CC BY
193
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.316.722
Структура и способы телекоммуникационного доступа при передаче информации по электрическим сетям
И.А. Невструев, А.В. Арсеньев
Рассмотрены принципы построения и технические характеристики современных систем передачи информации по существующим электрическим сетям, в том числе по электропроводке.
Construction principles and technical characteristics of the modern power net transfer of the energy and information on present electrical networks and electric wiring are considered.
Введение
В области современных коммуникаций проблема "последней мили", пожалуй, одна из самых наболевших. Десятки компаний пытались решить эту проблему, вложив сотни миллионов долларов в разработку самых различных технологий, таких как xDSL, коаксиальные телевизионные кабели, беспроводной радиодоступ, передача данных через спутник и т.п. В настоящее время для передачи энергии и информации чаще всего применяются металлические кабели (витая пара, телефонные линии, линии передачи электроэнергии). И решение проблемы "последней мили" заключается в выборе наиболее дешевого, но при этом быстрого и надежного физического канала передачи информации.
Стоимость решения этой проблемы зависит от типа применяемых технологии и включает в себя стоимость линейной инфраструктуры (примерно 60 - 80% от общей стоимости), стоимость оборудования (20 - 30%) и стоимость проектирования, подготовительных инжиниринговых работ, частотных присвоений и т.д. (10 - 20%). Простым решением задачи может явиться использование электропроводящих кабелей. Как показывает практика, именно электропроводка, благодаря таким факторам как широкая повсеместная распространенность электрических сетей 0,2-0,4 кВ (низковольтные электросети), отсутствие необходимо-
сти проведения дорогостоящих работ, связанных с созданием траншей и колодцев, пробивкой стен и прокладкой кабелей, стимулирует повышенный интерес к себе как среде передачи данных. И она может стать той самой средой трансляции данных, которая позволит пользователям контактировать с Интернетом без каких-либо существенных ограничений. В последние годы заметно участились прецеденты внедрения подобных технологий, начиная от X10, BPL и заканчивая PLC (от англ. Power Lines Communication). Термин BPL (от англ. Broadband Power Line) был утвержден Федеральной комиссией США по связи FCC (от англ. Federal Communications Commission) в качестве официального определения систем, посредством которых осуществляется выход в глобальное информационное пространство через стандартные сети электроснабжения.
Виды телекоммуникационного доступа
Есть две возможности для модификации сетей доступа:
1) использование существующей сети;
2) построение новой сети доступа.
Использование существующей инфраструктуры для реализации сетевого доступа - очень привлекательное решение для сетевых провайдеров, которое объясняется его низкой стоимостью (рис. 1). Однако существующая инфраструктура
должна быть оснащена для предоставления современных телекоммуникационных услуг.
Построение нового сетевого доступа может быть реализовано за счет следующих технических средств: новой кабельной или оптической сети, беспроводной системы доступа, спутниковой системы.
В настоящее время оптические телекоммуникационные сети обеспечивают скорость передачи данных выше, чем в других телекоммуникационных технологиях. Часто возможно снижение стоимости транспортной сети WAN (от англ. Wide Area Network) за счет введения в ее состав оптической системы передачи. Следовательно, использование оптической сети связи экономически выгодно для области доступа. Это позволяет реализовать достаточную емкость передачи и самые разнообразные телекоммуникационные услуги.
Однако организация новой оптической или кабельной сети очень дорога, так как состоит из большого числа технологических этапов. Наконец, построение новой оптической или кабельной сети займет много времени. Причина в том, что проложенная новая сеть заканчивается, главным образом, в новом здании или районе с большой концентрацией абонентов (коммерческие предприятия и центры обслуживания, насыщенный промышленный сектор и т.д.).
Альтернативой реализации новой кабе
Мобильные беспроводные системы. Существуют законченные мобильные беспроводные системы, такие как DECT, GSM/GPRS и UMTS. Мобильные сети представлены большим числом сот для обслуживания широкого района связи, с гарантированным постоянным соединением для мобильных пользователей и зоной покрытия (сотовая связь). Частотный диапазон задан для каждой соты, обеспечивая связь между мобильными терминалами и базовыми станциями. Изменение частоты для соседних сот используется с целью снижения интерференции. Базовые станции, покрывающие соты, подключены к WAN. Беспроводные мобильные системы обеспечивают суммарную скорость передачи до 2Мб/с.
