CC BY
253
УДК 621.316.722
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО ЛИНИЯМ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
Невструев И.А., Кириллов А.В.,
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»
We are investigating the requirementsfor the electromagnetic compatibility. The article offers analysis techniques for electromagnetic compatibility of information transmission systems with power lines communication, also the study compares the ways to describe the electromagnetic effect, which data transmission systems (using power lines communication) have on environment. We discuss standards, which place a limitation on e-field radiation.
В статье рассматриваются требования к электромагнитной совместимости и способы описания электромагнитного влияния существующих систем передачи данных по линиям электропередач на окружающую обстановку. Представлены методы анализа совместимости систем передачи данных по электрическим сетям. Рассматриваются существующие стандарты, устанавливающие ограничение допускаемого электромагнитного излучения в окружающую среду.
Введение
Низковольтные силовые сети используются как среда для систем передачи данных по силовым линиям (далее PLC — power lines communication). В результате линии электропередачи начинают функционировать как антенна, формирующая электромагнитное излучение (ЭМИ), которое рассматривается как помеха для окружающей среды.
PLC-системы на которых реализуются широкополосные системы доступа, используют спектр до 30 M^. 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, работающих 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, телевизоров и компьютерных мониторов, а также от переключателей и устройств контроля фазового сдвига. Кроме того, помехи могут возникать от близлежащих электросетей.
Для устранения ошибок передачи, возникающих от влияния 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 коррек-
ции ошибок, что приводит к снижению емкости сети. Использование ARQ подразумевает, что поврежденная информация передается повторно, занимая часть емкости передачи и внося дополнительную задержку передачи. Тем не менее использование механизмов коррекции ошибок в PLC-системах необходимо из-за присутствия большого количества разнообразных помех. К тому же в PLC-сетях максимальное количество абонентов соединено через низковольтные силовые сети (рис. 2), имеющие сложную структуру и соответственно большое количество переотражений полезного сигнала, что дополнительно уменьшает возможную скорость передачи данных.
Часто в PLC-сетях доступа используют низковольтную электрическую сеть для подключения PLC-абонентов к базовой станции (БС), которая обеспечивает соединение с выходом в Интернет. В таких случаях PLC-сети представляют собой общую среду передачи, используемую для всех независимых пользователей. Соответственно емкость PLC-сети еще более снижается.
Электромагнитная совместимость (ЭМС)
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 от другого окружающего оборудования. Этот аспект ЭМС называется электромагнитной восприимчивостью (EMS — electromagnetic susceptibility);
2) исследование мощности излучения и влияние оборудования на работу других устройств. Эти свойства ЭМС изучаются электромагнитным проникновением (EME — electromagnetic emission).
ЭМ шум распространяется через физические проводники (электропроводность) и воз-
Рис. 3. Различные направления ЭМС
душную среду (электромагнитное излучение), и, следовательно, может проникать как от внешних, так и от внутренних систем, являющихся источниками помех. EME, реализуемое через проводниковое проникновение, подразумевает внутрисистемную совместимость. С другой стороны EME — это внешне системная совместимость.
Классификация помех в ЭМС
ЭМП от электрических устройств разнообразны, и трудно поддаются точному описанию, спецификации и анализу. Основами для классификации ЭМП являются характер, частотный состав, параметры передачи. Широко распространен метод классификации ЭМП, базирующийся на прохождении ЭМ энергии от источника до приемника. Существуют четыре вида прохождения:
• проводниковое (электрический ток);
• индуктивное (магнитной поле);
• емкостное (электрическое поле);
• через излучение (электромагнитное поле).
На вход приемника поступает очень сложный для идентификации сигнал, поскольку даже полезный сигнал из-за множества путей его распространения и переотражений становится помехой. В PLC-системах, сигнал на вхо-
де приемника зависит также от вида его прохождения. Для примера, на высоких частотах конструкции и линии в печатных платах могут 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 доминирует ниже этой величины, а радиоизлучение выше ее, как показано на рис. 4.
