3. Связь по силовой сети (технология plc)

Разберем, прежде всего, что представляет собой современная силовая сеть, обеспечивающая доставку электроэнергии потребителям (рис. 3.1). Имеется линия электропередачи ЛЭП 110 кВ, которая подходит к понижающей подстанции. Далее напряжение 110 кВ трансформируется в напряжение 10 кВ, затем на подстанции  в трехфазное напряжение 220 В. Это фазное напряжение, и таких фаз три  Ф1, Ф2, Ф3, линейное напряжение  380 В.

По готовой проводке можно легко организовать связь в любом сечении сети (см. рис. 3.1). В энергосистемах России это и делается, хотя неудовлетворительное состояние сети и алюминиевые провода весьма ограничивают этот процесс. Однако поскольку мы говорим о «последней миле», нас будет интересовать технология в относительно низковольтовой части, а именно в трехфазных бытовых сетях напряжением 220 В.

Суть понятна – не надо «тянуть» сеть, а цели следующие: низкоскоростная передача данных (управление, учет); высокоскоростная передача данных (Интернет); телефония; домашняя автоматика, сервис «умный дом».

По этой технологии связи идет вторжение в чужую сеть, и в России существует ГОСТ Р51317.3.8-99  «Передача сигналов по низковольтовым электрическим сетям», регламентирующий такое вторжение (стандартом определена полоса частот в диапазоне 3 – 525 кГц) [12].

В соответствии с ГОСТ Р51317.3.8-99 связь по силовой сети может быть организована в следующих диапазонах частот:

1) 3 – 9 кГц – может использоваться по согласованию с потребителями электрической энергии;

2) 9 – 95 кГц – запрещен для использования;

3) более 95 кГц – разрешен без ограничений (любой вид кодировки, модуляции).

Наиболее современной и распространенной является технология Powerline, ориентированная на цифровую обработку микропроцессором (DSP). В настоящее время с помощью этой технологии возможна передача информации со скоростью до 85 Мбит/с на расстояние 200 м.

Особенности технологии PLC:

связь возможна, если все терминалы подключены к одной фазе (см. рис. 3.1);

значительные затухания в линии;

существенные помехи кондуктивного характера (кондуктивные помехи представляют собой токи, текущие по проводящим конструкциям и по земле);

нестабильность линии связи.

Все это накладывает существенные ограничения на использование описанной технологии. Рассмотрим методы, применяемые в настоящее время.

Проблемы помехоустойчивости решаются при кодировании и модуляции. Заметим, что такие системы строятся по адаптивному принципу. В начале передачи устанавливается пробный режим «Вкл./выкл.» и идет мониторинг линии (прежде всего по затуханию). В зависимости от состояния меняются частоты и скорость работы, т. е. идет адаптированная передача.

Импульсные помехи, возникшие при коммутациях, могут быть столь короткими (менее 1 мкс), что система может не успеть адаптироваться. Для этого применяют избыточные коды  сверточные (см. разд. 1), коды Рида – Соломона с декодированием по алгоритму Витерби.

Процедуры декодирования подробно рассматриваются в теории кодирования [9], мы же остановимся на сути декодирования по алгоритму Витерби (алгоритм получил название декодирования по максиму правдоподобия). Допустим, имеется множество передаваемых кодовых комбинаций U_i и одна из них передается. При декодировании известны возможные кодовые комбинации R_j. В декодере производится вычисление условных вероятностей P(R_j/U_i), естественно, все они разные. Из множества этих вероятностей выбирается максимальная и принимается соответствующее ей решение  R_j.

Декодирование кода Хемминга предполагает регулярное правило решения, а алгоритм Витерби – статис-тическое.

Модуляция.Высокоскоростной поток разбивается на несколько низкоскоростных, по каждому из которых передаются биты исходного слова. Эти низкоскоростные потоки подаются на частотный модулятор с несколькими несущими (поднесущими) (рис. 3.2).