Фиксированные беспроводные системы. Так называемые WLL-системы (от англ. Wireless Local Loop) могут найти применение в сфере доступа, как и мобильные системы. WLL-системы используют базовую станцию ^ojojja^ соединяет
1 котосая с
WAN
нительно
пользователей, расположение небольшой области. В противоположность мобильным системам WLL-aбoнeнты имеют зафиксированные антенны, которые располагаются на высоких мачтах, зданиях или домах. Пользовательские станции размещаются в этих зданиях для предоставления различных услуг связи некоторому количеству индивидуальных пользователей. Следовательно, WLL-системы используют постоянное размещение базовых станций и абонентов и предоставляют лучшее ОСШ по сравнению с мобильными беспроводными системами. Скорость передачи данных также выше, чем в мобильных системах - до 10 Мб/с для нисходящей прямой передачи (от базовой станции к абоненту) и до 256Кб/с для восходящей (от абонента до базовой станции). Однако реальная скорость передачи данных различных WLL-систем постоянно возрастает за счет введения в эксплуатацию современного оборудования и новых технологий передачи данных.
КОУП Н ЁЙ^егодняшн™ день Д°машние беспровод-лънии/ ные сехи реализуются на так называемой WLAN-
или оптической сети являются Р^личн^0™озд0дяр^)|-|^л. Wireless Local Access Network -
СЖе Приме- iSpr'.TT'noRO ттмя я г.(
водные системы передачи, которые таюк няются в сфере доступа. Рассмотрим способы, которые могут быть использованы для реализации беспроводной сети доступа:
1) мобильные беспроводные системы;
2) фиксированные беспроводные системы;
3) спутниковые беспроводные системы.
риме- беспроводная сеть связи), которая обычно работает в зданиях и покрывает сравнительно небольшие расстояния, гарантируя скорость передачи данных примерно 20 Мб/с. WLAN-системы используются для покрытия комнат, коммерческих помещений или частных квартир (например, покрытие здания с близлежащими постройками). Это осуществляется за счет большого числа установленных ан-
Се
Дост
тенн, что дает возможность перемещения различных устройств связи в данной области покрытия, без нужды в проводных соединениях разного вида. Антенна находится в так называемой точке доступа, в которой осуществляется связь с проводной сетью. Таким образом, WLAN предназначена для предоставления различного рода коммуникационных услуг, в том числе доступа в глобальную сеть связи.
Обе (мобильная и фиксированная системы) дороги для использования в сетях доступа. Более того, покрытие больших массивов нуждается в высоком числе базовых станций и антенн, что также приводит к повышению стоимости сети. Наконец, максимальная скорость передачи данных, достигнутая в WLAN, ниже по сравнению со скоростью в оптических сетях.
Спутниковые беспроводные системы. Эти системы являются еще одной разновидностью систем для реализации сетевого доступа и сейчас главным образом используются для связи на большие расстояния. Низко- и средне- околоземные спутниковые орбиты используются для применения в сфере передачи данных. Такие спутниковые системы, как система Iridium, были разработаны для расширения существующих сотовых систем, в которых базовые станции (или их некоторая часть) размещены под спутниками. Однако системы спутникового доступа сейчас не представляются экономически выгодными из-за высокой цены на оборудование, и поэтому несколько спутниковых проектов недавно были свернуты (в том числе Iridium).
При построении новой сети связи, обычно требующей дорогостоящих вложений, для реализации сетевого доступа можно использовать уже существующую инфраструктуру за счет готовых проводных сетей, которые применяются для связи абонентов в качестве транспортных (промежуточных) сетей связи: классическая телефонная сеть, телевизионная кабельная сеть, электрическая силовая сеть.
Сейчас классические телефонные сети используют DSL-системы для обеспечения высокой скорости передачи данных в сфере доступа. Асимметричная DSL - это вариант DSL-технологии, обыкновенно используемый в сетевом доступе (например, в компании Deutshe Telekom - German Telecom). ADSL технически может гарантировать до 8 Мб/с для восходящего и до 640Кб/с для нисходящего направлений передачи при оптимальных условиях (расстояние, возможности
передачи в линии и т.д.). Структура DSL-сети доступа показана на рис. 2.
Абоненты, использующие DSL-системы доступа, подключены к центральному коммутационному узлу (например, местная офисная АТС). Структура сети - звезда, которая позволяет каждому DSL-пользователю работать на максимальной скорости передачи данных, независимо от других абонентов. Центральный узел, как правило, включен в основную сеть через распределительную систему, использующую высокоскоростную оптическую технологию передачи.