Другой метод классификации ЭМП базируется на трех параметрах: длительность, частота повторяемости и рабочий цикл. Помехи могут быть большой или малой длительности. Изменение большой длительности обычно не включают в сферу ЭМС. Электромагнитные помехи с малой длительностью лежат в пределах от 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 обычно возникает от электромоторов,
Акустический шум Проводниковые помехи
Ґ Л Ґ Л
16 Гц 50 Гц_______________1.2 кГц 20 кГц 150 кГц________________________________30 МГц 300 МГц
Субгармоники
"Y Гармоники
Полоса между акустическими и частотными помехами
V
Помехи радиоизлучения
Рис. 4. Классификация ЭМП по занимаемому спектру
Таблица 1
Основные проявления ЭМС помех представленные в IEC TC 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 или 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.
сварочных аппаратов и т.п. Амплитуда шума остается обычно низкой и пик амплитуды само основное напряжение.
2. Импульс имеет положительный или отрицательный пик, наложенный на само 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 шум, от различных процессов переключения. Типовыми устройствами, от которых возникают импульсы, являются переключатели, реле и выпрямители.
3. Всплески имеют длительность от нескольких периодов индустриальной частоты, до нескольких секунд. Чаще всего, всплески возникают от высоковольтных переключателей. Отличие различных всплесков от продолжительного шума, в заполнении 5, которое определяется по формуле
5 = т х /, (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 CENELEC ТС 210.
Формы описания ЭМП
окружающей обстановки
При выборе местоположения телекоммуникационных систем должна быть определена так называемая ЭМП-матрица. Эта матрица
показывает электромагнитную совместимость между новыми и существующими системами. Представление ЭМП матрицы заключается в определении элементов а, в форме, показанной в (2). Элементы матрицы могут быть либо «+», «0» или « — ». Если ац = «+» это основание, что система & и система SJ совместимы и могут одновременно работать без модификации обеих систем. С ад, принимающем значение «0», проявляется низкий уровень ЭМП в этом окружении и должна осуществляться некоторая коррекция в системе I или системе ], для обеспечения нормальной работы обоих систем.
-^эмп —
S, - Sj
а1,1 а1,2 '''
■*5,1
(2)
Для описания возможного возникновения ЭМ помех в коммуникационных системах на основе силовых линий и также последствий искажений в PLC-оборудовании, в табл. 2 приведены характеристики существующих систем и оборудования, работающих в полосе частот 1.3—30 МГц, которая как правило используется в широкополосных PLC-системах.
Особенности моделирования помех в PLC ЭМИ, возникающее в силовом электрическом оборудовании обычно занимает широкий диапазон рабочих частот (измеряемых в мегагерцах). В этом частотном диапазоне обычно измеряется проводниковое излучение. Стандарты PLC предполагают измерения толь-
Таблица 2
Службы, которые могут испытывать влияние помех от PLC-систем с занимаемыми частотными полосами
Службы Предоставляемые услуги Частотный диапазон (МГц)
Радиовещание Длинноволновое (ДВ), средневолновое(СВ) и коротковолновое (КВ) радиовещание 0,15-0,405; 0,525-1,605; 11,7-12,1; 9,5-9,8; 5,45-7,3; 3,95-5,45;
Морская мобильная связь Тактическая/стратегическая морская мобильная связь S5.90 Воздушные экстренные перевозки Военно-морское радиовещание DGPS 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, Ш, 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
ко в диапазоне от 0.15 до 30 МГц. ЭМП могут проявляться в форме как синфазного сигнала (также называемого асинхронного сигнала) и дифференциальной помехи (или симметричная помеха) напряжения или тока. Понятие синфазной и дифференциальной помехи объясняется на рис. 5.
