Технологии передачи данных по электропроводным линиям

Федеральное агентство  железнодорожного транспорта

Омский государственный  университет путей сообщения (ОмГУПС)

 

Кафедра «Автоматика  и системы управления»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕХНОЛОГИЯ  ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПО СИЛОВЫМ ЛИНИЯМ ЭЛЕКТРОПРОВОДКИ

Реферат по дисциплине «Информационные системы и взаимодействие видов транспорта»

 

 

 

Студент гр. ДОИС 7104   ________А. В. Войленко «__»________2013 г.   Руководитель   ________Н. Ю. Афоничев «__»________2013 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Омск  2013

Содержание

Ведение           3

1 Особенности  линий питания       4

2 Основные области применения       4

3 Архитектура взаимодействия       6

4 Базовые компоненты         7

5 Технологии и продукты          8

5.1 Параметры трансиверов  и модемов для линий электропитания  13

6 Передача данных  по электросетям      16

7 Power Line Communication        17

8 Решение частной задачи: высоковольтные линии    18

9 Широкополосная передача        19

10 HomePlug PowerLine Alliance       20

11 Стандарт оборудования от IEEE       22

12 Европейский PLC-стандарт       23

13 Глобалный курс развития        24

13 Реальные проекты         24

14 Проблемы PCL         25

Список используемых сокращений       26

Библиографический список        27

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В последнее  время наблюдается всплеск интереса к средствам передачи данных по линиям электропитания. Это обусловлено, прежде всего, повсеместно возрастающей потребностью в средствах телекоммуникаций как в глобальном, так и в локальном масштабах. Системы управления и мониторинга в промышленности и на транспорте, в медицине, энергетике, системах экологической безопасности и других областях человеческой деятельности становятся все более интеллектуальными и распределенными. Одновременно значительное распространение получают новые виды информационного обмена - средства домашней автоматики, сети малых и домашних офисов (SOHO), распределенные системы охранной и иной сигнализации, которые также нуждаются в развитой инфраструктуре средств связи. При этом определяющую роль играет экономический фактор: средства информационного обмена, являясь «инструментом» коммуникаций, должны быть дешевыми и повсеместно доступными.

 

Рисунок 1 – Особенности систем связи на базе различных физических сред

 

На фоне слабой инфраструктуры российской проводной  связи именно широкая распространенность электрических сетей, отсутствие необходимости проведения дорогостоящих работ, связанных с созданием траншей и колодцев, пробивкой стен и прокладкой кабелей, а также возможность формирования симметричных каналов связи рисунок 1 стимулируют повышенный интерес к электрическим сетям как среде передачи данных.

 

 

 

1 Особенности  линий питания 

Оговоримся  сразу, что далее речь пойдет о  передаче данных между узлами, подключенными  к одной фазе понижающего трансформатора, т.е. о передаче в пределах одной трансформаторной подстанции.

Сложность организации  связи по линиям электропитания заключается  в том, что существующие электросети  первоначально не предназначались  для передачи данных. Они характеризуются  высоким уровнем шумов и быстрым  затуханием высокочастотного сигнала, а также тем, что коммуникационные параметры линии, постоянные для традиционных физических сред, существенно меняются во времени в зависимости от текущей нагрузки. Специфической особенностью линий электропитания является и их разветвленная древовидная топология. Кроме того, при организации связи должны быть обеспечены электромагнитная совместимость и экранирование процессов передачи данных от собственно электропотребления.

Реализация  систем передачи данных по электрическим  линиям в России связана с дополнительными трудностями, заключающимися в том, что технические характеристики отечественных электрических сетей отличаются от характеристик сетей западных и пожалуй, (более важно), отсутствуют стандарты, определяющие главные параметры систем передачи данных по линиям электропитания.

2 Основные области  применения

В настоящее  время существует несколько стандартных  системных подходов к передаче информации по линиям питания. Различия между ними состоят прежде всего в ориентации на конкретный класс приложений, а также в методах и средствах обеспечения надежного информационного взаимодействия.