На сегодняшний день наибольшее применение услуг связи, использующих DSL-технологию, приходится на широкополосный доступ Интернет, для реализации которого со стороны пользователя необходимо соответствующее оборудование (например, DSL-модем). Однако такая возможность реализации классической телефонной услуги предполагает и получение различных видеосигналов (например, спутниковое телевидение, интерактивное видео и т.д.). Центральный узел предоставляет определенное число модемных соединений частным абонентам и выполняет функцию концентратора (DSL-мультиплексора), подключающего конечного DSL-пользователя к основной сети связи.
Таким образом, для реализации DSL-сетей доступа необходима только установка соответствующих модемов со стороны пользователя и центрального коммутатора. Однако в некоторых обстоятельствах, когда абонентские линии нуждаются в реконструкции и улучшении, физические возможности сетей не отвечают требованиям DSL-доступа. Максимальная скорость передачи данных в DSL-системах ограничена длиной абонентских линий и другими характеристиками передачи.
Телефонные сети обыкновенно принадлежат давно сформированным монопольным компаниям (основным провайдерам), и это большое неудобст-
во для новых сетевых провайдеров, предлагающих услуги через ADSL. В сетях кабельного телевидения (КТВ) возникает примерно та же ситуация. К тому же в них передача данных может происходить в двух направлениях, что приводит к дополнительным затратам. В этом случае абонентские линии могут модифицироваться для обеспечения приложений DSL-технологии, что также приводит к возрастанию цены. Поэтому, с точки зрения реализации альтернативного сетевого доступа, логично рассматривать возможность передачи данных через электрические сети связи, используя PLC-системы связи. PLC - новая телекоммуникационная технология, базирующаяся на использовании силовых электросетей для высокоскоростного информационного обмена, которая предназначена для работы в силовых электросетях низкого (180-400 В) и среднего (4-60 кВ) напряжения. Изначально наиболее узким местом данной технологии была низкая скорость передачи и слабая помехозащищенность. Появление более мощных DSP-процессоров (цифровые сигнальные процессоры) сделало возможным использование более сложных способов модуляции сигнала, таких как OFDM-модуляция (от англ. Orthogonal Frequency Division Multiplexing), что позволило значительно продвинуться вперед в реализации PLC-технологии и обеспечить скорости передачи данных, сравнимые со скоростью в сетях Ethernet и xDSL. Эта возможность открыла энергетическим компаниям прямой путь на новые рынки, так как линии электропередачи помимо выполнения своих основных функций стали работать как сети передачи данных. Энергетические и муниципальные компании, используя PLC-технологии для "домашних сетей", имеют возможность постоянного дистанционного мониторинга всех параметров потребления электроэнергии, воды, газа, тепла, транзакций по оплате любых видов услуг. PLC-технологии для "домашних сетей", как никакое иное решение, обеспечивают с максимальной эффективностью (набор и качество услуг при минимальной стоимости) задачу реализации концепции "интеллектуального дома", что позволяет говорить не только о возможностях мультимедиа с применением PLC-технологий, но и о сервисе по дистанционному мониторингу, охране жилища, управлению его режимами, ресурсами и пр. Следовательно, сама по себе возможность передачи данных по существующей электропроводке представляет большой практический интерес.
Основное преимущество PLC - это снижение стоимости эксплуатации и расходов на реализацию
новой телекоммуникационной сети. Широкополосные PLC в маломощных энергетических сетях - это эффективное ценовое решение для «последней мили» сетевых коммуникаций. В наше время проявляется интерес многих крупных организаций к оборудованию PLC-сетей доступа. Также появляется все большое число производителей PLC-продукции с заявленной скоростью передачи данных от 2 до 4 Мб/с и анонсирование новых PLC-систем со скоростью передачи данных 45 Мб/с и более, что является предпосылкой для возможного развития PLC-технологии во всем мире и возможности организации на ее основе отдельных (частных) сетей для коммерческого использования. Число пользователей PLC постоянно растет. Подобное оборудование для среднемощных и домашних PLC-сетей также развивается. Однако не существует стандартов для широкополосных PLC-сетей, в которых предполагается использовать полосы частот до 30 МГц. Проблема электромагнитной совместимости PLC-систем с другими телекоммуникационными системами и различными радиослужбами не была решена полностью. В то же время PLC-технология сейчас находится в той очень важной стадии, в которой закладываются основы для дальнейшего развития - это внедрение в телекоммуникационный мир наряду с другими конкурирующими широкополосными системами и освоение своей особой сферы применения.
