЬС-систему
кости сети. Использование АЯ^ подразумевает повторную передачу поврежденной информации, вследствие чего вносится дополнительная задержка передачи. Но использование механизмов коррекции ошибок в РЬС-системах необходимо, так как в этих системах присутствует большое количество разнообразных помех. К тому же в РЬС-сетях максимальное количество абонентов соединено через низковольтные силовые сети (рис. 2), имеющих сложную структуру и, соответственно, большое количество переотражений полезного сигнала, что дополнительно уменьшает возможную скорость передачи данных.
Часто в РЬС-сетях доступа используют низковольтную электрическую сеть для подключения РЬС-абонентов к базовой станции (БС), которая обеспечивает соединение с выходом в Интернет. В таких случаях РЬС-сети представляют собой об-
щую среду передачи, используемую для всех независимых пользователей. Соответственно емкость РЬС-сети еще более снижается.
Составляющие электромагнитной совместимости
Задачей ЭМС является обеспечение стабильной работы устройств или систем в электромагнитном (ЭМ) окружении без излучения ими таких электромагнитных помех (ЭМП), которые могли бы сказаться на работе соседних систем. Работа по обеспечению ЭМС ведется по двум направлениям (рис. 3.).
1. Контроль основных параметров передачи оборудования (мощность, скорость передачи данных и т.д.) при совместной работе с другими системами или устройствами. Оборудование должно быть устойчиво к ЭМ-сигналам другого окружающего оборудования. Эта составляющая ЭМС
Рис. 2. Общая среда передачи в РЬС-сетях доступа
Рис. 3. Различные составляющих ЭМС
называется электромагнитной восприимчивостью (EMS - от англ. electromagnetic susceptibility).
2. Исследование мощности излучения и влияния оборудования на работу других устройств. Эта составляющая ЭМС изучается в разделе, названном электромагнитным проникновением (EME - от англ. electromagnetic emission).
Электромагнитный шум распространяется через физические проводники (электропроводность) и воздушную среду (электромагнитное излучение), и, следовательно, проникновение может быть как от внешних, так и от внутренних систем, являющихся источниками помех. EME, реализуемое через проводниковое проникновение, подра- __ _____^_____________^____
зумевает внутрисистемную совместимость. гой стороны, EME - это внешнесистемная совмес- амплитуды - само основное напряжение.
тимость. П DOН И КН0-ШЭЭуИьИЗм(еЕПУр§?Тельнь1й или отри-
цательный пик, наложенный на основное напряжение. Импульс характеризуется короткой длительностью, высокой амплитудой и быстрым временем падения и/или возрастания. Импульсы могут быть синхронны или асинхронны с основной частотой. Между импульсами может возникать $ в ©в от различ^Ъх^
повыми устройствами, от которых возникают им--Н иульсы, явля кЦ© ПЭёкЭ°ИЗ'Л уелеанвып©-
3. Всплески имеют длительность от нескольких периодов индустриальной частоты до нескольких секунд. Чаще всего всплески возникают от высоковольтных переключателей. Отличие раз-
сильно излучать, а на низких частотах помехи могут быть результатом совокупности сигналов от оборудования и сигналов основного кабеля. К тому же проводниковая эмиссия может проявляться в других различных участках системы, способствуя радиоизлучению. Переход между радиоизлучением и кондуктивной (проводниковой) эмиссией происходит в диапазоне 30 МГц, где проводниковая эмиссия ниже этой величины, а радиоизлучение выше ее (рис. 4).
Другая классификация ЭМП базируется на трех параметрах: длительность, частота повторяемости и рабочий цикл. Помехи могут_быть . шой или малой длительности. Измен длительности обычно не включают в с ЭМП с малой длительностью лежат в микросекунд до нескольких секунд и разделяются на три класса:
1. Шум - это большое или низкое постоянное изменение напряжения. Шум имеет периодический характер и высокую частоту следования, которая является основной частотой. Шум возникает от электромоторов, сварочных аппаратов и т.п.
ычно низкой, и пик
магн
ЭМС.
ах © стим
мители.
