L'adattatore PLC di Rostelecom è un dispositivo che consente di trasmettere un segnale Internet rete elettrica. Tali apparecchiature aiuteranno a sbarazzarsi della posa di cavi aggiuntivi in ​​un appartamento o in una casa privata.

Ora la maggior parte delle persone ha una rete wireless nella propria casa o appartamento. Potresti pensare che Powerline (aka HomePlug), che utilizza il cablaggio elettrico della tua casa come una rete dati cablata, sia una tecnologia obsoleta e inutile.

Un'ipotesi del genere non sarebbe corretta. Sì, il Wi-Fi è comodo e veloce: la tecnologia 802.11n è molto diffusa e gli ultimi router di classe 802.11ac forniscono connessioni a velocità fino a 1300 Mbps.

Importante: la semplicità e l'affidabilità che Powerline offre tecnologia senza fili ancora non può fornire. Non è destinato a sostituire una rete Wi-Fi. Queste tecnologie si completano a vicenda.

Che cos'è una rete elettrica?

Powerline è essenzialmente una rete cablata. Diciamo che hai un router a banda larga in corridoio e una smart TV in soggiorno che non supporta comunicazone wireless. L'unico modo per godersi la TV digitale è con un cavo Ethernet che va dal router lungo il corridoio e il pavimento del soggiorno. Puoi provare a nascondere il cavo sotto il battiscopa. Ma, se l'appartamento è stato ristrutturato di recente, ricominciare tutto da capo a causa di un cavo non sarà l'idea migliore.

L'adattatore PLC di Rostelecom non richiede circuiti complessi per collegarlo. È praticamente invisibile. Il kit base viene fornito con due adattatori Powerline e alcuni cavi Ethernet corti.

Lo schema è semplice, colleghiamo un cavo Ethernet al router e l'altro al primo adattatore. Quindi collegalo alla presa più vicina. Colleghiamo il cavo Ethernet all'HDTV e al secondo adattatore. Inseriamo quest'ultimo nella presa più vicina. Gli adattatori si rilevano automaticamente a vicenda (nessun driver e nessun lungo processo di configurazione) e si connettono. Ciò consente la trasmissione di pacchetti di dati dal router alla TV attraverso il cablaggio elettrico nelle pareti.

Qual è la velocità di connessione?

Quando il primo standard HomePlug Powerline è stato introdotto nel 2001, le velocità di trasferimento dei dati erano limitate a 14 Mbps. Ma gli ultimi adattatori PLC per Rostelecom supportano la classe di reti Gigabit, fornendo feedback positivi anche tra gli utenti Internet GPON.

Perché utilizzare le reti Powerline?

Se hai già un hub wireless, potresti non vedere il punto nell'acquisto di adattatori Powerline per il tuo rete di casa. Ma la tecnologia presenta una serie di vantaggi rispetto al Wi-Fi, vale a dire velocità costante, affidabilità, sicurezza e facilità d'uso.

Configurando una rete utilizzando un adattatore PLC di Rostelecom, puoi coprire luoghi in cui connessione senza filiè di scarsa qualità a causa di un numero elevato di sovrapposizioni o di altre interferenze nel percorso del segnale. Questa opzione è utile anche quando si collegano apparecchiature non Wi-Fi, come le console di gioco legacy, per evitare di ingombrare il soggiorno con i cavi Ethernet. Powerline è una soluzione di rete ordinata ed efficiente.

Importante: la tecnologia è più sicura di reti wireless. Poiché i dati vengono trasmessi tramite fili di rame nella tua casa, puoi essere certo che solo tu avrai accesso alla connessione.

Alcuni set di adattatori PLC consentono di proteggere ulteriormente la connessione con una password.

Come funzionano le reti Powerline?

L'invio di segnali tramite cavi elettrici a casa non è un'idea rivoluzionaria. Le compagnie elettriche iniziarono a inviare segnali di controllo su tali reti già negli anni '20. Ciò garantisce che i contatori di energia sappiano quando andare a velocità non di punta. Il cablaggio elettrico nelle case può supportare frequenze diverse. Solitamente vengono utilizzati segnali a 50/60 Hz. Ulteriori dati possono essere trasportati sullo stesso cablaggio a frequenze più elevate senza causare alcuna interferenza.

Il primo degli standard ha permesso di raggiungere una velocità di trasferimento dati di 14 Mbps. Già nel 2005 la versione aggiornata è aumentata portata fino a 200 Mbps, più che sufficienti per lo streaming video.

Prima di collegare l'adattatore PLC è necessario informarsi sul supporto della propria tipologia di rete elettrica, a patto che l'acquisto non sia stato effettuato dall'operatore Rostelecom. Il dispositivo renderà più semplice la connessione a Internet per molti utenti che, per vari motivi, non possono posare un cavo Ethernet.

Esaminiamo, innanzitutto, cos'è una moderna rete elettrica che garantisce la fornitura di energia elettrica ai consumatori (Fig. 3.1). C'è una linea di trasmissione di potenza da 110 kV che va a una sottostazione ridotta. Inoltre, la tensione di 110 kV viene trasformata in una tensione di 10 kV, quindi nella sottostazione in una tensione trifase di 220 V. Questa è una tensione di fase e ci sono tre di queste fasi: F1, F2, F3, tensione lineare - 380 V.

In base al cablaggio finito, puoi facilmente organizzare la comunicazione in qualsiasi sezione della rete (vedi Fig. 3.1). Nei sistemi energetici della Russia ciò avviene, sebbene lo stato insoddisfacente della rete e dei cavi di alluminio limiti notevolmente questo processo. Tuttavia, trattandosi dell'”ultimo miglio”, ci interesserà la tecnologia in una parte relativamente a bassa tensione, ovvero nelle reti domestiche trifase a 220 V.

L'essenza è chiara: non è necessario "tirare" la rete e gli obiettivi sono i seguenti: trasferimento di dati a bassa velocità (gestione, contabilità); trasferimento dati ad alta velocità (Internet); telefonia; domotica, servizio di casa intelligente.

Secondo questa tecnologia di comunicazione, c'è un'invasione di una rete straniera e in Russia c'è GOST R51317.3.8-99 - "Trasmissione del segnale su reti elettriche a bassa tensione", che regola tale invasione (lo standard definisce una banda di frequenza nell'intervallo 3 - 525 kHz).

In conformità con GOST R51317.3.8-99, la comunicazione della rete elettrica può essere organizzata nelle seguenti gamme di frequenza:

1) 3 - 9 kHz - utilizzabile in accordo con i consumatori di energia elettrica;

2) 9 - 95 kHz - uso vietato;

3) più di 95 kHz - consentito senza restrizioni (qualsiasi tipo di codifica, modulazione).

La più moderna e diffusa è la tecnologia Powerline, focalizzata sull'elaborazione digitale da parte di un microprocessore (DSP). Attualmente, utilizzando questa tecnologia, è possibile trasferire informazioni ad una velocità fino a 85 Mbps su una distanza di 200 m.

Caratteristiche della tecnologia PLC:

la comunicazione è possibile se tutti i terminali sono collegati sulla stessa fase (vedi fig. 3.1);

significativa attenuazione della linea;

interferenza conduttiva significativa (l'interferenza conduttiva è la corrente che scorre attraverso strutture conduttive e lungo il terreno);

instabilità della linea.

Tutto ciò impone restrizioni significative all'uso della tecnologia descritta. Considera i metodi attualmente utilizzati.

I problemi di immunità al rumore vengono risolti mediante codifica e modulazione. Si noti che tali sistemi sono costruiti secondo il principio adattivo. All'inizio del trasferimento, la modalità test è impostata su On/Off. e la linea è monitorata (principalmente tramite attenuazione). A seconda dello stato, le frequenze e la velocità di funzionamento cambiano, ovvero è in corso una trasmissione adattata.

Il rumore dell'impulso generato durante la commutazione può essere così breve (meno di 1 µs) che il sistema potrebbe non avere il tempo di adattarsi. Per questo vengono utilizzati codici ridondanti: convoluzionali (vedi Sezione 1), codici Reed-Solomon con decodifica secondo l'algoritmo di Viterbi.

Le procedure di decodifica sono discusse in dettaglio nella teoria della codifica, ma ci concentreremo sull'essenza della decodifica usando l'algoritmo di Viterbi (l'algoritmo è chiamato decodifica dalla massima verosimiglianza). Supponiamo che ci sia un insieme di combinazioni di codici trasmesse U i e che una di esse sia trasmessa. Durante la decodifica sono note possibili combinazioni di codici R j. Il decoder calcola le probabilità condizionali P(R j /U i), ovviamente sono tutte diverse. Dall'insieme di queste probabilità si seleziona quella massima e si prende la decisione corrispondente  R j .