Напряжение и ток помех, выражаются следующим образом
2 , “ 2
ий:и,-и2 I£/с:^±^
(3)
Л ат, т к 1х -► ►
о 1 ~ 1Л т ► иЛ ' I.г
к и, и2
Рис. 5. Модель возникновения типового ЭМ излучения и компоненты тока и напряжения синфазной и дифференциальной помехи (а); высокочастотная модель источника ЭМ излучения (б)
где и, — компонента напряжения дифференциальной помехи,
/, — токовая компонента дифференциальной помехи,
Ц — компонента напряжения синфазной помехи,
1с — токовая компонента синфазной помехи.
Основная модель возникновения ЭМ излучения иллюстрируется рис. 5а. Из этой модели следует, что в рассматриваемых системах или устройствах в основной сети возникают ЭМП двух типов: 1) дифференциальные помехи 1^ 2) синфазная помеха I.
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 I. Источник, 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 ассиметрич-ной моде, и общее излучение поля в среде — это суперпозиция двух полей. Таким образом, причина ЭМП в PLC-сетях — это отсутствие синфазной моды помех противоположного направления.
Высокочастотный эквивалент цепи источника ЭМП показан на рис. 5б. 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. Таким образом, можно сделать вывод, что
зависимость эта не только между синфазной модой компоненты ЭМ излучения и напряжением источника ЭМП, потому что измеренное ЭМ излучение зависит от основного сопротивления и различных паразитных эффектов (возникающих от наличия Z), которые широко представлены в области энергетических сетей.
В высокочастотном диапазоне присутствуют компоненты дифференциальной моды тока Id, протекающего от источника к основному сетевому генератору электрического поля, но излучение от них ослабляется противоположным электрическим полем такой же силы, и генерируемым током Id, протекающим от сети к источнику ЭМП, как показано высокочастотной моделью. Противоположно дифференциальной моде, ток Ic синфазной моды генерирует электрическое поле без симметричной компоненты, которая может блокировать это поле. От этого эффекта возникает ЭМИ на частотах 0.15 до 30 МГц.
Измерение электрического поля от PLC
Обычно для оценки и описания радиопомех используется электрическое поле E.
В то же время могут быть измерены все три компоненты (в трех измерениях пространства) магнитного поля, используя доступные датчики. Чувствительность имеющихся на рынке датчиков поля позволяет производить измерения только вертикальной компоненты поля. Для устранения этого недостатка при измерении излучения от PLC используются петли магнитного поля (рис. 6), и электрическое поле будет определяться как произведение на волновое сопротивление (сопротивление свободного пространства равно 377 Ом). Однако вычисление электрической компоненты поля от магнитного может быть верно, но только для дальней зоны. В ближней зоне волновое со-
Рис. 6. Установка для измерения PLC-излучения с помощью магнитной петли
противление в два-три раза больше 377 Ом, это приводит к ошибкам в ближней зоне присущей PLC.
Из-за 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.
Напряженность электрического поля зависит от нескольких параметров силовой сети, таких как геометрия, нагрузка и т.п., и является определяющим при оценке излучающего поля, поэтому 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. Связывающий фактор это отношение магнитного поля (H(f)) и введенной энергии (Ue):
£я(дБ) = 20 log
ЩЛ
UM).
(4)
Зная реальное напряжение, вводимое при передаче сигнала через PLC, связанное магнитное поле, излучаемое сетью, может быть посчитано через коэффициент связи. Напряженность электрического поля может быть легко найдено из магнитного поля Н и сопротивления свободного пространства Z=377Ом, через следующее выражение:
EpLc(B/m) = Z • H, (5)
Для определения коэффициента связи были проведены измерения магнитного поля в разнообразных системах с различными конфигурациями. Результаты были очень схожи для некоторых установок, но в ряде 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 ассиметрич-ной части напряжения (основной моды) сигнала, передаваемого через силовые линии. Исследования предполагают прямое измерение
этои ассиметричнои части сигнала и определение ее через напряженность излучаемого поля. Другими словами, важно определить величину дифференциальной моды сигнала (поперечного сигнала) и конвертировать сигнал (продольный сигнал) в синфазную моду.