Классификация помех в ЭМС
Электромагнитные помехи от электрических устройств разнообразны и сложно поддаются точному описанию, спецификации и анализу. Основами для классификации ЭМП являются характер, частотный состав, пара распространен метод класс рующийся на прохождении і ника до приемника. Существую'’ четыре 'в1 хождения: / ("\ ^ \
1) проводниковое (электрический токР /
2) индуктивное (магнитной поле);
3) емкостное (электрическое поле);
4) через излучение (электромагнитное поле).
На вход приемника поступает очень
сложный для идентификации сигнал, поскольку даже полезный сигнал из-за множества путей своего распространения и переотражений становится помехой. В РЬС-системах сигнал на входе приемника зависит также от вида его прохождения.
Например, на высоких частотах конструкции и линии в печатных платах могут Рис. 4. Классификация ЭМП по занимаемому спектру
личных всплесков от продолжительного шума заключаются в заполнении ё, которое определяется так:
ё = тх/, (1)
где т - ширина импульса на 50% его высоты; / -частота повторения импульса или среднее число случайных всплесков в секунду.
Стандарт 1ЕС ТС 77 (табл. 1) устанавливает классификацию электромагнитных явлений, которая также адаптирована под Европейскую стандартизацию СЕКЕЬЕС ТС 210.
Формы описания ЭМП окружающей обстановки
При выборе местоположения телекоммуникационных систем должна быть определена так называемая ЭМП-матрица МЭМП, которая показывает электромагнитную совместимость между новыми и существующими системами:
М Э
5і
= 5,
5.
. (2)
Представление ЭМП-матрицы заключается в определении элементов а,, в форме. Элементы матрицы могут быть либо «+», «0» или « - ». Если аі] = «+», то система 5, и система 5, совместимы и могут одновременно работать без модификации обеих систем. С а,,, принимающим значение «0», проявляется низкий уровень ЭМП в этом окружении, и должна осуществляться некоторая коррекция в системе 5, или системе 5, для обеспечения нормальной работы обеих систем.
Для описания возможного возникновения ЭМП в коммуникационных системах на основе силовых линий, а также последствий искажений в РЬС-оборудовании в табл. 2 сведены характеристики существующих систем и оборудования, работающих в полосе частот 1,3-30 МГц, которые, как правило, используется в широкополосных РЬС-системах.
Особенности моделирования помех в РЬС
Электромагнитное излучение, возникающее в силовом электрическом оборудовании, обычно занимает широкий диапазон рабочих частот (измеряемых в мегагерцах). В этом частотном диапазоне измеряется проводниковое излучение. Стандарты РЬС предполагают измерения только в
Таблица 1. Основные проявления ЭМС помех, представленные в ІЕС ТС 77
Низкая частота Высокая частота
Проводниковые явления Радиоизлучение Проводниковые явления Радиоизлучение
Гармоники, субгармоники основного напряжения Системы сигнализации Флуктуации напряжения Отклонение напряжения и перебои Разбаланс напряжения Изменение частоты сети питания Низкочастотные наводки Постоянное напряжение в сетях переменного тока Магнитное поле: непрерывное кратковременное Электрическое поле Прямое соединение, и наведенное напряжение или ток: непрерывные волны, модулированные волны Непрямое кратковременные (одиночные или повторяющееся) колебания. Кратковременные колебания (одиночные или повторяющиеся) Магнитное поле Электрическое поле Электромагнитное поле: непрерывные волны модулированные волны Кратковременное
а
а
а
і,і
1,2
1,.
