ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ ПО ЛИНИЯМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ ПО ЛИНИЯМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
В. ЗАБОРОВСКИЙ, Ю. ПОДГУРСКИЙ, г. Санкт-Петербург

Исследования по использованию электрических сетей для передачи информации ведутся давно. В нашей стране эти работы касались, главным образом, построения систем высокочастотной связи по высоковольтным линиям электропередачи (ЛЭП). В последнее время возрос интерес к передаче данных по кабельным силовым линиям и внутренней электропроводке напряжением 220/380 В. Этот интерес обусловлен широкой распространенностью и доступностью электрических сетей, возможностью организации симметричных каналов связи, отсутствием необходимости проведения дорогостоящих кабельных работ.
В публикуемой ниже статье речь идет о передаче данных между устройствами, подключенными к одной фазе понижающего трансформатора, т. е. в пределах одной трансформаторной подстанции.

Области применения ЛЭП для передачи информации. В настоящее время существует несколько системных подходов к передаче информации по линиям питания. Их основное различие состоит в ориентации на конкретный класс приложений, а также в методах и средствах обеспечения надежного информационного взаимодействия. Каждый класс приложений характеризуется специфичными требованиями к скорости и дальности передачи, методу доступа и другим параметрам качества передачи.
Международная ассоциация International Powerline Forum рассматривает в качестве наиболее перспективных следующие области использования линий электропитания для связи: низкоскоростные распределенные системы управления и учета, домашнюю автоматику, локальные сети для домашних и малых офисов (SOHO), телефонию, доступ к Интернет.
К первому классу относятся: системы жизнеобеспечения зданий (лифты, кондиционеры, вентиляция), перекачивающие и складские системы, бензоколонки, системы учета энергопотребления, охранной и пожарной сигнализации в садоводствах, гаражах, музеях и т. д. Этот класс приложений характеризуется невысокими требованиями к скорости передачи (0,3... 1,2 кбит/с) и небольшими объемами передаваемых данных. Требования по дальности связи определяются размерами здания, цеха, территории и находятся в пределах 300...400м.
Другой класс приложений составляют системы домашней автоматики, обеспечивающие комплексное управление бытовыми приборами на основе единых правил информационного взаимодействия. В развитых странах бурное развитие систем домашней автоматики привело к появлению стандартных системных технологий (CEBus, LonWorks) и новых отраслей промышленности, ориентированных на средства домашней автоматики.
В "умных домах" (smart house) уже сейчас автоматически регулируется освещение, автоматически включаются кофеварки и тостеры, входная видеокамера сама переключается на телеэкран при появлении неожиданных гостей, а стиральные машины и подогреватели сами определяют оптимальное время работы с учетом льготных тарифов на энергоносители. Функционирование таких систем локализовано в пределах одной квартиры, коттеджа. Требуемая скорость передачи - 1,2... 4,8 кбит/с, дальность связи - 50...100м.
К отдельному классу следует отнести локальные сети для малых и домашних офисов (SOHO), также функционирующие в рамках одного помещения, но требующие большей пропускной способности (100... 1000 кбит/с).
Большой интерес представляют примеры успешного использования электрических сетей для организации телефонной связи в поселках и на небольших территориях, а также для обеспечения высокоскоростного доступа к глобальной сети Интернет. Прогресс в этой области может не только изменить расстановку сил в среде Интернет-провайдеров, но и привести к новым принципам проектирования силовых электрических сетей, их оптимальную структуризацию с учетом как энергетических, так и коммуникационных требований.
Информационное взаимодействие на основе электросетей имеет иерархическую структуру. На рис.1 показана модель протоколов типовой "домашней сети" (CEBus, EHS) и ее взаимосвязь с эталонной моделью взаимодействия открытых систем. Как видно из рисунка, в "домашних сетях" могут использоваться различные физические среды передачи. Линии электропитания представляют собой лишь один из сегментов такой сети.

