Анализ технологии PLC

В данной работе общие положения о PLC и для рассмотрения выбран стандарт HomePlug AV. В практической части идёт сравнения HomePlug AV и Wi-Fi. Работа была защищена на 5! ...

Введение
1 Принцип работы и стандарты PLC технологии
1.1 Принцип функционирования PLC технологии
1.2 Фазовая модуляция в PLC технологии
1.3 Стандарты технологии PLC
2 Стандарт HomePlug AV
2.1 Принцип работы HomePlug
2.2 Преимущества и недостатки технологии PLC
3 Анализ стандарта HomePlug AV
3.1 Выбор программного обеспечения
3.2 Выбор сетевого оборудования
3.3 Тестирование HomePlug AV
3.4 Выводы
Заключение
Список литературы

Большой интерес к возможности передачи информации по электросети появился с развитием интернета. Корпоративные пользователи зачастую могут позволить себе подключение с использованием дорогостоящих технологий, однако для подавляющего большинства домашних пользователей, которых значительно больше, это едва ли приемлемо.

Если предположить, что передатчик распространяет гармонический сигнал yin=Asin2πνt с частотой несущей ν и амплитудой A, то в приёмнике будет получен сигнал , где ti - задержка распространения сигнала по i-му пути (рис.4).Рис.4 - Модель многолучевого распространения сигнала (экранная копия)Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. Дело в том, что при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определённые частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, - противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте (рис.5).Рис.5 - Искажение сигнала за счёт присутствия многолучевой интерференции (экранная копия)В многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, различают два крайних случая. В первом случае максимальная задержка между различными сигналами не превосходит времени длительности одного символа, и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором случае максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI - рис.6) [9].Рис.6 - Возникновение межсимвольной и внутрисимвольной интерференции (экранная копия)Наиболее отрицательно на искажении сигнала сказывается межсимвольная интерференция. Поскольку символ - это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, то для различных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, поэтому восстановить исходный сигнал крайне сложно.Поэтому в технологии PCL используется метод передачи кодированых данных, который состоит в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведётся параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счёт одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи в отдельном подканале может быть и не высокой. Если скорость передачи обозначить Si в i-ом частотном канале, то общая скорость передачи посредством N каналов будет равной: Поскольку в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, это создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции. Ортогональность несущих сигналов можно обеспечить в том случае, если за время длительности одного символа несущий сигнал будет совершать целое число колебаний. Примеры нескольких несущих ортогональных колебаний представлены на рис.7.Рис.7 - Ортогональные частоты (экранная копия)При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой - достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу. С точки зрения математики ортогональность функций означает, что их произведение, усреднённое на некотором интервале, должно быть равно нулю. В данном случае это выражается простым соотношением: , где T - период символа, fk,fl - несущие частоты каналов k и l.Рис.8 - Символ длительностью T и его спектр (экранная копия)Учитывая, что каждый передаваемый символ длительности T передаётся ограниченной по времени синусоидальной функцией, нетрудно найти и спектр такой функции (рис.8), который будет описываться функцией , где fi - центральная (несущая) частота i-го канала.Такой же функцией описывается и форма частотного подканала. При этом важно, что хотя сами частотные подканалы могут и перекрывать друг друга, однако ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, отсутствие межканальной интерференции (рис.9) [8].Рис.9 - Частотное разделение каналов с ортогональными несущими сигналами (экранная копия)Перед тем как отдельные поднесущие частоты будут объединены в один сигнал, они претерпевают фазовую модуляцию (рис.10), каждая - своей последовательностью бит.Рис.10 - Фазовая модуляция (экранная копия)После этого все они проходят через PowerPacket engine и собираются в единый информационный пакет, который еще называют OFDM-symbol. На рис.11 приведен пример относительной квадратурной фазовой манипуляции (DQPSK - Differential Quadrature Phase Shift Keying) на каждой из 4-х поднесущих частот в диапазоне 4-5 МГц.