а
а
а
а
.,1
.,2
і’.і'
Таблица 2. Основные проявления ЭМС помех, представленные в ІЕС ТС 77
Службы Предоставляемые услуги Частотный диапазон (МГц)
Радиовещание Длинноволновое (ДВ), средневолновое (СВ), коротковолновое (КВ) радиовещание 0,15-0,405; 0,525-1,605; 11,7-12,1; 9,59,8; 5,45-7,3; 3,95-5,45;
Морская мобильная связь Тактическая/стратегическая морская мобильная связь Б5.90; воздушные экстренные перевозки и военно-морское радиовещание 1,6-1,8; 2,04-2,16; 2,3-2,5; 2,62-2,65; 2,65-2,8; 3,2-3,4; 4,0-4,4; 6,2-6,5; 8,1-8,8; 12,2-13,2; 16,3-17,4; 18,7-18,9; 22,0-22,8; 25,0-25,21; 1,6-1,8; 1,8-2,0; 2,0-2,02
Радиолюбительская связь Данные, СШ, факс, телефоны и т.п. 1,81-1,85; 3,5-3,8; 7,0-7,1; 10,1-10,15; 14.0-14,2; 14,25-14,35; 18,0-18,16; 21.0-21,4; 24,8-24,9; 28,0-29,7
Военная связь Связь на дальние дистанции 2,0-2,02; 2,02-2,04; 2,3-2,5
Авиационная Авиационная 2,8-3,0; 3,02-3,15; 3,4-3,5; 3,8-3,9; 4,4-4,65; 5,4-5,68; 6,6-6,7; 8,81-8,96; 10,0-10,1; 10,1-11,1; 21,0-22,0; 23,0-23,2
Радиоастрономия Радиоастрономия 13,3-13,4; 25,55-25,67
диапазоне от 0,15 до 30 МГц. ЭМП могут проявляться в форме синфазного сигнала (также называемого асинхронным сигналом) или дифференциальной помехи (симметричная помеха) напряжения или тока. Понятие синфазной и дифференциальной помехи объясняется на рис. 5.
Напряжение и ток помех выражаются следующим образом:
и„ = ц - и 2,
Т = 1 ~ 12
а 2 , и = ц + и2 с 2 ,
Т с = / + Т 2,
где иа, / - компоненты напряжения и тока дифференциальной помехи соответственно; ис, /с -компоненты напряжения и тока синфазной помехи соответственно.
Основная модель возникновения ЭМИ иллюстрируется на рис. 5, а. Из этой модели следует, что в рассматриваемых системах или устройствах в основной сети возникают ЭМП двух типов: дифференциальная (Та) и синфазная (Тс) помехи. Полезная составляющая тока и напряжения обозначена сплошными линиями, а помеховая - пунктирными.
Таким образом, если добавить токовый сигнал в кабель (или линию), это приводит к тому, что линия начинает работать как антенна, излучающая ЭМ поле в окружающую среду, которая также имеет токовые составляющие и /с. Источ-
ник, генерирующий дифференциальные моды тока в питающей сети в восходящем направлении (от
устройства к питающей сети), вызывает первичное ЭМ поле и другие дифференциальные моды тока с такой же интенсивностью, как первичные, только в противоположном направлении (от сети к устройству). Эта следующая дифференциальная составляющая тока также генерирует ЭМ поле с такой же интенсивностью, как и поле, генерируемое в нисходящем потоке, но в противоположном направлении. Как результат симметрии, возникшие ЭМ поля подавляют друг друга, и никакие помехи от симметричной моды тока не могут излучаться в окружающую среду. В противоположность дифференциальной моде сигнал тока в основной моде протекает в том же направлении. Следовательно, результирующее ЭМ поле распространяется в ас-симетричной моде, и общее излучение поля в среде - это суперпозиция двух полей. Таким образом, причина ЭМП в РЬС-сетях это отсутствие синфазной моды помех противоположного направления.
Высокочастотный эквивалент цепи источника ЭМП показан на рис. 5, б. Дифференциальная мода компоненты тока протекает в линиях электроснабжения в нейтральном проводнике. Дифференциальная мода компоненты напряжения может быть измерена между фазовыми проводами.
Часть синфазной моды тока протекает от фазового к нейтральному относительно земли проводнику. Ток для компоненты синфазной моды зависит только от сопротивления Zc. Из рисунка можно сделать вывод, что зависимость эта не только между синфазной модой компоненты ЭМИ и напряжением источника ЭМП, потому что измеренное ЭМИ зависит от основного сопротивления и различных паразитных эффектов (возникающих от наличия Zc), которые широко представлены в
Рис. 5. Модель возникновения типового ЭМИ синфазной и дифференциальной помехи (а); высокочастотная модель источника ЭМИ (б)
области энергетических сетей.