La decodifica del codice di Hamming presuppone una regola decisionale regolare, mentre l'algoritmo di Viterbi è statistico.

M odulazione. Il flusso ad alta velocità è suddiviso in diversi flussi a bassa velocità, ognuno dei quali trasmette bit della parola originale. Questi flussi a bassa velocità vengono applicati a un modulatore di frequenza con diverse portanti (sottoportanti) (Fig. 3.2).

L'FDM convenzionale (modulazione di frequenza) introduce un'ampia spaziatura di frequenza tra le portanti per una migliore separazione del segnale al ricevitore, ma l'uso dello spettro è inefficiente perché il segnale nel suo insieme occupa un'ampia larghezza di banda.

Si supponga che il segnale di flusso a bassa velocità (bit) sia un semplice impulso rettangolare. Secondo il teorema di trasferimento dello spettro, il suo spettro viene trasferito alla regione della sottoportante sotto forma di due bande laterali. E così sarà per ogni sottoportante (Fig. 3.3). L'intero set costituisce la larghezza di banda del segnale.

Le tecnologie PLC utilizzano la divisione di frequenza ortogonale, cioè spettri con portanti ortogonali (Fig. 3.4). Questa modulazione è chiamata OFDM. È facile vedere che le frequenze portanti vengono scelte con il valore degli altri spettri uguale a zero. L'ortogonalità degli spettri ha permesso di ridurre la larghezza di banda dell'intero segnale (vedi Fig. 3.4).

0 5 10 15 20 25 30 35 40 rad/s 50

Riso. 3.3. Spettro del segnale FDM

0 3 6 9 12 15 18 21 24 rad/s 30

Riso. 3.4. Spettro del segnale a OFDM

Questa non è la fine del processo di modulazione. Ogni portante è modulata secondo una qualche legge. Può essere, ad esempio, modulazione di ampiezza in quadratura (QAM), modulazione relativa di fase (RPM), ecc., ma in ogni caso dovrebbe essere un sistema di segnale multiposizione che consenta di aumentare la capacità del canale.

Con la modulazione OFM multiposizione, due bit (dibit) vengono codificati contemporaneamente in ciascuna sottoportante secondo il seguente principio: Δφ = 0, bit 00; Δφ = = 90, bit 01; Δφ = 180, bit 10; Δφ = 270, bit 11.

Nella tabella sono mostrate quattro sottoportanti, con l'aiuto di ciascuna delle quali è implementato OFM-2. 3.1.

Tabella 3.1

Codifica sottoportante

sottoportante,

Dopo la codifica, tutte le sottoportanti vengono assemblate in un unico pacchetto che trasporta le informazioni (Fig. 3.5). Pertanto, viene trasmessa la sequenza 00100111.

Come risultato dell'assemblaggio, si forma un segnale DQPSK: codifica di sfasamento in quadratura differenziale.

A La tecnologia Powerline utilizza 84 sottoportanti con incrementi di 0,2 MHz nella banda 4-21 MHz (consentita dallo standard) e due bit vengono trasmessi su ciascuna sottoportante.

Torniamo all'adattamento del sistema a condizioni ambientali variabili. L'attenuazione della linea non è costante, trattandosi di una rete di alimentazione domestica, in fase di collaudo si può riscontrare una forte attenuazione alle frequenze di alcune sottoportanti. La tecnologia fornisce un metodo speciale per risolvere questo problema: accensione e spegnimento dinamico della segnalazione sulle sottoportanti interessate (Fig. 3.6). Naturalmente in questo caso la velocità di trasmissione cambia.

Con questo metodo, la velocità teorica della tecnologia Powerline può raggiungere i 100 Mbps.

Il segnale OFDM viene elaborato da un microprocessore di segnale e il segnale di linea è formato da un modem speciale, per il quale sono progettati i microcircuiti. Ad esempio, basato sul chip K1446XK1, è stato sviluppato un ricetrasmettitore per un modem client con i seguenti parametri: velocità - fino a 200 Mbps, modulazione OFDM con 1530 sottoportanti (azienda TelLink).

La rete elettrica domestica funge da mezzo di trasmissione comune per più terminali e più dispositivi possono comunicare contemporaneamente. Per prevenire collisioni e conflitti di traffico, è necessario rispettare il protocollo di accesso ai media. Questa tecnologia adotta il noto protocollo Ethernet (CSMA/CD) con alcune aggiunte di priorità: i pacchetti voce e video vengono trasmessi con la massima priorità, poiché il ritardo è inaccettabile per questi dati.

T La tecnologia Powerline non è l'unica in questo settore. Esiste la tecnologia standard X.10, che viene utilizzata nell'informatizzazione di un appartamento residenziale ("casa intelligente"). L'essenza di questa tecnologia è semplice. Il segnale viene trasmesso ad una frequenza di 50 Hz. Al momento del passaggio della sinusoide per lo zero, viene introdotta una finestra temporale, attraverso la quale avviene la trasmissione (Fig. 3.7). Un impulso radio con una frequenza di 120 kHz viene inserito nella finestra e l'interferenza viene creata da un "pezzo" di una sinusoide tagliata. La velocità di funzionamento è bassa, fino a 50 bps, ma è sufficiente per controllare gli elettrodomestici.

La composizione approssimativa della rete costruita sulla base della tecnologia PLC è mostrata in fig. 3.8.

4. Linee ottiche atmosferiche

Una linea ottica atmosferica è una linea con un canale ottico aperto attraverso l'atmosfera (Fig. 4.1). Sulla fig. 4.1 sono accettate le seguenti designazioni: PD - fotorivelatore; multiplexer: un dispositivo digitale che combina flussi digitali E1 standard; il demultiplexer esegue l'operazione inversa.

Il flusso E1 è composto da 30 canali digitali attraverso il quale le informazioni arrivano ai terminali. Quindi possiamo supporre che il sistema sia coinvolto nella risoluzione del problema dell'"ultimo miglio".

Si possono nominare i seguenti vantaggi del canale ottico:

come in qualsiasi canale ottico, elevata larghezza di banda;

assenza di interferenze elettromagnetiche;

Informazioni di sicurezza. Il raggio ottico è focalizzato in un raggio stretto ed è impossibile per un attaccante "accendersi" su di esso;

la capacità di dispiegare rapidamente il sistema, che è particolarmente importante nelle aree urbane dense;

non è necessario ottenere l'autorizzazione dalle autorità di vigilanza per utilizzare le frequenze operative.

Uno svantaggio significativo del canale atmosferico è la dipendenza della comunicazione dallo stato dell'atmosfera. È per questo motivo che il sistema può coprire solo una piccola distanza, fino a 3 km. Cos'è un canale atmosferico? L'atmosfera è costituita da atomi di varie sostanze e ne alterano la trasparenza nel campo ottico. La trasparenza dipende dalla massa d'aria, dal contenuto di vapore acqueo e polvere. L'attenuazione determina la lunghezza d'onda della radiazione. L'atmosfera è trasparente nell'intervallo da 0,3 a 2 µm. Nella regione dello spettro visibile da 0,6935 a 0,6943 µm, sono presenti diverse microfinestre di trasparenza.

Il mezzo di trasmissione è influenzato dallo sfondo, dall'illuminazione naturale dell'ambiente, dall'attenuazione, dalla turbolenza, dai cambiamenti caotici della velocità, dalla temperatura, dalla pressione atmosferica, che porta a uno sbiadimento casuale del segnale.

Le tecnologie più conosciute sono FSO, LaserLink. Diamo un'occhiata alle loro caratteristiche.

Erogatori. Funzionano nell'intervallo di 0,75 - 0,9 micron. Sia i laser a semiconduttore che i LED vengono utilizzati come emettitori. Notiamo le seguenti caratteristiche degli emettitori:

viene applicata l'impostazione automatica dell'angolo di radiazione (modello di direttività) in base alla lunghezza del percorso. Più lunga è la traccia, più stretto è il diagramma e più potenza concentrata raggiunge il ricevitore. Per realizzare l'installazione vengono utilizzati due laser con due lenti (antenne). Un laser ha un ampio angolo di radiazione, l'altro ha uno stretto. La commutazione dei laser è automatica;

con un fascio di radiazione stretto, c'è un sistema di regolazione automatica, un'esatta coincidenza del raggio con l'antenna ricevente. In caso contrario, il raggio ricevuto potrebbe andare perso;

la velocità di trasmissione dipende dall'attenuazione e cambia automaticamente. Con una grande attenuazione del segnale, la velocità diminuisce e viceversa;

in alcune soluzioni tecniche del modulo ricetrasmettitore, la dipendenza dalla trasparenza dell'atmosfera viene eliminata passando ad un'altra lunghezza d'onda in un'altra finestra di trasparenza (canale di backup).