При обычной FDM (частотной модуляции) между несущими вводится большой частотный интервал для лучшего разделения сигналов в приемнике, но использование спектра неэффективно, так как сигнал в целом занимает большую полосу.

Предположим, сигнал низкоскоростного потока (бит)  прямоугольный простейший импульс. По теореме о переносе спектра его спектр переносится в область поднесущей в виде двух боковых полос. И так будет у каждой поднесущей (рис. 3.3). Весь этот набор формирует полосу частот сигнала.

ВPLC-технологии применяют ортогональное частотное разделение, т. е. спектры при ортогональных несущих (рис. 3.4). Эта модуляция называется OFDM. Нетрудно заметить, что несущие частоты выбраны при значении других спектров, равных нулю. Ортогональность спектров позволила уменьшить полосу частот всего сигнала (см. рис. 3.4).

1

В/Гц

0,72

0,58

S(w) 0,44

S1(w) 0,3

S2(w) 0,16

0,02

0,12

0,26

0,4

0 5 10 15 20 25 30 35 40 рад/с 50

w

Рис. 3.3. Спектр сигнала FDM

1

В/Гц

0,72

0,58

S(w) 0,44

S1(w) 0,3

S2(w) 0,16

0,02

0,12

0,26

0,4

0 3 6 9 12 15 18 21 24 рад/с 30

w

Рис. 3.4. Спектр сигнала при OFDM

На этом процесс модуляции не заканчивается. Каждая несущая модулируется по какому-либо закону. Это может быть, например, квадратурная амплитудная модуляция (КАМ), фазовая относительная модуляция (ОФМ) и др., но в любом случае это должна быть многопозиционная система сигналов, позволяющая повысить пропускную способность канала.

При многопозиционной ОФМ-модуляции в каждой поднесущей кодируется сразу два бита (дибит) по следующему принципу: Δφ = 0, биты 00; Δφ = = 90, биты 01; Δφ = 180, биты 10; Δφ = 270, биты 11.

Четыре поднесущие, с помощью каждой из которых реализуется ОФМ-2, приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Кодирование поднесущих

Поднесущая, МГц	Δφ	Биты
4,5	0	00
4,7	180	10
4,9	90	01
5,1	270	11

После кодирования все поднесущие собираются в один пакет, несущий информацию (рис. 3.5). Таким образом передается последовательность 00100111.

В итоге сборки сформирован сигнал DQPSK – дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции.

ВтехнологииPowerline используется 84 поднесущих с шагом в 0,2 МГц в полосе частот 4 – 21 МГц (полоса разрешена стандартом), и по каждой поднесущей передается два бита.

Вернемся к адаптации системы к переменным условиям среды. Затухание линии не постоянно, так как это бытовая сеть энергоснабжения, во время тестирования может быть обнаружено большое затухание на частотах некоторых поднесущих. В технологии предусмотрен специальный метод решения этой проблемы – динамическое включение и выключение передачи сигналов на пораженных поднесущих (рис. 3.6). Естественно, что скорость передачи при этом меняется.

Благодаря данному методу теоретическая скорость технологии Powerline может достигать 100 Мбит/с.

Обработка сигнала OFDM производится сигнальным микропроцессором, а формирование линейного сигнала – специальным модемом, для которого разработаны микросхемы. Например, на основе микросхемы К1446ХК1 разработан трансивер для клиентского модема со следующими параметрами: скорость  до 200 Мбит/с, модуляция OFDM с 1530 поднесущими (компания TelLink).

Бытовая сеть электропитания служит общей средой передачи для нескольких терминалов, и в одно время на связь могут выходить несколько устройств. Для предотвращения конфликтов и столкновения трафика необходимо придерживаться протокола доступа к среде. В данной технологии принят известный протокол Ethernet (CSMA/CD) с некоторыми добавлениями приоритета – пакеты голоса и видео передаются с максимальным приоритетом, так как для этих данных задержка недопустима.