В высокочастотном диапазоне присутствуют компоненты дифференциальной моды тока /а, протекающего от источника к основному сетевому генератору электрического поля, но излучение от них ослабляется противоположным электрическим полем такой же силы, генерируемым током /а, протекающим от сети к источнику ЭМП, как показано высокочастотной моделью. Противоположно дифференциальной моде ток /с синфазной моды генерирует электрическое поле без симметричной компоненты, которая может блокировать это поле. От этого эффекта возникает ЭМИ на частотах от 0,15 до 30 МГц.
Измерение электрического поля от РЬС
Обычно для оценки и описания радиопомех используется электрическое поле Е. В то же время могут быть измерены все три компоненты (в трех измерениях пространства) магнитного поля с помощью доступных датчиков. Чувствительность имеющихся на рынке датчиков поля позволяет производить измерения только вертикальной компоненты поля. Для устранения этого недостатка при измерении излучения от РЬС используются петли магнитного поля (рис. 6), и электрическое поле будет определяться как произведение напряжения на волновое сопротивление (сопротивление свободного пространства равно 377 Ом). Однако вычисление электрической компоненты поля от магнитного поля может быть верно, но только для дальней зоны. В ближней зоне волновое сопротивление в два или три раза больше, чем 377 Ом, что приводит к ошибкам в ближней зоне.
По причине высокого разброса градиента волнового сопротивления практикуется выбор среднего значения волнового сопротивления в ближнем поле для вычисления электрического поля от измеренной величины магнитного поля. Этот
метод предполагает наличие ошибок, которые появляются при переводе измеренной величины магнитного поля в электрическое.
Поскольку напряженность электрического поля зависит от нескольких параметров силовой сети (таких как геометрия, нагрузка и др.) и является определяющим при оценке излучающего поля, организацией PLCforum был введен коэффициент соединения. Если средняя величина этого фактора определена, то он может быть использован для определения реального уровня поля через измерения (или через предоставленные данные) напряжения или мощности введенного в силовую сеть коммуникационного сигнала. Фактор, связывающий это отношение магнитного поля (H(f)) и введенной энергии (ивв), выражается в следующем виде:
kH = 20logf Hf 1 [ДБ]. (3)
V Ubb ( f) )
Зная реальное напряжение, вводимое при передаче сигнала через PLC, можно посчитать через коэффициент связи магнитное поле, излучаемое сетью. Напряженность электрического поля может быть легко найдена из магнитного поля H и сопротивления свободного пространства Z=377 Ом через следующее выражение:
Eplc=Z H [В/м]. (4)
Для определения коэффициента связи были проведены измерения магнитного поля в разнообразных системах с различными конфигурациями. Результаты были очень схожи для других установок, но для некоторых случаев имели большое расхождение. Следовательно, нет возможности использования единого коэффициента связи в стандартизации, но могут быть определены различия, характеризующие коэффициент связи: сетевая конфигурация, расположение, параметры силовых линий и т. п.
Поле излучения возникает от асимметричной части напряжения (основной моды) сигнала, передаваемого через силовые линии. Исследования предполагают прямое измерение этой асимметричной части сигнала и определение ее через напряженность излучаемого поля. Другими словами, важно определение величины дифференциальной моды сигнала (поперечного сигнала) и конвертирование в синфазную моду сигнала (продольного сигнала). Для этих целей существуют следующие методы: «преобразование поперечных потерь»
(Transversal Conversion Loss - TCL); «преобразо-
Рис. 6. Измерение PLC-излучения с помощью магнитной петли
вание продольных потерь» (Longitudinal
Conversion Loss - LCL).
Эти методы были определены в рекомендациях ITU для всех типов сетей [2].
Методы LCL и TCL устанавливают соотношения между асимметричной и симметричной компонентами напряжения в определенной тестирующей точке PLC-сети. Выраженная в децибелах величина потерь LCL представляет собой логарифмическую зависимость между асимметричной компонентой El и результирующим симметричным напряжением VT: f г Л
LCL = 20 log
Е
V VT J
[дБ].
(5)
Величины потерь ТСЬ это отношение между симметричным и асимметричным напряжением, когда в передающую линию введено симметричное напряжение:
TCL = 20 log
f Е Л
v Vl J
[дБ].