Ricevitore. Vengono utilizzati fotodiodi con una struttura PIN (struttura del tipo a semiconduttore P-I-N) e fotodiodi a valanga (Fig. 4.2). Tali strutture hanno un maggiore coefficiente di sensibilità, bassa inerzia.

La specificità di questi fotodiodi è la seguente. In un semiconduttore P-I-N, c'è uno strato di semiconduttore puro I con una buona trasparenza ottica. L'onda ottica penetra a una profondità considerevole e l'eccitazione degli elettroni avviene in un grande volume. In un fotodiodo da valanga si verificano processi a valanga di moltiplicazione del vettore di corrente. Questi processi contribuiscono ad aumentare la sensibilità del ricevitore.

Il ricevitore e l'emettitore sono combinati in un modulo ricetrasmettitore (TRM), che contiene anche il codec (Fig. 4.3). L'apertura è la capacità di una lente ottica di raccogliere la luce ed è solitamente caratterizzata da dimensioni angolari. I sistemi a due e tre aperture consentono di risolvere i problemi sopra elencati, ovvero:

passaggio alla lunghezza d'onda di riserva in caso di elevata attenuazione su quella principale;

cambiamento del diagramma di radiazione a seconda della distanza tra i punti di ricezione e trasmissione;

la capacità di tracciare la posizione dell'asse ottico della linea atmosferica e correggerla. Ciò è particolarmente importante quando si lavora in aree urbane, poiché le vibrazioni dell'edificio, i carichi del vento e altre cause possono portare alla perdita di comunicazione.

Una soluzione interessante per la ricezione di segnali nella tecnologia FSO. Il trasmettitore irradia due fasci coerenti e spazialmente separati con la stessa ampiezza. Un raggio è un raggio di riferimento e l'altro trasporta informazioni, cioè è modulato in fase. Naturalmente, entrambi i raggi sono ugualmente influenzati da influenze nocive e disturbi dell'ambiente. Questi raggi cadono sul fotorilevatore, che è realizzato sotto forma di una matrice di fotodiodi (Fig. 4.4). I raggi in entrata creano uno schema di interferenza sulla superficie della matrice. In alcuni punti della matrice, l'onda elettromagnetica totale sarà rafforzata, mentre in altri sarà indebolita, ovvero si formeranno luoghi scuri e luminosi.

Di conseguenza, anche i segnali presi dai fotodiodi si comporteranno. Quando la fase nel raggio di informazioni cambia di 180, la posizione delle aree scure e chiare cambierà, così come i segnali. La matrice ha una vasta area e quindi non ci sono problemi con l'ingresso di radiazioni nel ricevitore.

Questo metodo ha un'altra caratteristica. Esistono due metodi per ricevere i segnali ottici: la conversione diretta e l'eterodina (il termine deriva dall'ingegneria radio). Il metodo diretto è semplice da implementare: un raggio cade sul fotodiodo e la tensione viene rimossa, che è l'inverso della giunzione P-N. Questo metodo ha trovato applicazione nell'ottica dei cavi.

Il secondo metodo, l'eterodina, è più complicato e richiede una sorgente a bassa potenza nel ricevitore stesso. Quindi, un segnale informativo è arrivato all'ingresso del ricevitore, viene aggiunto al segnale dell'oscillatore locale. I segnali ottici sono onde elettromagnetiche. Scriviamoli come segue: - l'intensità del campo elettrico dell'onda informativa e
 intensità di campo dell'oscillatore locale. Una volta sul sito della matrice PD, si aggiungono i segnali: . Il fotodiodo emette una corrente (o tensione) proporzionale alla potenza incidente (quadrato dell'intensità del campo):

Se apriamo il prodotto dei coseni, nell'espressione sopra possiamo selezionare termini contenenti informazioni sulla fase del fascio di informazioni φ. Ce ne saranno diversi, tra cui
, che aumenterà significativamente il livello del segnale utile. Ricordiamo che nel canale atmosferico (vedi Fig. 4.1) c'è uno sfondo. In effetti, questo è un ostacolo alla comunicazione ea spese di un membro
, che è incluso nell'espressione precedente, il segnale aumenta, il rapporto segnale/rumore aumenta. Pertanto, in una certa misura, il problema dell'immunità al rumore è risolto.

Codifica delle informazioni va in un codificatore di canale Reed–Solomon.

C I flussi digitali E1 sono combinati secondo il principio PDH plesiocrono. Il codice HDB3 viene utilizzato per l'aggregazione. Questo è un codice a tre livelli in cui sono escluse lunghe sequenze di zeri. Questa misura è necessaria per mantenere il sistema sincronizzato. Il principio di formazione di tale codice e la sua differenza dal codice AMI sono mostrati in Fig. 4.5. Nel codice AMI, lunghe sequenze di zeri significano effettivamente una perdita di segnale. È impossibile estrarre la sequenza di sincronizzazione da questo codice.

Se nel codice HDB3 sono presenti più di quattro zeri, nella sequenza di informazioni viene inserito un segnale di servizio (segnale V) e viene mantenuta la sincronizzazione.

Sulla base del materiale presentato si possono trarre le seguenti conclusioni:

1) il ricevitore utilizza le proprietà del pattern di interferenza sul target di matrice dei fotodiodi, ovvero viene utilizzato il metodo di ricezione dell'eterodina. Il secondo segnale laser viene utilizzato come oscillatore locale;

2) Il codice a tre posizioni HDB3 viene utilizzato per la trasmissione, consentendo la sincronizzazione del sistema;

3) LED, laser a semiconduttore e strumenti di correzione vengono utilizzati per organizzare il percorso di trasmissione;

4) nella base della matrice ricevente vengono utilizzati fotodiodi speciali.

Trasmissione di informazioni su reti elettriche utilizzando Semtech IS (2015)

La gamma di prodotti prodotti da Semtech Corporation comprende molti circuiti integrati di livello fisico che consentono di organizzare la trasmissione di informazioni sia su fili che su un canale radio (ricetrasmettitori ottici, driver di linea, ricetrasmettitori radio, ecc.). All'inizio del 2015, l'acquisizione di EnVerv, leader nello sviluppo di modem PLC (Power Line Communications), ha permesso di ampliare la linea di prodotti di comunicazione Semtech con dispositivi che forniscono lo scambio di dati su linee elettriche tipiche. Nell'ambito di questo articolo, ci concentreremo sui principi di funzionamento e costruzione di reti basate su microcircuiti PLC a chip singolo di Semtech, considereremo le caratteristiche dei singoli rappresentanti della nuova famiglia e forniremo esempi dell'implementazione pratica di dispositivi basati su loro.

INTRODUZIONE
La trasmissione di informazioni e l'organizzazione dell'alimentazione sugli stessi fili sono utilizzate in modo abbastanza efficace in varie applicazioni. Si consideri ad esempio lo standard linee telefoniche o reti Ethernet che collegano nodi remoti utilizzando una tecnologia in cui l'alimentazione viene fornita attraverso fili separati del cavo di comunicazione. Tuttavia, la maggior parte di queste soluzioni presenta un evidente inconveniente: in genere richiedono tutte un lavoro di installazione, i cui costi rappresentano spesso una parte importante del costo di installazione della rete. Inoltre, ci sono una serie di situazioni in cui la posa di nuovi cavi è altamente indesiderabile o addirittura impossibile: un esempio di tali situazioni è una riparazione completata di recente, dopo di che si scopre improvvisamente che è necessario posare cavi aggiuntivi per reti di computer o un ufficio in affitto con un canale di accesso a Internet imprevisto. In questi casi è quasi sempre possibile limitarsi all'infrastruttura esistente, ovvero utilizzare il cablaggio elettrico già disponibile in quasi tutti i locali per organizzare un canale di comunicazione relativamente veloce e affidabile che si dirama in tutto l'edificio.