Puc.1
Даже в рамках одной прикладной области конкретные проекты отличаются методами обеспечения надежной доставки данных на различных уровнях взаимодействия.
Повышение надежности передачи на физическом уровне связано с выбором метода модуляции и частотного диапазона, использованием методов цифровой обработки сигналов и адаптивного управления модуляцией. Здесь наиболее перспективна широкополосная модуляция (Spread Spectrum - SS), существенно повышающая помехоустойчивость передачи.
При использовании этого метода мощность сигнала распределяется в широкой полосе частот и появляется возможность распознавания сигнала даже при высоком уровне шумов. Принципы и разновидности SS-модуляции достаточно подробно рассмотрены в литературе (в основном на примерах использования в сотовых телефонных сетях) [1,2]. Здесь лишь отметим, что SS-модуляция лежит в основе стандарта "домашней шины" CEBus (Стандарт EIA-600).
Основными путями повышения надежности передачи на канальном уровне являются разбиение пакетов данных на кадры небольшой длины, использование корректирующих кодов для выявления и коррекции ошибок, применение протоколов надежной передачи на основе подтверждений или многократного дублирования, использование эффективных методов управления доступом к среде.
Короткие пакеты позволяют повысить не только достоверность передачи порции данных, но и скорость адаптации передающей стороны к непрерывно изменяющимся характеристикам сети. При использовании широкополосной модуляции это выражается в оптимальном перераспределении мощности сигнала в полосе частот с учетом фактического распределения спектра помех.
Некоторые фирмы разработали для доступа к среде специальные протоколы, оптимизированные к "электросетевым приложениям" и учитывающие "зашумленность" линий питания. Поскольку значительная часть "электросетевых приложений" (автоматический учет, охранная сигнализация, домашняя автоматика) предполагает наличие в сети одного активного узла, целесообразно использовать методы опроса или передачи маркера (т. е. фиксированной очередности доступа). Это снимает проблемы распознавания "несущей" в зашумленных сетях и необходимость выявления коллизий. Для обеспечения совместимости изделий различных производителей предпринимаются усилия по стандартизации технологий передачи информации по линиям питания.
Наиболее распространенными технологиями передачи данных по электрическим сетям 120/220 вольт являются: Х-10 (www.xlO.com); Intellon CEBus (www.intellon.com); Local Operation Neft/Vorks - LonWorks (http://www.echelon.com); Adaptive Networks (http://www.adaptivenetworks.com).
Краткое описание и сравнительный анализ этих технологий приведены в [3]. Здесь лишь подчеркнем, что они соответствуют американским стандартам на линии электропитания и спецификациям Федеральной комиссии США по связи (FCC).
В отличие от американских, европейские разработки еще не получили широкого распространения и находятся в стадии "обкатки". Из европейских системных решений следует отметить технологию "домашней" сети HYPERLINKEHS, а также технологию высокоскоростного (1 Мбит/с) доступа к Интернет DPL 1000 (http://www.nor.webdpl.com).
Технология "домашней" сети EHS (European Home Systems) соответствует стандартам CENELEC (Committee European de Normalisation Electrotechnique - Европейский комитет стандартов по электротехнике) и в части линий электропитания (рис.1) ориентирована на электромодем с частотной модуляцией (FSK) фирмы SGS-Thomson. Максимальная скорость передачи - 2400 бит/с. Локальные сети на основе DPL 1000 обеспечивают постоянное прямое подключение пользователей к Интернет без использования телефонных абонентских линий. Фрагмент распределительной электрический сети, подключенный к низковольтной обмотке понижающего трансформатора, используется в качестве локальной сети (рис. 2). Для этого используют следующие аппаратные средства: главная станция, обеспечивающая подключение локальной сети к каналам Интернет; базовая станция, реализующая подключение информационной локальной сети к низковольтным силовым линиям питания; устройство сопряжения, устанавливаемое на входе силового кабеля в дом и обеспечивающее стыковку с внутренней (домашней) информационной сетью; коммуникационный модуль (модем), подключаемый к компьютеру, на котором реализуется коммуникационное ПО.

Puc.2
Проникновение в Россию новых технологий передачи данных неизбежно потребует обеспечения совместимости разработок различных производителей, а также новых и существующих систем. Для этого необходимо разработать отечественные стандарты и рекомендации, упорядочивающие различные аспекты построения систем связи по линиям электропитания. В первую очередь, это касается систем удаленного считывания показаний счетчиков и систем домашней автоматики.
Опыт взаимодействия авторов с разработчиками средств и систем учета энергопотребления показал нескоординированность деятельности как частных, так и государственных структур. Бесконтрольный выбор частотного диапазона, внедрение собственных протоколов, использование различных интерфейсов, произвольное формирование массивов передаваемых данных и прочие "инициативы" недопустимы и небезопасны при создании "электрических" систем связи.
На наш взгляд, удачная разработка отечественного стандарта для "домашней" информационной шины (безусловно, согласованного с западными аналогами) может привести к появлению нового широкого рынка интеллектуальных бытовых приборов и способствовать возрождению отечественной промышленности.
Особое внимание следует уделить разработке стандартов широкополосной передачи данных по линиям электропитания. Уже сейчас новые технологии допускают возможность широкополосной передачи со скоростями до 1 Мбит/с. При этом применяются частоты, традиционно относящиеся к радиодиапазону. (В России на частотах свыше 150 кГц осуществляется радиовещание в диапазоне ДВ). Несмотря на малые мощности сигналов, используемых для передачи в линиях электропитания, излучение на небольшом расстоянии от этих линий может влиять на работу радиоприемников и других радиоэлектронных устройств. Это требует осторожного подхода к выбору частот для передачи по линиям питания и, в общем случае, государственного контроля за распределением доступных диапазонов радиочастот между традиционными беспроводными пользователями и новыми технологиями, использующими проводные линии (DPL, ADSL,XDSL и др.)
Следует внимательно оценить возможность применения технологий и средств передачи данных зарубежных фирм, получивших лицензии от своих национальных радиокомитетов.
При разработке стандартов широкополосной передачи и выборе частотного диапазона полезен опыт взаимодействия корпорации NOR.WEB и национального радиокомитета Великобритании по согласованию и утверждению стандарта для технологии DPL 1000. В настоящее время передача информации по технологии DPL осуществляется в полосе шириной 2 МГц в диапазоне 2,2... 10 МГц и обеспечивает возможность глобального применения с многократным модульным использованием спектра.
Возможно, появление новых технологий связи по линиям питания будет учитываться и в новых редакциях строительных норм и правил (СНиП), правил устройства электроустановок (ПУЭ) и других руководящих документах. Здесь могут возникнуть проблемы из-за того, что линии электропитания не имеют единого хозяина: вторичная обмотка трансформатора и кабель до ввода в дом принадлежат поставщикам электроэнергии, разводка внутри здания - собственнику здания (ЖСК, частник), проводка внутри квартир - собственнику квартиры. Тем не менее все эти участки электросети составляют единую электрическую цепь и единую физическую среду передачи данных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Резников Д., Колейкин В., Любимов Б., Куликов В. ШПС - эволюция или революция. - Радио, 1998, № 3, с. 54-56.
2. Боровков К., Малыгин И. Перспективные способы модуляции в широкополосных системах передачи данных. - http://www.aqua. comptek.ru/dss/Spread.htm.
3. Заборовский B.C., Подгурский Ю. Е. Технологии и компоненты передачи данных по линиям электропитания. - Сети, 1999, № 10, с. 38 - 47.

Радио 3/2003, с.71-72.