Для этих целей существуют следующие методы:
1) «преобразования поперечных потерь» (Transversal Conversion Loss — TCL);
2) «преобразования продольных потерь» (Longitudinal Conversion Loss — LCL).
Эти методы были определены в рекомендациях ITU для всех типов сетей, после принятия в European Telecommunications Standards Institute (ETSI) стандартах определения и измерения установок для PLC, в итоговом отчете «Power Line Telecommunication (PLT) Channel Characterization and Measurement Method» [2].
LCL и TCL устанавливают соотношения между асимметричной и симметричной компонентами напряжения в определенной тестирующей точке PLC-сети. LCL заданной тестовой точки определяется как функция от ассиме-тричного напряжения (продольного сигнала) в системе и измеренного результирующего симметричного напряжения (поперечного сигнала). Эта величина, выраженная в децибелах, представляет собой логарифмическую зависимость между ассиметричной компонентой El и результирующим симметричным напряжением V:
ЬСЬ(дБ) = 20 log
(6)
Т^ — это отношение между симметричной и асимметричным напряжением, когда в передающую линию введено симметричное напряжение.
ТСЦдБ) = 20 log
4 , (7)
Этот метод может применяться для всех телекоммуникационных систем, а также для линий передачи, оборудования или их совокупности. 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 ТСЬ известно и может применяться для вычисления ассиметричного
напряжения при заданной амплитуде симметричного сигнала. Это может быть использовано для оценки напряженности излучения при моделировании помеховой обстановки.
Стандарты для ограничения
радиоизлучения в PLC
В результате полевых испытаний было впервые проконтролировано использование PLC-технологий и обосновано возникновение ЭМ излучения от этого оборудование. Измерения были проведены в максимальном режиме излучения с использованием магнитной петли. Схема измерений предоставлена на рис.
6. Применяющиеся ограничения для напряженности электрического поля определялись по формуле
Е = 2о( ДЁУЁ'] - 7.7 logf -^1
I м ) (8)
Германский распорядительный орган RegTP и министерство экономики в январе 1999 года опубликовали первые требования к ЭМ излучению под именем «NB30». Эти ограничения, как показано в табл. 3, относятся не только к PLC, но к любым проводным средствам передачи данных (кабельное телевидение, xDSL и т.п). Измерительные установки приведены в стандарт RegTP 322 MV 05.
В США (документ FCC, ч. 15) для ограничения проводникового излучения частотой выше 1.705 МГц исследованы системы электроснабжения, являющиеся непреднамеренными излучателями, включая PLC. Разрешенная мощность для напряженности поля излучения, утвержденная в FCC, приведена в табл. 4.
Американский стандарт предлагает расширение диапазона для реализации передачи через силовые линии, с невысокими требованиями к высвобождаемому ЭМ излучению. Были проведены исследования емкости каналов в зависимости от помех, когда излучение удовлетворяло условиям FCC часть 15 и NB30.
Для сопоставления между тремя стандартами, MPT1570, NB30 и FCC часть 15, на рис. 7 показаны ограничения для напряженности электрического поля в спектре 1—30 МГц.