Рис.11 - DQPSK модуляция (экранная копия)Реально в технологии Powerline стандарта HomePlug 1.0 используются 84 поднесущие частоты в диапазоне 4-21 МГц. Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM).Рис.12 - Осуществление обратного быстрого преобразования Фурье для получения N ортогональных частотных подканалов (экранная копия)Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное (рис.12).Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если говорить точнее, то сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создаёт предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является понятие охранного интервала (Guard Interval, GI) - это циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое вначале символа (рис.13). Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приёме символа в приёмнике, но именно она служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции.Рис.13 - Охранный интервал, пристраиваемый в начало символа (экранная копия)Наличие охранного интервала создаёт временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает (рис.14).Рис.14 - Принцип использования охранного интервала при передаче данных (экранная копия)Теоретическая скорость передачи данных при использовании параллельных потоков с одновременным фазовым модулированием сигналов составляет более 100 Мб/с.Адаптация к физической среде, устранение ошибок и разрешение конфликтов. При передаче сигналов по бытовой сети электропитания могут возникать большие затухания в передающей функции на определенных частотах, что приведет к потере данных [5].В технологии Powerline предусмотрен специальный метод решения этой проблемы - динамическое выключение и включение передачи сигнала (dynamically turning off and on data-carrying signals). Суть данного метода заключается в том, что устройство осуществляет постоянный мониторинг канала передачи с целью выявления участка спектра с превышением определенного порогового значения затухания. В случае обнаружения данного факта использование этих частот на время прекращается до восстановления нормального значения затухания.Данный метод делает технологию Powerline максимально гибкой при использовании в различных условиях. Например, в разных странах существуют различные регулирующие правила, согласно которых часть диапазона частот не может быть использована. При этом, в случае Powerline, в этом диапазоне просто не будут передаваться данные. Еще одним примером является случай, когда некое приложение уже использует часть диапазона. Аналогично первому случаю, в этом также выключается передача данных на определенных частотах, и два приложения могут спокойно сосуществовать в одной физической среде.Другой серьезной проблемой при передаче данных по бытовой электросети являются импульсные помехи (до 1 микросекунды), источниками которых могут быть галогеновые лампы, включение и выключение различных электроприборов и т.д.При использовании предыдущего метода система может не успеть адаптироваться к быстро изменившимся условиям, в результате часть битов будет разрушена и утеряна. Для решения этой проблемы используется двухступенчатое (каскадное) помехоустойчивое кодирование битовых потоков перед тем, как они будут промодулированы и поступят в канал передачи данных. Суть помехоустойчивого кодирования состоит в добавлении в исходный информационный поток по определенным алгоритмам избыточных ("защитных") битов, которые используются декодером на приемном конце для обнаружения и исправления ошибок. Каскадирование блочного кода Рида-Соломона и простого сверточного кода, декодируемого по алгоритму Витерби, позволяет исправлять не только одиночные ошибки, но и пакеты ошибок, обеспечивая тем самым практически 100% гарантию целостности передаваемых данных. Кроме того, помехоустойчивое кодирование является и способом технического закрытия, обеспечивающего относительную безопасность передаваемой информации в общей среде передачи.Ещё одним проблемным моментом является то, что сеть бытового электропитания служит общей средой передачи данных, то есть в один момент времени передачу могут осуществлять сразу несколько устройств. В такой ситуации для разрешения конфликтов столкновения трафика необходим регулирующий механизм - протокол доступа к среде. В качестве такого протокола был выбран хорошо известный Ethernet, который в технологии Powerline был расширен путем добавления дополнительных полей приоритезации. Такая модификация вызвана необходимостью гарантированной полосы пропускания для передачи голоса и видео через IP, когда величина задержки является критичным параметром. Пакеты, содержащие голос или видео в этом случае помечаются как "timing critical", т.