La tecnologia delle telecomunicazioni PLC, basata sull'uso di reti di alimentazione per lo scambio di dati sovrapponendo un segnale utile a una corrente alternata standard con una frequenza di 50 o 60 Hz, si distingue per la facilità di implementazione e la rapida installazione dei dispositivi basati su di essa. Negli anni '30 compaiono i primi sistemi di trasmissione dati su rete elettrica, utilizzati principalmente per la segnalazione nei sistemi di alimentazione e su linee ferroviarie, con un throughput molto basso. Alla fine degli anni '90, alcune aziende hanno implementato i primi grandi progetti in quest'area, ma durante il funzionamento sono stati identificati seri problemi, il principale dei quali era la scarsa immunità al rumore. Opera lampade a risparmio energetico, alimentatori switching, caricabatterie, dimmer a tiristori ed elettrodomestici, nonché motori elettrici e apparecchiature di saldatura, in particolare quelli collegati nelle immediate vicinanze del modem PLC, hanno causato rumore impulsivo nei cavi non protetti dalle radiazioni ad alta frequenza, che ha portato a una forte diminuzione dell'affidabilità della trasmissione dei dati. Inoltre, la stabilità e la velocità del segnale è stata influenzata negativamente dall'eterogeneità delle linee di comunicazione, in particolare dalla qualità e dal deterioramento delle reti elettriche, dalla presenza di giunti realizzati con materiali a diversa conducibilità elettrica (ad esempio rame e alluminio), la presenza di torsioni, ecc. Di conseguenza, la riduzione complessiva del data rate nominale variava dal 5 al 50%. Inoltre, nelle stanze in cui funzionavano i dispositivi PLC, in alcuni casi si è verificata una violazione della ricezione radio a una distanza di circa 3-5 metri dal modem, soprattutto a onde medie e corte. Ciò era dovuto al fatto che i fili della rete elettrica iniziarono a fungere da antenne per i ripetitori radio, irradiando, infatti, tutto il traffico nell'aria.
La tecnologia di trasmissione dei dati sulle reti elettriche ha ricevuto un uso commerciale adeguato solo all'inizio di questo secolo e la sua introduzione e ampia distribuzione è dovuta alla comparsa di un'appropriata base di elementi, incl. microcontrollori ad alte prestazioni e veloci processori DSP (digital signal processor), che consentono di implementare complessi metodi di modulazione del segnale e moderni algoritmi di crittografia dei dati. Ciò ha fornito non solo un elevato livello di affidabilità nella trasmissione delle informazioni, ma anche la sua protezione da accessi non autorizzati. Importante è stata anche la soluzione del problema della standardizzazione dei vari aspetti della tecnologia. Attualmente, le principali organizzazioni e comunità che regolano i requisiti per i dispositivi PLC sono IEEE, ETSI, CENELEC, OPERA, UPA e HomePlug Powerline Alliance. L'ultima di queste è un'alleanza internazionale che unisce circa 80 note aziende del mercato delle telecomunicazioni, tra cui Siemens, Motorola, Samsung e Philips. L'attività dell'alleanza, organizzata nel 2000, è finalizzata alla ricerca scientifica e alla sperimentazione pratica della compatibilità di dispositivi di vari produttori che utilizzano questa tecnologia, oltre al supporto e alla promozione di un unico standard chiamato HomePlug.
Tutti i sistemi PLC esistenti sono generalmente suddivisi in banda larga (BPL - Broadband over Power Lines) e banda stretta (NPL - Narrowband over Power Lines). La gamma di compiti risolti con il loro aiuto è molto ampia e la scelta del metodo necessario si basa sulle caratteristiche e sulla quantità di informazioni trasmesse. I dispositivi a banda larga (con velocità da 1 a 200 Mbit/s) sono focalizzati sui sistemi di accesso a Internet, sulla creazione di reti di computer domestici, nonché su applicazioni che richiedono uno scambio di dati ad alta velocità: streaming video, sistemi di videoconferenza, telefonia digitale, ecc. . I modem PLC a banda stretta sono di grande interesse per gli sviluppatori hardware grazie alla loro relativa economicità e alle caratteristiche migliorate, che consentono loro di funzionare non solo nelle reti convenzionali, ma anche in reti con un alto livello di interferenza. Microcircuiti e moduli per modem a banda stretta (con una capacità del canale da 0,1 a 100 Kbps) sono ampiamente utilizzati come parte di vari prodotti domestici e industriali, quando si creano sistemi distribuiti per il controllo e la gestione automatizzati nelle officine e nei sistemi di supporto vitale degli edifici (ascensori , dispositivi di condizionamento e ventilazione), misurazione dei consumi di energia elettrica, acqua, gas, calore, dispositivi di sicurezza e antincendio.

CARATTERISTICHE TECNOLOGICHE PLC
La base della tecnologia PLC è l'uso della divisione di frequenza del segnale, in cui un flusso di dati ad alta velocità è suddiviso in più flussi di dati a velocità relativamente bassa, ciascuno dei quali viene trasmesso a una frequenza di sottoportante separata e quindi combinato nel risultante segnale (Fig. 1).

Quando si utilizza la modulazione convenzionale con divisione di frequenza(FDM - Frequency Division Multiplexing) lo spettro disponibile viene utilizzato in modo inefficiente. Ciò è dovuto alla presenza di intervalli di guardia tra le singole sottoportanti, necessari per prevenire l'influenza reciproca dei segnali (Fig. 2a). Pertanto, i dispositivi PLC utilizzano il multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing), in cui i centri delle frequenze delle sottoportanti sono posti in modo che il picco di ogni segnale successivo coincida con il valore zero del precedente. Come si vede in fig. 2b, in questo caso viene utilizzata in modo più razionale la banda di frequenza disponibile.

Prima di combinarsi in un segnale, tutte le frequenze delle sottoportanti sono modulate in fase, ciascuna con la propria sequenza di bit. Successivamente, passano attraverso il blocco di formazione, dove vengono assemblati in un unico pacchetto di informazioni, chiamato anche simbolo OFDM. La Figura 3 mostra un esempio di sfasamento relativo in quadratura (DQPSK - Differential Quadrature Phase Shift Keying) per ciascuna delle quattro sottoportanti nell'intervallo 4,5-5,1 MHz. In realtà, in tecnologia PLC, la trasmissione avviene utilizzando 1536 frequenze di sottoportante con una scelta di 84 migliori nell'intervallo da 2 a 32 MHz, a seconda dello stato attuale della linea e della presenza di interferenze. Questo metodo offre alla tecnologia PLC la flessibilità per essere utilizzata in una varietà di ambienti. Ad esempio, come accennato in precedenza, un dispositivo PLC funzionante è in grado di "bloccare" la ricezione radio a determinate frequenze, questo problema è ben noto ai radioamatori. Un altro esempio è quando un'applicazione sta già utilizzando parte dell'intervallo. Tecnicamente, l'eliminazione dell'influenza reciproca indesiderata viene implementata utilizzando le impostazioni, la cosiddetta Modalità segnale e Power Mask su dispositivi che forniscono la capacità appropriata. Signal Mode è un metodo software per determinare la gamma di frequenza operativa e Power Mask è un metodo software per limitare lo spettro delle frequenze utilizzate. Per questo motivo, i dispositivi PLC possono facilmente coesistere nello stesso ambiente fisico e non interferire con le bande di frequenza utilizzate per le comunicazioni radio.

Quando si trasmettono segnali tramite un alimentatore domestico, può verificarsi un'attenuazione significativa del segnale trasmesso a determinate frequenze, che può portare alla perdita e al danneggiamento dei dati. Per affrontare il problema dell'adattamento al mezzo di trasmissione fisico, viene fornito un metodo per abilitare e disabilitare dinamicamente la trasmissione del segnale, in grado di rilevare e risolvere errori e conflitti. L'essenza di questo metodo risiede nel monitoraggio costante del canale di trasmissione al fine di identificare una parte dello spettro con un eccesso di un certo valore di soglia di attenuazione. Se viene rilevato questo fatto, l'uso dell'intervallo problematico viene interrotto per un po' fino a quando non viene ripristinato un valore di attenuazione accettabile e i dati vengono trasmessi ad altre frequenze (Fig. 4).

Un'altra notevole difficoltà nella trasmissione dei dati su una rete elettrica domestica, ora per gli stessi dispositivi PLC, è il rumore impulsivo, le cui sorgenti possono essere diverse dispositivo di ricarica, lampade alogene, accensione o spegnimento di vari apparecchi elettrici (Fig. 5). La complessità della situazione sta nel fatto che, utilizzando il metodo sopra descritto, il modem PLC non ha il tempo di adattarsi a condizioni in rapido mutamento, poiché la loro durata non può superare il microsecondo, di conseguenza alcuni bit potrebbero andare persi. Per risolvere questo problema, viene utilizzata una codifica di correzione degli errori a due stadi (in cascata) dei flussi di bit prima che vengano modulati e entrino nel canale dei dati. La sua essenza è aggiungere bit ridondanti ("protettivi") al flusso di informazioni originale secondo determinati algoritmi, che vengono utilizzati dal decoder sul lato ricevente per rilevare e correggere gli errori. Il collegamento a cascata di un codice Reed-Solomon a blocchi e di un semplice codice convoluzionale decodificato utilizzando l'algoritmo di Viterbi consente di correggere non solo errori singoli, ma anche raffiche di errori, aumentando notevolmente l'integrità dei dati trasmessi. Inoltre, la codifica immune al rumore aumenta la sicurezza delle informazioni trasmesse in termini di protezione contro l'accesso non autorizzato.

Poiché come mezzo di trasmissione dati viene scelta un'ampia rete di alimentazione domestica, più dispositivi collegati possono iniziare la trasmissione contemporaneamente. In una situazione del genere, per risolvere i conflitti di collisione del traffico, viene utilizzato un meccanismo normativo: il protocollo di accesso ai media CSMA / CA. La risoluzione delle collisioni avviene sulla base dell'una o dell'altra priorità specificata nei campi speciali di prioritizzazione dei pacchetti di dati.