Ограничения для Проводникового излучения
Электрические розетки PLC-оборудования одновременно используются и как питающая розетка и как телекоммуникационный порт. Следовательно, некоторые предложения для будущих поправок текущих стандартов содержат определение так называемых многофункциональных портов и присущих им измерительным процедурам. В то же время электрический штепсель PLC-оборудования попадает под
Таблица 3
Напряженность поля ограниченная NB30 для PLC и других проводных систем
Частотный диапазон Ограничения для Е напряженности поля (максимальное)
0.009МГц — 1МГц 40 дБ(рВ/м) — 20 1од10 (V МГц)
1 МГц -30 МГц 40 дБ (рВ/м) — 8.8 1од10 (V МГц)
30 МГц -1 ГГц 27 дБ (рВ/м)
1 ГГц -3 ГГц 40 дБ (рВ/м)
Таблица 4
Рекомендованная напряженность поля Е для PLC-систем по FCC часть 15
Частотный диапазон Ограничение для радиоизлучения №В/м) Измерения
1-1.705 15 47,715/частота (кГц)
1.705-10 100 30
10-13.553 30 30
13.553-13.567 10,000 30
13.567-26.96 30 30
26.96-27.28 10,000 3
27.28 30 30
120
E°V’ ІООН дБ^В/м
80
60
40
20
0
1 Ограничения FCC (экстраполированно кЗм)
NB30 (от 3 м) ' МРТ1570 (Апрель и февраль 2000 от 3 м)
25 /, МГц 30
5 10 15 20
£01р - ограниченная напряженность электромагнитного излучения Рис. 7. Ограничения радиоизлучения MPT1570, NB30 и FCC ч. 15
категорию электрических портов и имеет соответствующие электросетям измерения. Рекомендованные ограничения для проводниковых помех электрических портов и телекоммуникационных портов представлены в табл. 5 и 6.
Характеристики помех
Первоначально силовые кабели разрабатывались только для передачи электроэнергии и не рассматривались как среда передачи в высокочастотном диапазоне. Более того, к силовой сети подключена широкая гамма приборов с различными свойствами. Следовательно, пе-
ред 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 PLC невозможно описать с помощью белого Гауссовского шума, спектральная мощность которого постоянна на всем спектре передаваемого сигнала.
Таблица 5
Ограничения для проводниковых помех от электрических розеток класса А и класса В ГГЕ
Частотный диапазон Ограничение в дБ (^В)
Класс А Класс Б
Квазипиковое Среднее Квазипиковое Среднее
0.15-0.50 79 66 66-56 56-46
0.50-5 73 60 56 46
5-30 73 60 60 50
Таблица 6
Ограничения для проводниковой для синфазной моды помехи телекоммуникационных портов
оборудования класса А и класса В
Частотный диапазон (МГц) Ограничения в дБ(рВ)
Класс А Класс Б
Квазипиковое Среднее Квазипиковое Среднее
0.15-0.50 79 66 66-56 56-46
0.50-5 73 60 56 46
5-30 73 60 60 50
0.15-0.50 97-87 84-74 84-74 74-64
5-30 87 74 74 64
© спм ▲ © спм А © спм А ©
©
ад
-►[ Канал ]------К±)-------И±)-------►(+)------К±)------------К±)—
Рис. 8. Дополнительные типы шума в PLC-окружении
Проведенные исследования и измерения внесли коррекцию в детальное описание характеристик шума в PLC-системах. Иллюстрация характеристик дополнительных типов шумов в PLC-окружении приведена на рис. 8.
Проанализируем особенности
дополнительных типов шумов.
«Окрашенный» фоновый шум (тип 1) образован в основном как суперпозиция нескольких источников шумов низкой интенсивности. Спектральная плотность относительно низкая и убывает с частотой. Этот тип шума 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.
Широкополосный шум (тип 2) максимальное время имеет синусоидальную форму с модулированной амплитудой. Этот тип включает несколько частотных поддиапазонов, которые являются относительно малыми и присутствуют на всем частотном спектре; 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.
Периодический импульсный шум, асинхронный с основной частотой (тип 3) обладает импульсной формой с частотой следования импульсов обычно 50-200кГц, и образует дискретный спектр с расстоянием между соседними гармониками в частоту повторения. Этот тип шума возникает в основном от переключателей питания.
Периодический импульсный шум, синхронный с основной частотой (тип 4) представляет собой синхронные с основной частотой питания импульсы с частотой повторения 50 или 100Гц. Каждый импульс имеет короткую длитель-
ность, в пределах микросекунд, и имеет плотность спектральной мощности, уменьшающуюся с повышением частоты. Этот тип шума возникает, главным образом, от энергосистем, работающих синхронно с основной частотой, например, его источником могут быть силовые преобразователи, подключенные к питающей сети.