ТехнологияPowerline не единственная в этой области. Есть технология стандарта Х.10, которая применяется при компьютеризации жилой квартиры («умный дом») [4]. Суть этой технологии проста. Передача сигнала осуществляется на частоте 50 Гц. В момент времени перехода синусоиды через ноль вводится временное окно, через которое и происходит передача (рис. 3.7). В окно помещается радиоимпульс частотой 120 кГц, а помехи создаются «кусочком» вырезанной синусоиды [5]. Скорость работы невелика – до 50 бит/с, но этого достаточно для управления бытовыми приборами.

Примерный состав сети, построенной на основе PLC-технологии, показан на рис. 3.8.

4. Атмосферные оптические линии

Атмосферная оптическая линия – это линия с открытым оптическим каналом через атмосферу [6] (рис. 4.1). На рис. 4.1 приняты следующие обозначения: ФД  фотодетектор; мультиплексор  цифровое устройство, объединяющее стандартные цифровые потоки Е1; демультиплексор выполняет обратную операцию.

Поток Е1 состоит из 30 цифровых каналов, по которым информация поступает к терминалам. Так что можно считать, что система участвует в решении проблемы «последней мили».

Можно назвать следующие преимущества оптического канала:

как и в любом оптическом канале, большая пропускная способность;

отсутствие помех электромагнитного характера;

информационная безопасность. Оптический луч сфокусирован в узкий пучок и злоумышленнику невозможно «включиться» в него;

возможность быстрого развертывания системы, что особенно важно в условиях плотной городской застройки;

не требуется получения разрешения у органов надзора на использование рабочих частот.

Существенный недостаток атмосферного канала – зависимость связи от состояния атмосферы. Именно по этой причине система может перекрыть только незначительное расстояние – до 3 км. Что же представляет собой атмосферный канал? Атмосфера состоит из атомов различных веществ, и они влияют на ее прозрачность в оптическом диапазоне. Прозрачность зависит от массы воздуха, от содержания водяного пара и пыли. Затухание определяет длина волны излучения. Атмосфера прозрачна в диапазоне от 0,3 до 2 мкм. На участке видимого спектра от 0,6935 до 0,6943 мкм имеется несколько микроокон прозрачности [7].

На среду передачи влияют фон, естественная освещенность окружающей среды, ослабление, турбулентность, хаотические изменения скорости, температуры, давления атмосферы, что приводит к случайным замираниям сигнала.

Наиболее известны в настоящее время технологии FSO, LaserLink. Остановимся на их особенностях.

Излучатели. Работают в диапазоне 0,75 – 0,9 мкм. В качестве излучателей применяют как полупроводниковые лазеры, так и светодиоды. Отметим следующие особенности излучателей:

применяется автоматическая установка угла излучения (диаграмма направленности) в зависимости от длины трассы. Чем длиннее трасса, тем уже диаграмма, и на приемник попадает более сконцентрированная мощность. Для реализации установки используются два лазера с двумя объективами (антеннами). Один лазер имеет большой угол излучения, другой  узкий. Переключение лазеров идет автоматически;

при узком луче излучения имеется автоматическая система юстировки, точного совпадения луча с приемной антенной. Иначе принимаемый луч может потеряться;

скорость передачи зависит от затухания и меняется автоматически. При большом затухании сигнала скорость падает и наоборот;

в некоторых технических решениях приемопередающего модуля зависимость от прозрачности атмосферы исключается переходом на другую длину волны в другом окне прозрачности (резервный канал).

Приемник. Используются фотодиоды со структурой PIN (структура типа P-I-N-полупроводника) и лавинные фотодиоды (рис. 4.2). Такие структуры имеют повышенный коэффициент чувствительности, малоинерционные.

Специфика названных фотодиодов следующая. В P-I-N-полупроводнике имеется один слой чистого полупроводника I с хорошей оптической прозрачностью. Оптическая волна проникает на значительную глубину, и возбуждение электронов идет в большом объеме. В лавинном фотодиоде идут лавинные процессы размножения носителей тока. Указанные процессы способствуют увеличению чувствительности приемника.