 

Рисунок 2 - Области  применения средств связи на основе электрических сетей

 

Важнейшие области  применения средств связи на основе электрических сетей показаны на рисунок 2. Каждый класс приложений характеризуется специфическими требованиями к скорости и дальности передачи, методу доступа и другим показателям, определяющим качество передачи.

К низкоскоростным  распределенным системам управления и учета относятся системы автоматического управления в цехах и на производственных территориях, системы жизнеобеспечения зданий (лифты, кондиционеры, вентиляция), складские системы, средства учета энергопотребления, системы охранной и пожарной сигнализации в дачных поселках, гаражных кооперативах и т.д.

Другой класс  приложений составляют средства домашней автоматики, позволяющие комплексно управлять бытовыми приборами вплоть до автоматического согласованного включения кофеварок и тостеров, а также вывода на телеэкран изображения с входной видеокамеры при появлении нежданных гостей. Сюда же можно отнести локальные сети для домашних и малых офисов, развернутые в пределах небольшого здания или отдельной квартиры.

Несомненный интерес  представляют примеры успешного использования электрических сетей для организации телефонной связи в поселках и на ограниченных территориях, а кроме того, для обеспечения высокоскоростного доступа в Internet. Прогресс в этой области может не только изменить расстановку сил на рынке Internet-провайдеров, но и вызвать к жизни новые принципы проектирования силовых электрических сетей и их оптимальной структуризации с учетом как энергетических, так и коммуникационных требований.

 

 

 

 

 

 

 

3 Архитектура  взаимодействия

Архитектура информационного взаимодействия на основе электросетей имеет иерархическую структуру; в обобщенном виде она представлена на рисунок 3. Даже в рамках одной прикладной области конкретные ее реализации отличаются методами надежной доставки данных на различных уровнях иерархии.

Рисунок 3 - Обобщенная модель протоколов для систем связи на основе сетей электропитания

 

Повышение надежности передачи на физическом уровне связано  с выбором способа модуляции  и частотного диапазона, с использованием методов цифровой обработки сигналов и адаптивного управления. Здесь в первую очередь следует отметить перспективность алгоритмов широкополосной (Spread Spectrum) модуляции, существенно повышающей помехоустойчивость передачи.

При использовании SS-модуляции мощность сигнала распределяется в широкой полосе частот, и сигнал становится незаметным на фоне помех. На принимающей стороне значимая информация выделяется из шумоподобного сигнала с использованием уникальной для данного сигнала псевдослучайной кодовой последовательности. С помощью различных кодов можно осуществлять передачу сразу нескольких сообщений в одной широкой полосе частот.  Описанный принцип лежит в основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA). Технологии SS-модуляции и CDMA подробно рассмотрены в литературе (главным образом, на примерах использования в сотовых телефонных сетях). Здесь лишь отметим, что помимо помехоустойчивости SS-модуляция обеспечивает высокий уровень защиты информации.

Основные способы повышения надежности передачи на канальном уровне следующие:

-  разбиение  пакетов данных на кадры небольшой  длины;

- использование  корректирующих кодов для выявления  и исправления ошибок;

• применение низкоуровневых протоколов надежной передачи на основе подтверждений приема коротких кадров; 
• использование эффективных методов управления доступом к среде передачи данных.

 

Короткие пакеты позволяют увеличить не только вероятность  достоверной передачи порции данных, но и эффективность адаптации  передающей стороны к быстро меняющимся характеристикам сети. При использовании широкополосной модуляции это выражается в оптимальном перераспределении мощности сигнала в полосе частот с учетом фактического спектра помех.