Асинхронный импульсный шум (тип 5) — 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 PLC-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 объединены в один класс, который рассматривается как окрашенный фоновый PLC-шум и носит название «обобщенный фоновый шум». Типы шума 4 и 5, напротив, имеют длительность от нескольких миллисекунд и микросекунд, и могут быть объединены в единый класс, называемый «импульсный шум». Из-за сравнительно высокой амплитуды импульсный шум рассматривается как основная причина возникновения пакетных ошибок в передаваемых данных на высокой частоте в PLC-среде.
Обобщенные фоновые шумы
Для моделирования обобщенных фоновых шумов в PLC-окружении, рассматривается суперпозиция окрашенного фонового шума и узкополосных помех, как показано на рис. 9. Здесь не делается отличий между коротковолновым радио и другими узкополосными помехами в форме гармоник, потому что обычно
Рис. 9. Модель спектральной плотности для обобщенного спектрального шума
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 N£2^/). Характеристика временной зависимости этого шума может быть смоделирована исходя из известного среднеквадратичного отклонения. В результате СПМ обобщенного фонового шума может быть описана формулой
■^ОбФШ (/) = ^офш(Л + ^уш(/) (9)
■^ОбФШ
ы , (10) где ^ФШ(/) — СПМ окрашенного фонового шума,
N¡^(1) — СПМ узкополосного шума,
/) — СПМ субкомпоненты генерируемой к-ым источником помех узкополосного шума.
Измерения показывают, что для описания модели СПМ окрашенного фонового шума подходит экспоненциальная функция первого порядка [5].
_/
лгофш(/) = лго+лгге А , дБцВ/Гц1''2, (11)
где N — постоянная плотности шума,
N1 и У1 — параметры экспоненциальной функции.
При исследовании и измерении шума в домашнем и индустриальном окружении возможно нахождение выходной аппроксимации для параметров этой модели. В результате СПМ окрашенного фонового шума выражается формулами (11) и (12) для домашнего и индустриального использования соответственно [6]
/(МГц)
^0Фш(/) = -35 + 35-е' 3’6 ,
для домашнего окружения; (12)
/(МГц)
^ОФш(/) = -33 + 40-е' 8’6 ,
для индустриального окружения. (13)
Для аппроксимации узкополосных шумовых помех используется функция Гаусса, преимущество которой в малом числе параметров необходимых для описания модели. Кроме того, параметры могут быть найдены отдельно через измерения, что подтверждается малыми отклонениями [5]:
(/-/о,*)2
^(/) = Л-е ЪВ1 , (14)
Параметрами функции являются амплитуда — Ак, /ок — центральная частота и Вк полоса частот функции Гаусса.
Импульсный шум
Класс импульсного шума включает 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 этого класса
Рис. 10. Пример измерения импульсов в течение некоторого времени для PLC-сети
основывается на исследованиях и измерениях для типа 5, как показано на рис. 10.
Цель этих измерений и исследований — поиск выходных статистических характеристик шума, распределения вероятности импульсов и распределения времени между соседними импульсами, определяя время между двумя, следующими друг за другом, импульсами (рис. 11). Приближенная модель таких импульсов — это импульсная последовательность с шириной импульса — ^, амплитудой импульса — А, временем между двумя соседними импульсами
— га и обобщенной функцией пульсирования
— Р(/г,) с единичной амплитудой и шириной импульса — г и определяется формулой
до=ХАі-р
f
1-і.
с
(15)
Параметры г , А. и г . г-го импульса являет-
с с I а,1 *'
ся случайно изменяемыми, их статистические свойства измеряются и исследованы в [4]. Из-
мерения импульсов показывают, что в 90% случаев их амплитуда находится между 100 и 200мВ. Только менее 1% прев ышают амплитуду 2В. Измерения длительности импульсов ^ также показывают, что только около 1% измеренных импульсов имеют длительность превышающую 500^с, и только 0.2% более 1 мс. Таким образом, время между соседними импульсами в 90% случаев составляет 200мс. Другие 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 200мс, имеет экспоненциальное распределение.