(б)
ТСЬ - важная величина, необходимая для определения значения продольного напряжения (или синфазной моды), вызывающего дисбаланс в системе, который является основной причиной излучаемых помех. В исключительных случаях величина ТСЬ известна и может применяться для вычисления асимметричного напряжения при заданной амплитуде симметричного сигнала. Это может быть использовано для оценки напряженности излучения при моделировании помеховой обстановки.
Характеристики Помех
В свое время силовые кабели были разработаны только для передачи электроэнергии и не рассматривались как среда передачи в высокочастотном диапазоне. А теперь к силовой сети подключаются приборы различного назначения. Сле-
довательно, перед использованием такой среды для передачи информации должно быть проведено исследование окружающей обстановки. К тому же искажения информационного сигнала от потерь в кабеле и многолучевого распространения, суперпозиция шума побочной энергии сигнала приводят к сложной коррекции сигнала на приемной стороне. В отличие от других информационных каналов, помехи в каналах РЬС невозможно описать с помощью белого гауссовского шума, спектральная мощность которого постоянна на всем спектре передаваемого сигнала.
Проведенные исследования внесли коррективы в детальное описание характеристик шума в РЬС-системах. Дополнительные типы шумов в РЬС-окружении приведены на рис. 7.
Тип 1 - «окрашенный» фоновый шум. Спектральная плотность относительно низкая и убывает с частотой. Этот тип шума образован в основном как суперпозиция нескольких источников шумов низкой интенсивности. В отличие от белого шума, имеющего постоянную спектральную плотность независимо от частоты в выбранном частотном диапазоне, мощность окрашенного фонового шума характеризуется высокой зависимостью от частоты. Параметры шума варьируются в зависимости от времени в пределах минут и часов.
Тип 2 широкополосный шум. Максимальное время имеет синусоидальную форму с модулированной амплитудой. Этот тип включает в себя несколько частотных поддиапазонов, которые являются относительно малыми и присутствуют на всем частотном спектре. Этот шум возникает в основном от радиовещательных станций в среднем и коротковолновом диапазоне. Амплитуда обычно варьируется в зависимости от времени суток, ночью становится очень высокой из-за увеличения отражения электромагнитных сигналов от слоев атмосферы.
Тип 3 периодический импульсный шум,
асинхронный с основной частотой. Обладает импульсной формой с частотой следования импульсов обычно 50 - 200 кГц и образует дискретный спектр с расстоянием между соседними гармониками в частоту повторения. Этот тип шума возникает в основном от переключателей питания.
Тип 4 периодический импульсный шум, синхронный с основной частотой. Представляет собой синхронные с основной частотой питания импульсы с частотой повторения 50 или 100 Гц. Каждый импульс имеет короткую длительность (в пределах микросекунд) и плотность спектральной мощности, уменьшающуюся с повышением частоты. Этот тип шума возникает главным образом от энергосистем, работающих синхронно с основной частотой, например, от силовых преобразователей, подключенных к питающей сети.
Тип 5 асинхронный импульсный шум. Это импульсы, возникающие от кратковременных включений в сети. Такие импульсы имеют длительность от нескольких микросекунд до сотен миллисекунд, с произвольным временем между соседними. Для такого шума плотность спектральной мощности может иметь амплитуду более 50 дБ выше уровня фоновых шумов. Этот шум является основной причиной возникновения ошибок в цифровой связи через РЬС-сети.
Проведенные измерения показывают, что типы шумов 1,2 и 3 остаются обыкновенно стационарными в течение сравнительно длительных периодов (секунды, минуты и иногда несколько часов). Следовательно, все эти три типа шума могут быть сведены в один класс, который рассматривается как окрашенный фоновый РЬС-шум и называется «обобщенным фоновым шумом». Типы шума 4 и 5, напротив, имеют длительность от нескольких миллисекунд и микросекунд и могут быть объединены в единый класс, называемый «импульсным шумом». Из-за сравнительно высокой амплитуды импульсный шум рассматривается как основная причина возникновения пакетных ошибок в передаваемых данных на высокой частоте в РЬС-среде.