Некоторые фирмы  разработали оптимизированные протоколы доступа к среде, учитывающие особенности «электросетевых» приложений и зашумленность линий питания. Поскольку значительная часть таких приложений (автоматический учет, охранная сигнализация, домашняя автоматика) предполагает наличие в сети одного активного узла, для обеспечения доступа целесообразно использовать методы опроса или передачи маркера. Это снимает проблемы распознавания несущей в зашумленных сетях и необходимость выявления коллизий. В целях повышения надежности самого управления доступом используется принцип «трехкратного рукопожатия» при передаче маркера.

4 Базовые компоненты

Типовая функциональная схема и основные компоненты коммуникационного  узла «электрической сети связи» представлены на рисунок 4.

Рисунок 4 - Блок-схема коммуникационного узла

 

Ядром коммуникационного  узла являются контроллеры сетевого, канального и физического уровней; последние часто называются также  приемопередатчиками или трансиверами. Как правило, эти компоненты реализуются  на базе универсальных либо специализированных микропроцессоров и выпускаются рядом фирм в виде наборов микросхем.

Изолирующий (соединительный) модуль в общем случае осуществляет две функции: изолирует аппаратуру коммуникационного узла от напряжения питания и выделяет информационный сигнал из силового напряжения. Обычно этот модуль выполняется из отдельных радиоэлектронных компонентов.

Некоторые фирмы изготавливают  специальные микросхемы усилителей мощности, позволяющие передавать сигнал на большие расстояния. На основе этих компонентов может быть построен электромодем со стандартным или заказным интерфейсом пользователя.

Для обеспечения совместимости  изделий различных производителей (в рамках одного класса приложений) предпринимаются усилия по стандартизации технологий передачи информации по линиям питания.

 

5 Технологии  и продукты

Наиболее распространенными  технологиями передачи данных по электрическим  сетям 120/220 В являются:

- X-10 одноименной  фирмы;

- CEBus компании Intellon;

- LonWorks корпорации Echelon;

- Adaptive Networks, предложенная фирмой с таким же названием;

- DPL 1000 производства NOR.WEB; 

Технология X-10 разработана в 1978 г. корпорацией Х-10 с ориентацией на задачи дистанционного управления светильниками и простейшими бытовыми приборами. Для передачи двоичной информации здесь используется генерация коротких радиоимпульсов частотой 120 кГц в момент перехода переменного напряжения через ноль. Выбор такой схемы кодирования обусловлен тем, что нулевое значение напряжения характеризуется меньшими уровнями шумов и влияния других устройств, подключенных к сети.

Двоичной «1»  соответствует передача частоты 120 кГц в течение 1 мс, а двоичному  «0» - отсутствие радиоимпульса. В целях  уменьшения ошибок для передачи одного бита используются два перехода через  ноль. Поэтому скорость передачи ограничена величиной 60 бит/с (для сети 120 B, 60 Гц).

Прикладному уровню соответствует язык управления простейшими  устройствами. Полная команда Х-10 состоит  из двух пакетов, разделяемых интервалами  в три периода для ее передачи требуется 47 циклов или приблизительно 0,8 с.

Контроллеры и  адаптеры Х-10 выпускаются многими  фирмами США. В ряде стран Европы доступны продукты Х-10, адаптированные к европейским электросетям. Стоимость  модулей Х-10 колеблется от 8 долл. за пассивный приемник до 50-100 долл. за многофункциональное активное устройство.

Основными недостатками системы на базе Х-10 являются низкая скорость передачи и функциональная ограниченность.

Технология Intellon CEBus (Intellon SSC) создавалась компанией Intellon для передачи данных по линиям электропитания (120 В, 60 Гц) в соответствии со стандартом домашней сети CEBus (более подробную информацию об этом стандарте можно найти в Internet по адресу http://www.CEBus.com). Стандарт CEBus (EIA-600) определяет требования, которые сделают возможным взаимодействие бытовых приборов и устройств домашней автоматики на основе различных физических сред передачи: линий электропитания, радио- и инфракрасных каналов, коаксиального кабеля и др. Модель CEBus включает протоколы прикладного, сетевого, канального и физического уровней эталонной модели OSI.