Моделирование помех
Помехи могут иметь большое влияние в передаче для PLC-сетей различных сетевых уровней. Особое внимание следует уделять разработке МАС уровня. Рассмотрим моделирование помех, используемое в исследованиях.
Рис. 11. Модель импульса, используемая для моделирования класса импульсных шумов
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. С другой стороны, краткосрочные изменения шума в силовых линиях, происходят за счет асинхронных импульсных шумов (тип 5). Такие импульсы обладают длительностью от нескольких миллисекунд и высокой СПМ.
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-of модель помех разработана для представления влияния 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, такой PLC-канал передачи может представляться как on-off модель с двумя состояниями — Tn и Tf (рис. 12) [7].
Toff — это длительность импульса делающего канал нерабочим. Tn — это время без помех, когда канал находится в рабочем состоянии. Обе длительности импульсов помех и время между соседними импульсами могут быть представлены как две случайные переменные, которые имеют отрицательное экспоненциальное распределение, соответствующие поведению шума. [4, 8, 9]
Вывод
Низковольтные сети имеют сложную топологию, причем топология различных сетей может сильно варьироваться. Отличия определяются значениями фактических параметров, которые могут варьироваться, плотностью и активностью пользователей, 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, представленная с общей средой передачи. PLC-сети подразумевают общую среду передачи, это определяет необходимость разработки средств управления для среды доступа. Указанную функцию может исполнять базовая станция, которая контролирует доступ к среде для всей или только части данной PLC-сети.
Шумы PLC-сети представляют собой суперпозицию из пяти дополнительных типов шума, двух основных классов: 1) фоновый шум, который является стационарным на протяжении длительного времени, 2) импульсный шум, который является основным препятствием для свободной передачи данных. При воздействии импульсного шума возникают пакеты ошибок, длительность которых ограничена.
Для оценки параметров основных характеристик помех в PLC-системах, необходимо осуществлять измерение помех, которые могут оказывать влияние на сети, работающие в различном окружении: городском и сельском, коммерческом и индустриальном массиве; а также определяться применяемыми в PLC-системах технологиями (например, различными видами кабелей) и т.п. Отдельные состояния и реализации PLC-сетей могут значительно отличаться друг от друга, и результаты проведенных измерений могут сильно варьироваться от сети к сети. Следовательно, измерения необходимы не только для определения основных (усредненных) характеристик помех, но и также для описания каждой PLC-сети доступа в отдельности.
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. — 1989. — January.
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. Zimmermann, 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. Philipps, 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. Hrasnica, A. Haidine, 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. Zimmermann, Energieverteilnetze als Zugangsmedium fsur Telekommunikationsdienste, Dissertation, Shaker Verlag, Aachen, Germany, 2000, ISBN 3-8265-7664-0, ISSN 0945-0823, in German.
11. M. Zimmermann, K. Dostert, An analysis of the broadband noise scenario in powerline networks, International Symposium on Powerline Communications and its Applications (ISPLC2000), Limerick, Ireland, April 5-7, 2000.
УДК 621.39
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ СЕРВИСНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТРАКТОВ СКС
Аббасова Т. С.,
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»
Умудумов О. Ф.,
Корпорация компьютерных наук, Франкфурт-на-Майне, Германия
We are investigating the servicing of structured cabling for information transfer at 10 gigabit per second. This article describes the procedure of network testing and offers technical and organizational measures for the increase in average operating time reliability and decrease in time spent on network emergency maintenance.
Рассмотрены проблемы сервисного обслуживания структурированной кабельной проводки для передачи информационных потоков со скоростью 10 Гбит/с по кабелю из витых пар. Описан порядок организации тестирования сети. Предложены технические и организационные мероприятия для увеличения среднего времени безотказной работы и уменьшения времени на устранение отказа в работе сети.