Для построения коммуникаций на основе существующей электрической сети необходима установка так называемого PLC-модема, который обеспечивает передачу данных через силовые линии. PLC-модем преобразует сигнал данных, принимаемый от традиционных устройств связи (компьютеры, телефоны и т.д.) в виде, пригодном для передачи через силовые линии. Одновременно модем принимает сигнал данных из электрической сети и после соответствующего преобразования передает его устройствам связи. Таким образом, PLC-модемы являются необходимым интерфейсом для взаимосвязи между различными телекоммуникационными устройствами в электрической сети.
Электрические сети не разрабатывались для связи и не являются удобной средой передачи информации. Поэтому канал передачи PLC характеризуется большим частотно- зависимым ослаблением, изменяющимся сопротивлением и замиранием, а также высоким уровнем помех. Различные источники помех от множества электрических устройств, подключенных к сети, могут негативно влиять на PLC-систему, вызывая искажения при
передаче данных. Для обеспечения высокой скорости передачи данных PLC-системы используют передачу в частотном спектре до 30 МГц, в котором работают различные радиослужбы. К сожалению, PLC-сети действуют как источник электромагнитного излучения для окружающей среды и мешают другим службам, занимающим тот же частотный диапазон. Поэтому регулирующие органы устанавливают жесткие ограничения относительно электромагнитного излучения для PLC-сетей, в результате чего они работают с ограниченной мощностью. Это основная причина снижения протяженности сети и скорости передачи данных, а также и высокой чувствительности к помехам.
Передача данных в PLC-сетях обеспечивается по низковольтным силовым сетям, которые соединяют пользователей между собой и каждого в отдельности с так называемой базовой PLC-станцией, подключенной к сети доступа, - WAN, реализованной по традиционной технологи передачи данных. Следовательно, незначительное снижение скорости передачи внутри сети повлечет за собой заметное ее снижение для отдельного абонента, потому что PLC-сети доступа работают в общей среде передачи, в которой несколько пользователей конкурируют за использование одних и тех же ресурсов передачи (рис. 3).
Для повышения помехоустойчивости в среде передачи данных через силовые линии PLC-системы используют эффективную модуляцию с расширенным спектром (OFDM). Проблема помех также может быть решена за счет общеизвестных механизмов обработки ошибок (например, коррекция ошибок вперед (FEC), автоматический повтор передачи (ARQ)). Эти приложения занимают определенную часть емкости PLC-сети из-за повторной передачи дополнительной информации. Для обеспечения параллельного использования сетей при
заданном QoS используется эффективный контроль доступа к среде (сетевой MAC-уровень).
Стандарты PLC-систем
Связь через электрические силовые линии в соответствии с европейским стандартом CENELEC EN50065 предоставляется в полосе частот от 9 до 140 КГц для PLC (табл. 1).
Таблица 1. Характеристика используемых диапазонов частот
Диапазон Полоса частот, Гц Максимальная амплитуда передачи,В Сфера использования
А сК 10 Энергоснаб- жение
В <N in 1.2 Домашняя
С о in <N 1.2 Домашняя
CENELEC значительно отличается от стандартов США и Японии, которые предоставляют для PLC-систем полосу частот до 500 КГц.
По стандарту CENELEC возможная скорость передачи данных может быть размером только единицы килобит в секунду, что достаточно всего лишь для измерительных функций (устройств, управляемых по электрической сети, снятие данных с удаленных счетчиков и т.д.), передачи данных с очень низкой скоростью и работы небольшого числа каналов передачи речи. А для применения в современной телекоммуникационной сети PLC-системы должны предоставлять весьма высокую скорость (в пределах 2 Мб/с). Только в этом случае PLC-сети способны конкурировать с другими коммуникационными технологиями, особенно в сфере доступа.
Для реализации высокой скорости передачи данных PLC-системы передачи должны работать в широком спектре частот (до 30 МГц). Однако это противоречит стандартам, точно определяющим для PLC-систем частотный диапазон, определенный в нормах CENELEC, что в настоящее время вызывает оживленные споры по поводу стандартизации широкополосной PLC-сети между нижеперечисленными компаниями.