Обобщенные фоновые шумы. Для моделирования обобщенных фоновых шумов в РЬС-окружении рассматривается суперпозиция окрашенного фонового шума и узкополосных помех (рис. 8). Здесь не делается отличий между коротковолновым радио и другими узкополосными помехами в форме гармоник, потому что обычно выполняется разложение шума на гармоники. При моделировании это разложение помех может быть
аппроксимировано огибающей. Кроме того, из-за высокой частоты повторения шум типа 3 занимает частоты, которые могут перекрываться. Следовательно, для такой модели энергия шума рассматривается как узкополосный шум с очень низкой спектральной плотностью мощности. Спектральная плотность мощности (СПМ) окрашенного фонового шума может быть усреднена по времени величиной ^вм(/). Характеристика временной зависимости этого шума может быть смоделирована исходя из известного среднеквадратичного отклонения. В результате СПМ обобщенного фонового шума может быть описана формулой в виде
N(об)ФШ (I) = N ОФШ (I) + Nуш (I), (8)
■^(об)ФШ (I) = ОФШ (I)УШ)( I), (9)
к=1
где УОФШ(/) - СПМ окрашенного фонового шума; N^(1) - СПМ узкополосного шума; ^к)УШ(/) -СПМ субкомпоненты генерируемой, к-м источником помех узкополосного шума.
Измерения показывают, что для описания модели СПМ окрашенного фонового шума подходит экспоненциальная функция первого порядка [5]:
_ I
^офш (I) = N0 + ^е 11 [дБцВ/Гц12], (10)
где N0 - постоянная плотности шума; N и Ц - параметры экспоненциальной функции.
Исследуя и измеряя шум в домашнем и индустриальном окружении, возможно нахождение выходной аппроксимации для параметров этой модели. В результате СПМ окрашенного фонового шума для домашнего и индустриального использования выражается формулами (11) и (12) соответственно [6]:
_ I (МГц)
N офш (I) = _35 + 35е 3,6 , (11)
_ I (МГц)
N офш (I) = _33 + 40е 8,6 . (12)
Рис. 8. Модель спектральной плотности для обобщенного спектрального шума
Для аппроксимации узкополосных шумовых помех используется функция Гаусса, преимущество которой заключается в малом числе параметров, необходимых для описания модели. Кроме того, параметры могут быть найдены отдельно через измерения, что подтверждается малыми отклонениями [5]:
(- f - A,k )2
N (k)( f) = Ак e
УШ W / k
(13)
Здесь параметрами функции являются амплитуда Ак, центральная частота /0,к и полоса частот функции Гаусса Вк.
Импульсный шум. Класс импульсного шума включает в себя периодические импульсы, синхронные с основной частотой, и асинхронный импульсный шум. Измерения показывают, что этот класс широко представлен в последнем типе шумов (тип 5). По этой причине моделирование данного класса основывается на исследованиях и измерениях для типа 5, как показано на рис. 9.
Цель этих измерений и исследований - поиск выходных статистических характеристик шума, распределения вероятности импульсов и распределения времени между соседними импульсами при определении времени между двумя следующими друг за другом импульсами (рис. 10). Приближенная модель таких импульсов - это импульсная последовательность с шириной импульса ^, амплитудой Ль временем между двумя соседними импульсами и обобщенной импульсной функцией пульсирования р(^«,) с единичной амплитудой ^, которая определяется формулой:
(t -1. ^
a,i
(14)
Рис. 10. Модель импульса, используемая для моделирования класса импульсных шумов
Параметры tw/, Л, и ta/ /-го импульса являются случайно изменяемыми, их статистические свойства исследованы в [4]. Измерения импульсов показывают, что в 90% случаев их амплитуда находится между 100 и 200 мВ. Только менее 1% превышают амплитуду 2 В. Измерения длительности импульсов tw также показывают, что только около 1% измеренных импульсов имеют длительность, превышающую 500 мс, и только 0,2% - более 1 мс. Таким образом, время между соседними импульсами в 90% случаев составляет 200 мс. Более детальные измерения показывают, что в 30% случаев время между соседними импульсами составляет от 10 до 20 мс и импульсный шум является синхронным с основной частотой питания (тип шума 3). Время между двумя соседними импульсами, лежащее в пределах 200 мс, имеет экспоненциальное распределение.
Моделирование помех
Помехи имеют большое влияние на передачу в PLC-сетях различных сетевых уровней. Особое внимание следует уделять разработке MAC-уровня. Рассмотрим моделирование помех, используемое в исследованиях. Опишем простую On-Off модель помех и комплексную модель помех для применения в системах, базирующихся на OFDMA.