SEMTECH È PER L'IMPLEMENTAZIONE DELLA TECNOLOGIA PLC
I prodotti PLC di Semtech sono progettati per l'uso in linee elettriche tipiche a bassa o media tensione. Qualsiasi modem che funzioni con l'analogico linea fisica, deve disporre delle unità funzionali necessarie all'elaborazione dei dati analogici, alla loro conversione in forma digitale e, ovviamente, all'elaborazione dei dati digitali. Sul lato trasmissivo, il modem deve anche codificare i dati digitali secondo un determinato algoritmo, convertirli in analogici e inviarli alla linea.
Tutte queste azioni vengono eseguite dai microcircuiti della serie EV8xxx. I microcircuiti a banda stretta, che sono "sistemi su un chip", sono altamente integrati e contengono tutti gli elementi costitutivi necessari per implementare i livelli fisici, MAC e altri protocolli (6LoWPAN e IEC). Supportano diversi tipi di modulazione; in pratica, OFDM viene spesso utilizzato per organizzare un canale di comunicazione stabile e privo di rumore. I circuiti integrati a chip singolo che hanno superato i test di interoperabilità in HomePlug Alliance Netricity si distinguono per la loro versatilità, sia i nodi finali che i coordinatori di rete sono progettati sulla base. La specifica Netricity è progettata per le comunicazioni di rete su linee elettriche a lunga distanza ed è concepita per infrastrutture fuori sede, reti intelligenti per la distribuzione di energia e il controllo dei processi industriali. La tecnologia può essere utilizzata in reti elettriche urbane e rurali dense utilizzando frequenze inferiori a 500 kHz. Include anche un livello di accesso basato su IEEE 802.15.4 (MAC), che è fondamentale per lo sviluppo di reti ibride cablate/wireless. Principale specifiche I chip PLC di Semtech sono mostrati nella Tabella 1.

I circuiti integrati della serie EV8xxx hanno intervalli di frequenza programmabili da 10 a 490 kHz, che coprono CENELEC A (10 - 95 kHz), CENELEC B (95 - 120 kHz), CENELEC C (120 - 140 kHz), FCC (10 - 490 kHz) e ARIB (10 - 490 kHz) bande senza modifiche nel design del dispositivo. Scaricando il firmware appropriato in remoto sulla linea di alimentazione, possono essere configurati per funzionare in ITU-T G.9903 (G3-PLC), ITU G.9902, ITU-T G.9904 (PRIME), IEEE P1901.2 e IEC-61334 (S-FSK). Inoltre, supportano la modalità proprietaria 4GPLC ad alte prestazioni. Strutturalmente, i microcircuiti della famiglia sono prodotti in contenitori a montaggio superficiale a basso profilo progettati per funzionare nell'intervallo di temperatura di esercizio da -40 a +85°C. Una struttura semplificata raffigurante le principali unità funzionali è mostrata in Figura 6, qui si possono distinguere i seguenti blocchi:
Il blocco AFE (Analog Front-End) è un insieme di componenti analogici che forniscono isolamento utilizzando un trasformatore con un condensatore di accoppiamento, filtrando e amplificando il segnale di ingresso e generando i livelli specificati del segnale trasmesso in uscita utilizzando una linea di amplificazione operazionale autista;
PHY è un blocco progettato per interfacciare la parte digitale del microcircuito con una linea analogica;
Il microcontrollore RISC a 32 bit fornisce un'implementazione in-circuit del livello MAC, esegue l'elaborazione dei dati, la formazione di pacchetti, la codifica dei dati utilizzando l'algoritmo di cifratura a blocchi simmetrica AES, ecc. e risolve anche i problemi applicati;
Blocchi periferici che interfacciano il microprocessore incorporato con microcircuiti esterni: memoria EEPROM, ADC ad alta risoluzione e controller host. Per la comunicazione viene utilizzata un'implementazione hardware delle interfacce SPI, I2C e UART ampiamente utilizzate;
RAM e memoria flash integrate. La dimensione della memoria di programma incorporata varia da 1 a 2 MB;
Unità di controllo dell'orologio;
Un sottosistema di alimentazione che fornisce tutte le tensioni necessarie per i singoli nodi. Di norma, viene utilizzata una sorgente che opera dalla stessa rete CA utilizzata per la trasmissione dei dati.
Separatamente, vale la pena notare l'IC EV8100, che, oltre ai nodi tipici, contiene un controller integrato per un display LCD a segmenti 6x33 e un driver per tastiera touch.

APPLICAZIONI FAMIGLIA EV8XXX
I chip PLC di Semtech sono destinati principalmente all'uso in sistemi di automazione, telecomando e controllo di oggetti remoti, le aree di applicazione più popolari:
Reti di automazione degli edifici (AMI);
Sistemi di controllo delle luci di atterraggio negli aeroporti;
;
Reti locali domestiche;
Equipaggiamento intelligente ("oggetti intelligenti"), incl. elettronica di consumo;
Sistemi di monitoraggio e controllo per centrali solari;
Reti di illuminazione stradale;
Apparecchiature di comunicazione con le sottostazioni;
Sistemi di gestione del traffico.
Tra tutte, il focus principale sono le reti AMI (Smart Metering Infrastructure) che integrano contatori intelligenti, concentratori di dati, strumenti di gestione dell'energia, display e altri componenti dei sistemi di automazione degli edifici (Fig. 7).

La comunicazione della linea di campo è l'elemento principale sistemi automatizzati controllo e contabilizzazione dei vettori energetici utilizzati dalle utilities. I principali vantaggi di questa tecnologia sono: la capacità di ricevere automaticamente informazioni da locali residenziali e industriali situati in aree remote con bassa densità di popolazione e scarsa qualità delle infrastrutture, lunga durata, scalabilità e bassi costi. Il principio di funzionamento del sistema è abbastanza semplice. L'elettricità dalla centrale viene trasmessa attraverso un cavo ad alta tensione alla sottostazione. Qui, la tensione viene ridotta e distribuita a un gran numero di sottostazioni di trasformazione a bassa tensione che abbassano la tensione domestica. Di solito, da 500 a 1000 consumatori finali sono collegati a un trasformatore. Pertanto, possiamo offrire la seguente opzione per la costruzione di sistemi PLC per questi scopi: un concentratore, che funge da nodo centrale, è basato su sottostazioni a bassa tensione e raccoglie regolarmente (ad esempio una volta ogni ora) i risultati delle misurazioni dai contatori (questi possono essere non solo contatori elettrici, ma anche acqua, calore, gas). Inoltre, le informazioni vengono inviate al server per un'ulteriore elaborazione, ad esempio tramite il canale GSM. Questo tipo di sistema non si limita a ricevere informazioni dai contatori e può svolgere altre funzioni.
Per l'implementazione pratica di questo sistema, Semtech offre uno starter kit per sviluppatori che include sia soluzioni pronte all'uso basate sui chip EV8000, EV8100 ed EV8200 per l'organizzazione più rapida del trasferimento dati su una rete PLC, sia strumenti di debug per valutare le capacità del sistema (Tavolo 2).

Questi ultimi sono moduli per nodi terminali (contatori) e concentratori, il cui pacchetto include tutto il necessario, comprese le raccomandazioni per l'uso, nonché il software per impostare i parametri dei singoli nodi e monitorare la qualità della comunicazione nella rete progettata. Allegato GUI consente di programmare la gamma di frequenza operativa, il tipo di modulazione, la velocità di trasmissione, il livello di potenza in uscita, ecc., nonché di monitorare visivamente i tassi di errore PER e BER nei pacchetti di dati ricevuti.
I kit di debug EVM8K-01, EVM8K-02 e EVM8K-03 possono fungere sia da nodi di misura remoti che da concentratori di raccolta dati. I moduli sono progettati per singolo e reti trifase, alimentato da una sorgente AC incorporata con una tensione di 80-280 V (EVM8K-01 e EVM8K-02) o da una sorgente DC con una tensione standard di 12 V (EVM8K-01 e EVM8K-03). La comunicazione con il controller host avviene tramite interfacce RS-232 o USB. Il kit EVM8K-13 è un hub di rete che combina un modem basato su EV8000 su una singola scheda PLC con un microcontroller RISC a 32 bit necessario per eseguire un'applicazione utente. Il kit è in grado di servire fino a 500 nodi terminali (fino a 2000 in opzione) Tra le caratteristiche distintive si segnala la presenza di un modem 3G/EDGE/GPRS, un modulo GPS e una SD card da 8 GB “on board” . Oltre ad trasmissione senza fili dati al server, è anche possibile utilizzare le interfacce RS-232, USB o Ethernet. Aspetto esteriore i kit di debug sono mostrati in fig. otto.