е. имеют самый высокий приоритет при обработке и доступе к среде передачи [6]. 1.3 Стандарты технологии PLCОсновными организациями и сообществами, занимающимися вопросами стандатизации различных аспектов этой технологии, являются IEEE, ETSI, CENELEC, OPERA, UPA и HomePlug Powerline Alliance.IEEE. В июле 2004 года IЕЕЕ объявил о создании группы, которая будет заниматься разработкой стандарта ВPL. Проект носит наименование IEEE P1675, "Standard for Broadband over Power Line Hardware". Помимо IEEE P1675 существуют еще три направления:IEEE P1775, инициированное 12 мая 2005 года с целью регламентирования PLC-оборудования, требований по электромагнитной совместимости, методов тестирования и измерения;IEEE P1901, "Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications", обеспечивающее описание физического уровня и уровня доступа к среде для всех классов ВPL-устройств;IEEE BPL Study Group, "Standardization of Broadband Over Power Line Technologies", обеспечивающее создание новых групп, связанных с BPL.ETSI. Европейский институт по стандартизации в области телекоммуникаций сформировал технический комитет ETSI Technical Committee Power-Line Telecommunications (ТС PLT), отвечающий за стандартизацию в области PLC.CENELEC. CENELEC - некоммерческая организация, состоящая из Национальных электротехнических комитетов государств-членов ЕС, которая является самой значительной организацией в ЕС в области стандартизации электромагнитных полей. Применительно к PLC, CENELEC выполняет создание спецификаций PLC для физического уровня и подуровня доступа к среде передачи; принят соответствующий стандарт EN55022.OPERA. Консорциум Open PLC European Research Alliance (OPERA) создан в 2004 году в рамках европейской программы Broadband for All по продвижению технологий скоростного интернет-доступа. Работа OPERA состоит из двух этапов, на выполнение каждого из которых отведено два года.Основным инициатором и источником финансирования является Европейская комиссия. Суммарный бюджет составляет более 40 миллионов евро, значительная часть сумм выделяется в рамках программы FP6. Всего в проекте участвуют более 30 компаний и исследовательских институтов из 12 стран.Подготовленные к настоящему моменту спецификации OPERA охватывают уровни PHY, MAC и оборудование передачи данных по сетям электроснабжения.UPA. Ассоциация UPA была официально анонсирована в декабре 2004 года. Основной декларируемой целью UPA является пропаганда технологий PLC и демонстрация правительствам стран и индустриальным лидерам перспектив ее масштабного использования. UPA занимается разработкой стандартов и регулирующих документов для обеспечения быстрого развития рынка PLC. Обеспечивает участников рынка сведениями об открытых стандартах, основанных на совместимости и безопасности.HomePlug Powerline Alliance. Для широкого внедрения и развития технологии HomePlug (одна из первых технологий передачи по силовым линиям), стандартизации и совместимости устройств различных изготовителей, использующих эту технологию, в 2000 году был организован международный индустриальный альянс HomePlug Powerline. Сегодня более 80 фирм являются спонсорами, участниками альянса, а также придерживаются его рекомендаций. Среди них такие известные фирмы как: Motorola, France Telecom, Philips, Samsung, Sony, Matsushita, Sanyo, Sharp, Panasonic и многие другие. Зарегистрированный знак альянса "HomePlug Certified" на продукции любого изготовителя означает, что данное устройство удовлетворяет всем требованием стандарта HomePlug Powerline и полностью совместимо с аналогичными устройствами другого изготовителя [10]. 2 Стандарт HomePlug AV 2.1 Принцип работы HomePlug AVГлавное преимущество стандарта HomePlug AV, отличающее его от конкурентных технологий — это скорость и устойчивость связи в условиях помех, создаваемых бытовыми приборами в электросети. Сравнительные тесты технологий показали, что HomePlug AV на сегодняшний день — это единственная альтернатива кабелю Ethernet для трансляции по дому широковещательного (multicast) потока IP-телевидения и передачи видео высокой четкости (High Definition Video). Поэтому в данной курсовой работе я выбрал именно этот стандарт.