1. PLC-форум - интернациональная организация, намеревающаяся унифицировать и представлять интересы лиц, заинтересованных в распространении PLC по всему миру. PLC-форум организован по рабочим направлениям: технология, регламентирование, маркетинг и научное направление, и включает в себя более 50 организаций: компании-производители, энергетические компании, сетевые
провайдеры, исследовательские (научные) организации и т. д.
2. Альянс Home Plug Power line - непрофессиональная корпорация, сформированная для предоставления информации по созданию открытой спецификации высокоскоростного сетевого PLC-оборудования и услуг. Home Plug сориентирован на домашние PLC-решения и работает независимо от PLC-форума.
Активная стандартизация PLC-технологий также включена в работу Европейского Института Стандартов по телекоммуникациям и CENELEC.
Виды систем связи через силовые линии
Электрические силовые PLC-сети используются для возможностей коммуникации (передачи данных). Структура энергосети иллюстрируется на рис. 4. В этом случае электрические распределенные линии работают как среда передачи для предоставления различных телекоммуникационных услуг. Основная цель это снижение цены и расходов при реализации новой телекоммуникационной сети.
Высоко- и среднемощные электрические сети могут функционировать как коммуникационные сети для переноса информации на большие расстояния между зданиями. Низковольтные силовые сети распространены во всем мире в очень большом количестве, и на их основе могут реализовываться PLC-сети доступа. PCL может использоваться также в зданиях или домах для построения внутренней домашней PLC-сети, за счет существующих внутренних электрических линий. Но, так как постоянство размещения низковольтной сети является свойством электрического снабжения, конфигурацию PLC-сети будет сложно менять из-за того, что
каждый пользователь должен находиться около электрической розетки.
Внутренняя электрическая сеть может использоваться для реализации в ней различных автоматических служб. Применение домашних РЬС-систем дает возможность управления электрическими устройствами в здании или частном доме через центр контроля, что организуется без установки дополнительной сети связи. Типичные элементы автоматизации зданий, включенные в состав РЬС-сети, используются в системах охраны, для наблюдения за системами отопления, при контроле освещения и т.д.
Силовые системы, которые могут применяться как среда передачи для РЬС-сетей, подразделяются на три уровня.
1. Высоковольтные (110...380 кВ) сети, соединяющие подстанции больших регионов или крупных клиентов. Такие сети обыкновенно имеют большую протяженность и реализуются на открытых (воздушных) линиях.
2. Силовые сети средней мощности (1...110кВ) больших районов, городов и крупных индустриальных и коммерческих предприятий. Протяженность значительно меньше по сравнению с высоковольтными сетями. Сети средней мощности реализуются как на открытых, так и на скрытых силовых линиях.
3. Низковольтные сети (230/400 В, в США 110В) применяются на частных предприятиях или для одиночного пользователя в крупных организациях. Их протяженность не превышает нескольких сотен метров. В городских районах низковольтные сети реализуются на скрытых кабельных линиях, а в сельских районах - на воздушных.
Домовая электрическая сеть, где внутренняя проводка доходит к каждому потребителю, организована на основе низковольтной сети. Потребители подключаются к энергетической сети через электросчетчик.
Низковольтная сеть связывает многочисленных клиентов в разветвленную бытовую мировую сеть. Следовательно, применение РЬС-технологии в низковольтной сети представляется перспективным, учитывая число подключенных клиентов. Однако протяженность низковольтных сетей ограничена несколькими сотнями метров между пользователями и трансформаторной станцией, что является основой для использования РЬС-технологии в так называемой «последней миле» телекоммуникационных систем.
Элементы и узлы PLC-сети
Рассмотренные выше PLC-сети используют электрические линии как среду для передачи различных видов информации и реализации услуг автоматизации. Однако сигналы связи должны быть преобразованы в форму, применимую для передачи через электрические сети. Для осуществления этого PLC-сети содержат специфические элементы, с помощью которых осуществляется подготовка и конвертирование сигнала для его передачи по силовым линиям, а также прием сигнала. В сети доступа PLC всегда присутствуют следующие два устройства: PLC-модем и PLC-базовая станция.