CONCLUSIONE
L'ampia distribuzione delle reti elettriche a bassa tensione 0,22-0,38 kV e l'assenza di costosi lavori di installazione per la posa dei cavi stimolano un crescente interesse per le reti elettriche come mezzo di trasmissione dati. Attuale Sviluppo PLC la tecnologia è in gran parte dovuta all'emergere di standard normativi generalmente accettati e al miglioramento della base di elementi corrispondente. I modem PLC di Semtech, caratterizzati da un elevato grado di integrazione, forniscono un canale di comunicazione stabile e a prova di rumore con un throughput sufficientemente elevato.

BIBLIOGRAFIA
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2. Sito ufficiale di Semtech. www.semtech.com
3. Brochure del prodotto. EV8000: Modem PLC multimodale a chip singolo.
4. Brochure del prodotto. EV8010: Modem PLC basato su standard a chip singolo.
5. Brochure del prodotto. EV8020: Modem PLC basato su standard a chip singolo.
6. Brochure del prodotto. EV8100: SoC con display multimetro con PLC integrato.
7. Descrizione del prodotto. prodotti di comunicazione su linea elettrica.

Tecnologie e standard di comunicazione

LON è una rete operativa locale. Per implementare reti casa intelligente usato apparso nel 1998 tecnologie di rete, come LonWorks, HomeRF e Bluetooth.
rete radiofonica domestica Casa RF basato sul protocollo industriale aperto di accesso wireless collettivo (Shared Wireless Acess Protocol - SWAP), sviluppato da gruppo di lavoro produttori di sistemi RF domestici (Home Radio Frequency Working Group - HomeRF). Il gruppo, formato nel marzo 1998, ha riunito più di 90 produttori (tra cui Intel). La banda di frequenza utilizzata è 2,4 GHz con capacità di salto di frequenza. La rete funziona con un segnale simile al rumore (NLS) e supporta una velocità di trasmissione dati di 2 Mbps a una distanza massima di 50 m. Sono disponibili sul mercato prodotti come gli strumenti di rete della serie AnyPoint da Intel e HomeLINE di Farallon. AnyPoint include un adattatore per collegare più PC tramite una porta USB alla presa telefonica più vicina.
Popolare Piattaforma Bluetooth progettato per la banda 2,45 GHz. Prevede l'utilizzo di un ricetrasmettitore frequency hopping (1600 hop/s) e il funzionamento in modalità time multiplex. Nell'intervallo da 10 cm a 10 m, la velocità di trasmissione dati è di 1 Mbps. La portata è breve, ma può essere aumentata a 100 m aumentando la potenza del segnale trasmesso

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17.10.1999 Yuri PODGURSKY, Vladimir Zaborovsky

Recentemente, c'è stato un aumento di interesse per i mezzi di trasmissione dei dati sulle linee elettriche. Ciò è dovuto, in primo luogo, alla crescente necessità di telecomunicazioni sia a livello globale che locale.

I sistemi di controllo e monitoraggio nell'industria e nei trasporti, nella medicina, nell'energia, nei sistemi di sicurezza ambientale e in altri settori dell'attività umana stanno diventando più intelligenti e distribuiti. Allo stesso tempo, stanno prendendo piede nuovi tipi di scambio di informazioni: domotica, reti di piccoli uffici e uffici domestici (SOHO), sicurezza distribuita e altri sistemi di segnalazione, che richiedono anche un'infrastruttura di comunicazione sviluppata. Allo stesso tempo, il fattore economico gioca un ruolo decisivo: i mezzi di scambio delle informazioni, essendo uno “strumento” di comunicazione, devono essere economici e ampiamente disponibili.

Sullo sfondo della debole infrastruttura della comunicazione cablata russa, c'è l'uso diffuso delle reti elettriche, l'assenza della necessità di lavori costosi associati alla creazione di trincee e pozzi, muri di perforazione e posa di cavi, nonché la possibilità di formare canali di comunicazione simmetrici (Fig. 1) che stimolano un maggiore interesse per le reti elettriche come mezzo di comunicazione.

Caratteristiche delle linee elettriche

La complessità dell'organizzazione della comunicazione sulle linee elettriche risiede nel fatto che le reti elettriche esistenti non erano originariamente destinate alla trasmissione di dati. Sono caratterizzati da un elevato livello di rumore e da una rapida attenuazione del segnale ad alta frequenza, oltre che dal fatto che i parametri di comunicazione della linea, costanti per gli ambienti fisici tradizionali, cambiano sensibilmente nel tempo a seconda del carico di corrente . Una caratteristica specifica delle linee elettriche è la loro topologia ad albero ramificato. Inoltre, nell'organizzazione della comunicazione, deve essere garantita la compatibilità elettromagnetica e la schermatura dei processi di trasmissione dei dati dall'effettivo consumo di energia.

L'implementazione di sistemi di trasmissione dati su linee elettriche in Russia è associata a ulteriori difficoltà, che consistono nel fatto che le caratteristiche tecniche delle reti elettriche domestiche differiscono dalle caratteristiche delle reti occidentali e, forse (cosa ancora più importante), non esistono standard che definire i parametri principali dei sistemi di trasmissione dati sulle linee elettriche.

Principali applicazioni

Attualmente ci sono diversi standard approcci sistemici alla trasmissione di informazioni sulle linee elettriche. Le differenze tra loro consistono principalmente nel concentrarsi su una specifica classe di applicazioni, nonché nei metodi e nei mezzi per garantire l'affidabilità scambio di informazioni.

Le aree di applicazione più importanti delle comunicazioni basate su reti elettriche sono mostrate in fig. 2. Ciascuna classe di applicazioni è caratterizzata da requisiti specifici per la velocità e la portata della trasmissione, il metodo di accesso e altri indicatori che determinano la qualità della trasmissione.

I sistemi di controllo e contabilità distribuiti a bassa velocità includono i sistemi controllo automatico in negozi e aree di produzione, sistemi di supporto alla vita degli edifici (ascensori, condizionatori, ventilazione), sistemi di accumulo, misurazione dei consumi energetici, sistemi di sicurezza e antincendio in villaggi turistici, cooperative di garage, ecc.

Un'altra classe di applicazioni sono gli strumenti domotici che consentono il controllo completo degli elettrodomestici fino all'accensione coordinata automatica di caffettiere e tostapane, oltre a visualizzare l'immagine dalla videocamera di ingresso su uno schermo TV quando compaiono ospiti inaspettati. Ciò include anche le reti locali per la casa e i piccoli uffici distribuiti all'interno di un piccolo edificio o di un appartamento separato.

Di indubbio interesse sono esempi dell'uso riuscito delle reti elettriche per l'organizzazione collegamento telefonico negli insediamenti e in aree limitate e, inoltre, per fornire accesso a Internet ad alta velocità. I progressi in questo settore possono non solo modificare gli equilibri di potere nel mercato ISP, ma anche dare vita a nuovi principi per la progettazione delle reti elettriche di potenza e la loro strutturazione ottimale, tenendo conto sia dei requisiti energetici che di comunicazione.

Architettura di interazione

L'architettura di interazione informativa basata sulle reti elettriche ha una struttura gerarchica; in forma generalizzata, è presentato in Fig. 3. Anche all'interno della stessa area di applicazione, le sue implementazioni specifiche differiscono per i metodi di consegna affidabile dei dati a diversi livelli della gerarchia.

Il miglioramento dell'affidabilità della trasmissione a livello fisico è associato alla scelta del metodo di modulazione e della gamma di frequenza, utilizzando l'elaborazione del segnale digitale e metodi di controllo adattativi. Qui, prima di tutto, va notato che gli algoritmi di modulazione a banda larga (Spread Spectrum), che aumentano significativamente l'immunità al rumore della trasmissione, sono promettenti.

Quando si utilizza la modulazione SS, la potenza del segnale viene distribuita su un'ampia banda di frequenza e il segnale diventa invisibile sullo sfondo dell'interferenza. All'estremità ricevente, le informazioni significative vengono estratte dal segnale simile al rumore utilizzando un unico dato segnale sequenza di codice pseudo-casuale. Con l'aiuto di codici diversi, è possibile trasmettere più messaggi contemporaneamente in un'ampia banda di frequenza. Il principio descritto è alla base del metodo di accesso multiplo a divisione di codice (CDMA). Le tecnologie di modulazione SS e CDMA sono discusse in dettaglio in letteratura (utilizzando principalmente esempi nelle reti telefoniche cellulari). Qui notiamo solo che oltre all'immunità al rumore, la modulazione SS fornisce un alto livello di protezione delle informazioni.