Как было показано выше, обобщенный фоновый шум стационарен в течение секунд, минут или часов. Из этого следует, что периодические импульсы, синхронные с основной частотой (тип шума 4), имеют небольшую длительность и низкую СПМ. Краткосрочные изменения шума в силовых линиях происходят за счет асинхронных импульсных шумов (тип 5). Такие импульсы обладают длительностью от нескольких миллисекунд и высокой СПМ.
n
t
Соответствующие методы прямой коррекции ошибок и пакетирование могут использоваться для борьбы с помехами, вызванными импульсным шумом. Однако ошибки, в результате которых происходит искажение передаваемой информации, остаются, и, как следствие, осуществляется повторная передача поврежденной части данных. Ошибки в передаваемых данных имеют большое влияние на производительность МАС и высшего сетевого уровня. Следовательно, On-Off модель помех отражает влияние асинхронного импульсного шума на передаваемые данные. Импульсный шум может возникать в канале передачи с известной периодичностью. После исчезновения импульса поврежденный канал передачи опять восстанавливается. Таким образом, подробный PLC-канал передачи может представляться как On-Off модель с двумя состояниями - TOn и TOff (рис. 11).
Низковольтные сети имеют сложную топологию, которая может сильно отличаться в различных сетях. Эти отличия возникают из-за того, что фактические параметры, могут варьироваться в зависимости от количества пользователей, их активности, подключенных устройств и т.п. Низковольтные сети, включая и внутреннюю (in-home) часть сети, имеют физическую древовидную структуру. Однако на логическом уровне PLC-сети доступа могут быть описаны как магистральная сеть, имеющая общую среду передачи. Это вынуждает разрабатывать средства управления для среды доступа. Эту функцию может исполнять базовая станция, которая контролирует доступ к среде для данной PLC-сети или ее части.
Шумы PLC-сети представляют собой суперпозицию двух основных классов: фонового шума и импульсного шума, который является основным препятствием для свободной передачи данных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Невструев И.А., Арсеньев А.В. Структура и способы телекоммуникационного доступа при передаче информации по электрическим сетям. - Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2007, №3, с. 3-11.
2. Невструев И.А., Арсеньев А.В. Построение сетей доступа передачи информации по электрическим сетям. - Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2007, №3, с. 12-19.
3. IEC, Electromagnetic Compatibility, International Electrotechnical Vocabulary, Chapter 161, IEC Publication 50(161), Geneva, January 1989.
4. ETSI, Power Line Telecommunications (PLT) Channel Characterization and Measurement Methods, Technical Report ETSI TR 102 175 v1.1.1 (2003-03), European Telecommunications Standards Institute, 2003. Available online under www.etsi.org.
5. IEC, Electromagnetic Compatibility: The Role and Contribution of IEC Standards, International Electrotechnical Commission, Lists of EMC Publications in IEC, Updated Version of February 2001.
6. M. Zmmermann, K. Dostert. The low voltage distribution network as last mile access network - signal propagation and noise scenario in the HF- range, AEU International Journal of Electronics and Communications, (1), 13-22, 2000.
7. D. Benyoucef. A new statistical model of the noise power density spectrum for powerline communications. Proceedings of the 7th International Symposium on Power-Line Communications and its Applications (ISPLC), Kyoto, Japan, 136-141 March 26-28, 2003.
8. H. Ph/l/pps. Development of a statistical model for powerline communications channels, Proceedings of the 4th International Symposium on Power-Line Communications and its Applications (ISPLC), Limerick, Ireland, April 5-7, 2000.
9. H. Hrasn/ca, Л. Ha/d/ne. Modeling MAC layer for powerline communications networks, Internet, Performance and Control of Network Systems, Part of SPIE’s Symposium on Information Technologies, Boston, MA, USA, November 5-8, 2000.
10. M. Zmmermann. Energieverteilnetze als Zugangsme-dium ffiur Telekommunikationsdienste, Dissertation, Shaker Verlag, Aachen, Germany, 2000, ISBN 3-82657664-0, ISSN 0945-0823, in German.
Поступила 12.08.2007 г.