PLC-модем (рис. 5). Этот модем связывает стандартное коммуникационное оборудование абонентов через силовые линии. В качестве пользовательского интерфейса для различных устройств связи могут предоставляться многие стандартные интерфейсы (Ethernet, Universal Serial Bus (USB) и др.). PLC-модем, подключаемый к силовым линиям, работает в двух направлениях: выдает сигнал связи в среду силовых линий и принимает его, а также выполняет функцию гальванической развязки с высокочастотным фильтром, отделяющим сигнал связи (0,9 - 30 МГц) от синусоидального напряжения в сети (50 или 60 Гц).
Рис. 5. Схема подключения РЬС-модема
Чтобы снизить электромагнитное излучение силовых линий, соединение реализуется между двумя фазами на крупных предприятиях и между фазой и нейтральным проводником при использовании в бытовых условиях. РЬС-модем выполняет все функции физического уровня, в том числе модуляцию и кодирование.
Следующий уровень связи (уровень канала передачи), также исполняемый в модеме, включает в себя МАС- (контроль доступа к среде) и ЬЬС-(контроль логической линии) подуровни (в 081
(взаимодействие открытых систем) приведена начальная модель).
Базовая PLC-станция. Она соединяет PLC-системы доступа с глобальной сетью с помощью различных телекоммуникационных технологий (рис. 6). Базовая станция не осуществляет подключение индивидуальных абонентских устройств, а только предоставляет множественные сетевые интерфейсы связи, такие как xDSL, синхронная цифровая иерархия (волокно) (SDH) для соединения с высокоскоростной сетью, WLL (от англ. Wireless Local Loop) для беспроводного подключения и т. д.
Рис. 6. Функции базовой РЬС-станции
Обычно базовая станция осуществляет управление РЬС-системой доступа, но реализация сетевого контроля или отдельных функций может быть осуществлена и распределенным способом, где некоторые функции управления могут выполняться и другими элементами сети. Например, каждый РЬС-модем может принимать контрольную информацию сетевых процессов и реализовывать соединение с основной сетью.
Повторитель. В некоторых случаях расстояния между абонентами РЬС-системы доступа, размещенными в низковольтной силовой сети или между абонентами и базовой станцией, могут быть большими. Для осуществления коммутации на длительных участках сети необходимо применять технологию повторения (рис. 7).
Повторители разделяют РЬС-сеть доступа на несколько сетевых сегментов, имеющих такую
длину, при которой РЬС-системой обеспечивается уверенная работа абонентских устройств (рис. 8). Сетевые сегменты разделяются по частоте (используя различные частотные диапазоны) или по времени (различные временные слоты). В последнем методе первый временной слот используется для передачи в первом сетевом сегменте, а другие слоты -в последующих сегментах.
При методе сетевой сегментации по частоте повторитель принимает передаваемый сигнал, имеющий частоту /1, усиливает и выдает его в сеть, но уже на частоте / В противоположность непосредственной передаче происходит изменение несущей частоты с / на /2. В зависимости от способа передачи и метода модуляции повторитель может содержать в себе также демодулятор и модулятор передаваемого сигнала, обрабатывая данные высшего сетевого уровня.
В первом сетевом сегменте, в котором размещена базовая станция в преобразователе и первом повторителе, сигнал передается в полосе частот /1. Другой частотный диапазон (/2) применяется в следующем сетевом сегменте. Независимо от физической топологии сети сигнал проникает в обе ветви сети. Теоретически частотный диапазон / может применяться в третьем сетевом сегменте. Тем не менее, если существует интерференция между сигналами от первого сегмента, третий частотный диапазон / применяется в третьем сетевом сегменте и диапазон / - в четвертом сегменте.
Частотный спектр, который может использоваться в PLC-технологии (почти до 30 МГц), ограничен и задается (или может быть задан) нормативными документами. Итак, ^увеличением числа различных частотных диапазонов общая полоса пропускания разделяется на малые порции, что значительно снижает сетевую емкость. Поэтому частотное планирование для сетевого PLC-доступа подразумевает обыкновенно низкое число возможных частот. Применение повторителей увеличивает протяженность сети, реализованной на
PLC-технологии, однако это приводит к возрастанию стоимости сети из-за увеличения количества оборудования и его монтажа. Следовательно, число повторителей, используемых в PLC-сетях доступа, по возможности должно быть малым.
PLC-шлюз. Существуют два способа связи PLC-абонентов через электрические розетки в PLC-сетях доступа: прямое соединение и непрямое соединение через шлюз.