В 2000 г. ведущие производители электронного оборудования (Cisco, Compaq, Enikia, Intel, Intellon, Motorola,3Com, Texas Instruments и др.), так или иначе заинтересованные в развитии PLC-технологии, объявили о создании альянса HomePlug Powerline Alliance. Эта организация была призвана упорядочить процесс разработки новых технологий передачи данных по электросети и выработать единую систему открытых спецификаций. Образование альянса HomePlug явилось, по сути, запоздалой реакцией ведущих производителей на существующую ситуацию на PLC-рынке, поскольку уже много лет небольшие мобильные компании разрабатывали, производили и внедряли соответствующее PLC-оборудование. Штаб-квартира альянса HomePlug Powerline расположена в г. Сан-Рамон (Калифорния). По форме членства компании-участники альянса разделены на четыре группы: спонсоров и организаторов (Cisco, Gigle, Comcast, GE Energy, Intel, Intellon, NEC, Motorola и Spidcom) — представителей компаний, принимающих участие в руководстве альянсом (членов совета директоров); постоянных участников, в число которых входят представители компаний Arkados, Corporate System Engineering, Renesas, Texas Instruments и Yitran; группы из более чем 20 компаний в ранге участников и ассоциированных членов, которых сегодня насчитывается более 40 [5].Первый стандарт HomePlug 1.0 появился благодаря усилиям альянсав 2001 г. В этом стандарте во многом использовались достижения одного из наиболее удачливых его прототипов (имеются в виду спецификации IntellonPowerPacket, разработанные американской компанией Intellon). Интересноотметить, что вслед за разработкой первого варианта спецификаций HomePlug 1.0 последовал этап испытаний в сети, обслуживающей примерно 500 зданий, и лишь успешное тестирование созданной сетевой инфраструктуры позволило перейти к выпуску официальной версии стандарта. Уже в прототипе Intellon PowerPacket был использован метод OFDM-модуляции (Orthogonal Frequency Division Multiplexing— мультиплексирование с ортогональным частотным разделением) с возможностью адаптации к параметрам физической среды передачи.В основе технологии, предложенной в стандарте HomePlug 1.0, лежит метод передачи, при котором высокоскоростной поток данных разделяетсяна несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которыхпередается на отдельной поднесущей с последующим объединением данных [2].Рис. 15 - Спектр широкополосного сигнала с одной несущей (а), спектр OFDM-сигнала со многими несущими (б) (экранная копия)Упрощенно принцип OFDM-модуляции проиллюстрирован на рисунке 15. В частотном диапазоне 4,5…21 МГц для передачи данных может быть сформировано до 84 поднесущих частот (т.е. 84 параллельных канала). При этом обеспечивается пиковая скорость передачи данных до 14 Мбит/с (средняя скорость — примерно 3…5 Мбит/с). Выбор поднесущих частот зависит от параметров канала (в т.ч. от помех в рабочей полосе частот). При узкополосных помехах в канале искажается только часть поднесущих, а не весь сигнал. В результате мониторинга параметров канала связи можно скорректировать значения поднесущих частот. Кроме того, увеличение длительности OFDM-символа на величину защитного интервала (Guard Interval — GI) позволяет избавиться от проблемы межсимвольной интерференции. Метод OFDM-модуляции в настоящее время широко используется в технике связи, в т.ч. в мобильной связи. Для модуляции поднесуших в стандарте HomePlug 1.0 предусмотрено использование модуляции следующих видов:– BPSK (Binary Phase Shift Keying — двухпозиционная фазовая манипуляция);– DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying — дифференциальная двоичная фазовая манипуляция);– DQPSK 1/2 и DQPSK 3/4, которые являются модификациями DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying — дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция).Высокая эффективность технологии HomePlug 1.0 обеспечивается за счет возможности перераспределения мощности сигнала в рабочей полосе частот. Для этого реализованы следующие механизмы:– адаптации к реальным помехам за счет отключения некоторых поднесущих;– оперативной смены вида модуляции поднесущих частот (DBPSK/DQPSK);– снижения скорости передачи данных для повышения помехоустойчивости (за счет смены вида модуляции и метода кодирования на DQPSK 1/2, DQPSK 3/4, DBPSK 1/2 или комбинированный метод ROBO).Таблица 2. Соотношения между видами модуляции поднесущей и скоростью передачи данныхНаименованиеСкорость передачи, Мбит/сDQPSK 3/413,78DQPSK 1/29,19DBPSK 1/24,59ROBO1,02В таблице 2 приведены соотношения между используемыми видами модуляции поднесущей и скоростью передачи данных.В спецификациях уровня MAC (Media Access Control) имеется ссылкана использование модели, принятой в стандарте IEEE 802.3 (Ethernet). В стандарте HomePlug 1.0 реализованы также механизмы поддержки концепции QoS (Quality of Service — качество обслуживания). Для коррекции ошибок и увеличения достоверности обмена данными в канале предусмотрено использование кодирования с применением блочных кодов Рида-Соломона [3].Стандарт HomePlug AV появился в 2005 г. Это стандарт высокоскоростной передачи больших объемов данных по домашним электросетям, что позволяет передавать потоки данных цифрового телевидения высокой четкости и VoIP (Voice over IP — передача голоса с использованием интернет-протокола).