Приемник и излучатель объединены в приемопередающий модуль (ППМ), в котором находится и кодек (рис. 4.3). Апертура  это способность оптического объектива собирать свет, обычно она характеризуется угловыми размерами. Двух- и трехапертурные системы позволяют решить перечисленные выше задачи, а именно:

переход на резервную длину волны в случае большого затухания на основной;

изменение диаграммы направленности в зависимости от расстояния меж-ду точками приема и передачи;

возможность отслеживать положение оптической оси атмосферной линии и корректировать ее. Это особенно важно при работе в условиях города, так как вибрации зданий, ветровые нагрузки и другие причины могут привести к потере связи.

Интересно решение приема сигналов в технологии FSO. В передатчике излучаются два когерентных, пространственно разнесенных луча с одинаковой амплитудой. Один луч опорный, а другой несет информацию, т. е. модулируется по фазе. Конечно, оба луча одинаково поражаются вредными воздействиями и возмущениями среды. Эти лучи попадают на фотоприемник, который выполнен в виде матрицы из фотодиодов (рис. 4.4). Пришедшие лучи создают на поверхности матрицы интерференционную картину. В некоторых точках матрицы произойдет усиление суммарной электромагнитной волны, а в других  ослабление, т. е. образуются темные и светлые места.

Соответственно поведут себя и сигналы, снятые с фотодиодов. При смене фазы в информационном луче на 180 положение темных и светлых областей поменяется, поменяются и сигналы. Матрица имеет большую площадь, и поэтому проблем с вводом излучения в приемник нет.

У данного метода есть еще одна особенность. Известны два метода приема оптических сигналов – прямого преобразования и гетеродинный (термин пришел из радиотехники). Прямой метод прост в реализации: на фотодиод падает луч и снимается напряжение, обратное для P-N-перехода. Этот метод нашел применение в кабельной оптике.

Второй метод, гетеродинный, более сложен и требует наличия маломощного источника в самом приемнике. Итак, на вход приемника пришел информационный сигнал, он складывается с сигналом гетеродина. Оптические сигналы  это электромагнитные волны. Запишем их так:  напряженность электрического поля информационной волны и  напряженность поля гетеродина. Попав на площадку матрицы ФД, сигналы складываются: . Фотодиод выдает ток (или напряжение), пропорциональный падающей мощности (квадрату напряженности поля):

Если раскрыть произведение косинусов, то в приведенном выражении можно выделить члены, содержащие информацию о фазе информационного луча φ. Их будет несколько, и в том числе , который значительно увеличит уровень полезного сигнала. Напомним, что в атмосферном канале (см. рис. 4.1) присутствует фон. По сути это помеха для связи, и за счет члена, входящего в приведенное выше выражение, возрастает сигнал, увеличивается соотношение «сигнал/помеха». Таким образом, в какой-то мере решается проблема помехоустойчивости.

Кодирование информации идет в канальном кодере Рида – Соломона.

Цифровые потоки Е1 объединяются по плезиохронному принципуPDH. Для объединения используется код HDB3. Это трехуровневый код, в котором исключаются длинные последовательности нулей. Эта мера необходима для сохранения синхронизации системы. Принцип образования такого кода и его отличие от кода AMI показаны на рис. 4.5. В коде AMI длинные последовательности нулей фактически означают потерю сигнала. Выделить из этого кода синхронизирующую последовательность невозможно.

Если в коде HDB3 более четырех нулей, в информационную последовательность вставляется служебный сигнал (V-сигнал) и синхронизация сохраняется.

На основании приведенного материала можно сделать следующие выводы:

1) в приемнике используются свойства интерференционной картины на матричной мишени фотодиодов, т. е. применяется гетеродинный способ приема. В качестве гетеродина используется сигнал второго лазера;

2) для передачи используется трехпозиционный код HDB3, допускающий синхронизацию системы;

3) для организации тракта передачи применяются светодиоды, полупроводниковые лазеры и средства корректировки;

4) в основе принимающей матрицы используются специальные фотодиоды.