I modi principali per migliorare l'affidabilità della trasmissione a livello di collegamento sono i seguenti:

• dividere i pacchetti di dati in frame di piccola lunghezza;
• utilizzo di codici correttivi per rilevare e correggere errori;
• applicazione di protocolli di trasmissione affidabili di basso livello basati su riconoscimenti di frame brevi;
• utilizzo metodi efficaci controllo di accesso al supporto di trasmissione dati.

I pacchetti brevi consentono di aumentare non solo la probabilità di trasmissione affidabile di una porzione di dati, ma anche l'efficienza di adattamento del lato trasmittente alle caratteristiche della rete in rapido cambiamento. Quando si utilizza la modulazione a banda larga, ciò si esprime nella ridistribuzione ottimale della potenza del segnale nella banda di frequenza, tenendo conto dell'effettivo spettro di interferenza.

Alcune aziende hanno sviluppato protocolli di accesso ai media ottimizzati che tengono conto delle peculiarità delle applicazioni "grid" e della rumorosità delle linee elettriche. Poiché una parte significativa di tali applicazioni (contabilità automatica, allarme di sicurezza, domotica) presuppone la presenza di un nodo attivo nella rete, si consiglia di utilizzare metodi di polling o token pass per fornire l'accesso. Ciò elimina i problemi di riconoscimento del vettore nelle reti rumorose e la necessità di rilevare le collisioni. Al fine di aumentare l'affidabilità del controllo di accesso stesso, durante il passaggio del token viene utilizzato il principio delle "tre strette di mano".

Componenti di base

Tipico diagramma funzionale e le componenti principali del nodo di comunicazione della "rete di comunicazione elettrica" ​​sono mostrate in fig. quattro.

Il cuore del nodo di comunicazione sono i controllori della rete, del canale e dei livelli fisici; questi ultimi sono spesso chiamati anche ricetrasmettitori o ricetrasmettitori. Di norma, questi componenti sono implementati sulla base di microprocessori universali o specializzati e sono prodotti da numerose aziende sotto forma di chipset.

Il modulo di isolamento (connessione) svolge generalmente due funzioni: isola l'apparecchiatura del nodo di comunicazione dalla tensione di alimentazione e separa il segnale informativo dalla tensione di alimentazione. Di solito questo modulo è costituito da componenti elettronici separati.

Alcune aziende producono speciali chip per amplificatori di potenza che consentono di trasmettere un segnale su lunghe distanze. Sulla base di questi componenti è possibile realizzare un modem elettrico con interfaccia utente standard o personalizzata.

Per garantire la compatibilità di prodotti di diversi produttori (all'interno della stessa classe di applicazioni), si stanno compiendo sforzi per standardizzare le tecnologie per la trasmissione delle informazioni sulle linee elettriche.

Tecnologie e prodotti

Le tecnologie più comuni per la trasmissione dati su reti elettriche 120/220 V sono:

• X-10 della stessa azienda ( http://www.x10.com);
• CEBus di Intellon ( http://www.intellon.com);
• Echelon Corporation LonWorks ( http://www.echelon.com);
• Adaptive Networks, offerto dall'omonima azienda ( http://www.adaptivenetworks.com);
• DPL 1000 prodotto da NOR.WEB ( http://www.nor.webdpl.com).

Tecnologia X-10 sviluppato nel 1978 dalla società X-10 con particolare attenzione al controllo remoto di lampade e semplici elettrodomestici. Per la trasmissione informazioni binarie qui viene utilizzata la generazione di brevi impulsi radio con una frequenza di 120 kHz nel momento in cui la tensione alternata passa per zero. La scelta di tale schema di codifica è dovuta al fatto che il valore di tensione zero è caratterizzato da livelli di rumore più bassi e dall'influenza di altri dispositivi collegati alla rete.

Il binario "1" corrisponde alla trasmissione di una frequenza di 120 kHz per 1 ms e il binario "0" - l'assenza di un impulso radio. Per ridurre gli errori, vengono utilizzati due passaggi per lo zero per trasmettere un bit. Pertanto, la velocità di trasmissione è limitata a 60 bps (per una rete a 120 V, 60 Hz).

Il livello dell'applicazione corrisponde al linguaggio di controllo per i dispositivi più semplici. Un comando X-10 completo è costituito da due pacchetti separati da intervalli di tre periodi e richiede 47 cicli o circa 0,8 secondi per essere trasmesso.

I controller e gli adattatori X-10 sono prodotti da molte aziende statunitensi. In numerosi paesi europei sono disponibili prodotti X-10 adattati alle reti elettriche europee. Il costo dei moduli X-10 varia da $ 8 per un ricevitore passivo a $ 50-100 per un dispositivo attivo multifunzionale.

I principali svantaggi del sistema basato su X-10 sono la bassa velocità di trasmissione e la funzionalità limitata.

Tecnologia Intellon CEBus (Intellon SSC)è stato creato da Intellon per la trasmissione di dati su linee elettriche (120 V, 60 Hz) secondo lo standard di rete domestica CEBus (altro informazioni dettagliate questo standard può essere trovato su Internet all'indirizzo http://www.CEBus.com). Lo standard CEBus (EIA-600) definisce i requisiti che consentiranno l'interazione di elettrodomestici e dispositivi domotici basati su vari mezzi di trasmissione fisici: linee elettriche, canali radio e infrarossi, cavo coassiale, ecc. Il modello CEBus include protocolli applicativi, rete, canale e strati fisici del modello di riferimento OSI.

Le funzioni del livello dell'applicazione sono eseguite dal Common Application Language (CAL), descritto nel documento EIA-721. Definisce una sintassi unificata per descrivere il funzionamento di vari dispositivi e una serie di comandi standard. CAL è un linguaggio orientato agli oggetti che consente di impostare contesti applicativi di interazione, in particolare il controllo del suono di un televisore, centro musicale, videoregistratore e lettore CD. Ogni contesto è ulteriormente suddiviso in oggetti che rappresentano controlli come volume, luminosità e così via.

Protocollo livello di rete genera pacchetti di dati contenenti tutte le informazioni necessarie sugli indirizzi di origine e di destinazione.

Lo standard CEBus prevede un modello di interazione peer-to-peer, in cui ogni nodo ha libero accesso alla rete. Il meccanismo CSMA/CDCR viene utilizzato per prevenire le collisioni a livello di collegamento.

A livello fisico, il protocollo Intellon CEBus Powerline Carrier utilizza la tecnologia di modulazione SS per trasmettere ogni bit di dati nella banda di frequenza 100-400 kHz.

Intellon offre una famiglia di prodotti Power Line Evaluation Kit che implementano la tecnologia Intellon CEBus dal chipset alla soluzione di sistema e agli strumenti di progettazione di rete. Costa $ 245. Secondo quanto riferito, Microsoft ha acquisito una licenza per utilizzare la tecnologia CEBus di Intellon per trasmettere dati sulle reti elettriche.

Tecnologia LonWorks (Local Operation NetWorks). sviluppato dalla società americana Echelon con l'obiettivo di creare sistemi di controllo distribuito (reti) per scopi industriali e domestici. LonWorks fornisce gli strumenti e gli elementi costitutivi necessari per progettare, installare e mantenere nodi e sottosistemi cooperanti intelligenti, inclusi tipi diversi sensori, dispositivi di controllo, indicazioni, ecc.

I componenti principali della tecnologia LonWorks sono:

• protocollo Lontalk;
• Microprocessore Neuron Chip (CPU 3 x 8 bit, 10 KB RAM, 10 KB ROM);
• moduli specializzati - ricetrasmettitori per vari mezzi di trasmissione, moduli di controllo, schede di rete e router;
• strumenti di progettazione - LonBuilder (configurazione e debug di reti LonWorks), NodeBuilder (configurazione di un singolo nodo), LonMaker (analisi del protocollo);
• gateway software - Ethernet, T1, X.25, Bitbus, Profibus, CAN, Modnet, SINEC, Grayhill, Opto22 (digitale), OptoMux, Modbus, ISAbus, bus STD32, PC/104, VMEbus ed EXMbus.

La tecnologia LonWorks si basa sul protocollo LonTalk utilizzato dai nodi di rete per lo scambio di informazioni. Ogni nodo di rete deve contenere un microprocessore che implementa le funzioni di questo protocollo.

Il protocollo LonTalk è aperto e può essere "incorporato" in qualsiasi microprocessore adatto. Un esempio di tale incorporamento è il microprocessore Neuron Chip menzionato sopra, che è stato sviluppato utilizzando la tecnologia LonWorks ed è prodotto da Motorola e Toshiba. Questo chip fornisce un'implementazione di riferimento di LonTalk e può essere utilizzato sia in attività di controllo dello scambio di dati che per testare altre implementazioni di questo protocollo.