В первом случае PLC-модемы наряду с базовой станцией подключаются напрямую в низковольтную сеть (рис. 9) и сигнал связи передается через электросчетчик. Однако возможности внешних и внутренних силовых сетей различны, что вызывает дополнительные проблемы в канале передачи PLC, а также в электромагнитной совместимости. Следовательно, для устранения этих проблем часто используют непрямое соединение, подразумевающее включение в состав PLC-сети доступа шлюза.
Шлюз используется для разделения РЬС-сети доступа и домашней РЬС-сети (рис. 10). Он также конвертирует передаваемый сигнал по частотам, которые заданы для использования в домашней сфере доступа. Такой шлюз обычно размещается около домашних электрических счетчиков ЭС. Однако РЬС-шлюз может предоставлять дополнительные функции, которые обеспечивают разделение доступа и домашних массивов также на
Рис. 10^одключение пользователей через шлюз
Рис. 11. Шлюзы в PLC-сети доступа
логическом сетевом уровне. Таким образом, PLC-модемы, включенные в домашнюю сеть, могут соединяться внутренне, без информационного потока в сфере доступа. Следовательно,
PLC-шлюз работает как локальная базовая станция, которая контролирует домашнюю PLC-сеть, координируя связь между внутренними PLC-модемами, а также между внутренними устройствами и PLC-сетями доступа.
Таким образом, шлюз может размещаться в любом месте PLC-сети доступа, обеспечивая восстановление сигнала (функция повторителя) и сетевое разделение на логическом уровне. Следовательно, PLC может быть разделена на несколько субсетей, которые используют ту же самую среду передачи (те же низковольтные сети), только существуют отдельно как разновидность виртуальной сети (рис. 11). Оба шлюза действуют как повторители, конвертирующие передаваемый сигнал по частоте /1 и /2 (или временной слот t1 и t2) так же, как /2 и /3 (или t2 и t3). Дополнительно шлюзы контролируют субсети 2 и 3, т. е. организуются внутренние коммуникации в субсети через соответствующий шлюз, которые не влияют на остальные PLC-сети доступа, подобно домашним сетям, использующим шлюз. Соединение между субсетями и базовыми станциями возможно только через соответствующий шлюз. Однако сеть может быть организована так, что базовые станции напрямую управляют абонентами.
Шлюз включается в сеть точно так же, как повторители. Возрастающее число шлюзов в PLC-сети также уменьшает сетевую емкость и увеличивает стоимость. Однако там, где повторители предоставляют только простой сигнал, передающийся через сетевой сегмент, шлюз может предоставлять более разумное разделение доступных сетевых ресурсов, обеспечивая высокую сетевую эффективность.
Проблемы построения PLC-систем
Технологии PLC представляются экономически выгодной альтернативой для реализации сетей доступа. Однако электрические силовые сети не разрабатывались для связи и, следовательно, не являются качественной средой передачи. Определим особенные проблемы исполнения, ограничивающие применение PLC-технологий, и представим некоторые решения этих проблем.
Характеристики передачи каналов низковольтных силовых линий показывают, что это неудобная среда для передачи информации. Силовые кабели обладают множественными нерегулярными соединениями между сетевым сегментом и пользователями и при переходе через открытые или скрытые линии. Кабели передачи характеризуются отражением и различным характеристическим сопротивлением. Дополнительно РЬС-сети изменяются по структуре (например, при увеличении числа новых клиентов), особенно в домашних РЬС-сетях, в которых каждое новое включение может изменить топологию сети.
РЬС-сети характеризуются многолучевым распространением из-за отражений от соединений кабелей и различных сопротивлений. Как результат - многолучевое распространение сигнала с частотно-зависимым ослаблением. Большое влияние на распространение сигнала оказывают разрывы линий, разветвления и окончания кабелей, где обязательно возникает отражение, а также селективное затухание.
Ослабление в РЬС-сетях зависит от длины и изменения характеристического сопротивления в линиях передачи. Многочисленные измерения показывают, что эти затухания в силовых линиях допустимы в сравнительно коротких кабелях (не более 200 - 300 м), но неприемлемы для длинных линий. Следовательно, протяженные РЬС-сети технически исполняются на повторителях.
Таким образом, в статье рассмотрены основные параметры построения, структура и способы телекоммуникационного доступа к системам передачи информации по существующим электрическим сетям.
ЛИТЕРАТУРА
1. H. Hrasnica, A. Haidine, R.Lehnert. Broadband Power-line Communications Networks, John Willey & Sons, 2004.
Поступила 13. 08. 2007 г.