LonTalk è un protocollo di comunicazione a sette livelli che consente una trasmissione dati affidabile su una varietà di supporti fisici - doppino, canale radio (RF), canale a infrarossi, linee elettriche, cavo coassiale o ottico. Per ogni tipo di ambiente sono stati sviluppati ricetrasmettitori che supportano il funzionamento della rete a diverse lunghezze di canale, velocità di trasmissione e topologie di rete. Il metodo di accesso utilizzato è CSMA.

Per 24/120/220/380/480 V CA (50/60/400 Hz) e corrente continua sono stati sviluppati diversi ricetrasmettitori (PLT), realizzati sotto forma di microcircuiti e microassiemi.

Il prezzo dei componenti LonWorks è piuttosto alto: $ 42 per un ricetrasmettitore, da $ 2.000 per un sistema di programmazione.

La tecnologia LonWorks è utilizzata principalmente nella costruzione di sistemi di supporto vitale, industriale e domotico. È una delle principali reti di controllo distribuito nel settore. Ciò è confermato anche dal fatto che recentemente Microsoft è stata attivamente coinvolta nello sviluppo di reti domestiche basate su LonWorks e Cisco Systems ha dimostrato la capacità di accedere ai nodi della rete LonWorks tramite Internet utilizzando i normali browser.

Società Reti Adattive (ANI) produce una gamma di prodotti che supportano una trasmissione dati altamente affidabile su qualsiasi tipo di cablaggio elettrico, compresi quelli corrispondenti alla norma europea CENELEC. Fornisce la tecnologia brevettata ANI velocità effettiva trasmissioni fino a 115 kbps (velocità fisica 268 kbps) e affidabilità paragonabile a quella di un'infrastruttura via cavo dedicata.

Nel 1991, la tecnologia Adaptive Networks è stata approvata come standard di comunicazione dati per i sistemi di controllo nei contenitori refrigerati di bordo (ISO 10368). I suoi tratti distintivi sono:

• garantire una trasmissione dati affidabile quando alto livello interferenza dovuta al rapido adattamento del segnale a banda larga alle effettive caratteristiche della rete elettrica;
• la capacità di lavorare con il software di rete esistente orientato al doppino intrecciato o ad altro tipo di cavo;
• utilizzo di un protocollo di livello di collegamento trasparente e affidabile con correzione degli errori (la probabilità di trasmissione errata di un bit è 10 -9);
• implementazione integrata che non richiede logica di interfaccia aggiuntiva;
• uno schema ibrido di accesso token all'ambiente, utilizzato quando la rete è piuttosto occupata.

Chipset e moduli sono ora disponibili per fornire throughput effettivi di 4,8 (AN48), 19,2 (AN192) e 100 kbps (AN1000). Gli strumenti di progettazione (Kit di valutazione) sono offerti per ogni chipset. Il costo dei componenti e Strumenti abbastanza alto.

TecnologiaDPL 1000, consentendo di trasmettere dati su reti elettriche a velocità fino a 1 Mbps, sviluppato dalla società inglese NOR.WEB (una joint venture tra Nortel Networks e United Utilities).

Il DPL 1000 può essere giustamente considerato un passo rivoluzionario nello sviluppo della trasmissione dati su linee elettriche, poiché apre possibilità quasi universali accesso diretto almeno su Internet prezzi bassi. Se i test attualmente in corso in diversi paesi europei confermeranno l'operatività dei sistemi basati sul DPL1000, in futuro possiamo aspettarci cambiamenti significativi nel mercato dei servizi dei provider e prezzi più bassi per l'accesso a Internet.

La nuova tecnologia si basa su mezzi brevettati per proteggere i dati dalle interferenze elettriche. Non ci sono praticamente dettagli tecnici sulla sua implementazione nelle fonti disponibili. Il DPL 1000 è una soluzione di trasmissione dati completa dalla sottostazione di trasformazione ridotta all'utente finale a casa o in ufficio.

In accordo con la tecnologia DPL 1000, viene eseguita una certa regolazione dei parametri di funzionamento di un frammento della rete elettrica di distribuzione collegata all'avvolgimento di bassa tensione del trasformatore riduttore, dopo di che può essere utilizzato come rete locale. Ciò elimina il problema dell'"ultimo miglio" per i provider Internet e fornisce un accesso diretto costante degli utenti a Internet senza scaricare le linee telefoniche degli abbonati.

Le LAN basate su DPL 1000 includono i seguenti componenti hardware:

• stazione centrale, che fornisce il collegamento della rete locale ai principali canali di comunicazione e l'amministrazione della rete;
• una stazione base situata presso una cabina di trasformazione e che realizza il collegamento di una rete locale informativa agli elettrodotti a bassa tensione;
• dispositivo di connessione, che viene installato all'ingresso del cavo di alimentazione dell'abitazione (accanto al contatore elettrico) e prevede l'aggancio alla rete informativa interna;
• modulo di comunicazione collegato a un computer su cui è installato il software di comunicazione.

Al momento, zone dimostrative sono state implementate in diversi paesi europei per "testare" la tecnologia DPL 1000. Ad esempio, nel Regno Unito, una scuola globale è collegata a Internet con il suo aiuto e in Germania, basata sul DPL 1000, i primi utenti hanno ricevuto un accesso permanente al World Wide Web ad una velocità fino a 1 Mbps in entrambe le direzioni.

I componenti separati per la trasmissione dei dati su reti elettriche sono realizzati da altre società, tra cui si segnalano Intelogis e ITRAN.

Elenco delle abbreviazioni utilizzate

AMR (lettura automatica del contatore)- Lettura automatica del contatore. ASK (commutazione ampiezza-maiuscole)- manipolazione dell'ampiezza. ASST (Adaptive Spread Spectrum Transmission)- trasmissione adattiva a banda larga; tecnologia brevettata da Adaptive Networks. BPSK (Chiave a spostamento di fase binario)- codifica a sfasamento a due posizioni. CAL (linguaggio applicativo comune)- linguaggio applicativo unificato della norma CEBus. CEBus (bus dell'elettronica di consumo)- autobus di elettronica di consumo; uno standard di comunicazione della rete domestica sviluppato dall'EIA. CENELEC (Comitato Europeo di Normazione Elettrotecnica)- Comitato Europeo delle Norme Elettriche. CDMA (Accesso multiplo a divisione di codice)- accesso multiplo a divisione di codice. Metodo di accesso quando si utilizza la modulazione a banda larga (SS). Viene eseguito moltiplicando una sequenza di bit di informazione utili per una sequenza pseudo-casuale individuale di impulsi più brevi. DCSK (codifica a scorrimento del codice differenziale)- codificazione del codice differenziale; tecnologia di modulazione a banda larga sviluppata da ITRAN Communications. DPL (Linea elettrica digitale)- linea elettrica "digitale". VIA (Associazione dell'industria elettronica)- Associazione dell'industria elettronica. FCC (Commissione federale per le comunicazioni)- Commissione Federale per le Comunicazioni (USA). FSK (commutazione frequenza-maiuscole)- chiave di spostamento della frequenza. ICSS (circuito integrato/spettro diffuso)- circuiti integrati per la modulazione a banda larga; marchio di National Semiconductor. PLT (ricetrasmettitore di linea elettrica)- un ricetrasmettitore per la trasmissione dei dati sulla linea elettrica. PSK (commutazione Phase-Shift)- codifica di fase, in cui la fase portante prende solo fissi da una serie valori consentiti(ad esempio, 0, 90, 180 e 270 gradi) e l'informazione è incorporata nelle modifiche nella fase portante. SOHO (piccolo ufficio/ufficio domestico)- piccolo/home office. SSC (portatore di spettro diffuso)- vettore "banda larga". SST (trasmissione a spettro diffuso)- trasmissione a banda larga.

Elettromodem EM-20 e EM-30

Produttore: Istituto centrale di ricerca di RTK Tipo di dispositivo: mezzo di trasmissione delle informazioni sulla rete di alimentazione 220/380 V Linee di comunicazione: alimentazione di rete 24/120/220/380 V AC (50/60/400 Hz) o DC, nonché linee diseccitate Gamma di trasmissione, km: 0,5-1,0 (territorio di una sottostazione) Velocità di trasferimento, kbps: 4.8; 9.6 o 50.0 Interfacce: RS-232, RS-485, personalizzato Capacità di chiamata diretta Capacità bidirezionale Trasmissione vocale multicanale Aree di utilizzo: sistemi di sicurezza integrati (sicurezza, antincendio, allarmi di emergenza in garage, cooperative di giardinaggio, musei, riserve naturali, hotel); sistemi per la telecontabilità dei parametri e il controllo distribuito (sistemi locali di risparmio energetico, sistemi di pompaggio e accumulo); sistemi di trasmissione delle informazioni rapidamente implementati (mostre, eventi sul campo); automazione di edifici ed oggetti di regime speciale; reti locali di dati e fonia basate su linee elettriche a 220/380 V esistenti.