Использование линий электропроводки в качестве среды передачи информации (стр. 5 из 6)
¾ Узкополосный шум (до 50-60 дБ мкВ)
Измерения в зданиях показывают уровень шума в тех же пределах. Сравнимые уровни были зарегистрированы и в компьютерных сетях.
3.2.4 Ограничение уровня сигнала во избежание нарушения работы других сетевых устройств.
PLC-системы не должны нарушать работу других устройств, подключенных к той же сети. Защищенность таких устройств против проводимого «шума» в частотном диапазоне от 0,15 до 80 Мгц обеспечивается Общим стандартом EMC. Это намного больше, чем уровень сигнала PLC (см. параграф 5.6 ниже) и опасность такого воздействия исключена.
3.2.5 Ограничение уровня сигнала из-за излучаемых полей.
Напряжение в PLC-системах и токи, циркулирующие в сетях низкого напряжения, порождают электромагнитное излучение, которое может взаимодействовать с радиослужбами, работающими на той же частоте. Фактически, диапазон 1-30 Мгц, включающий в себя соответственно длины волн 300-10 м, занят коротковолновыми широковещательными службами и другими зарезервированными сервисами, такими как сигнализация, полиция и т.д. Конечно же, их функции не должны нарушаться PLС-системами, и это является основной заботой властей и пользователей.
Некоторые особенности электросетей:
¾ каждый проводник излучает электрические и магнитные поля. Когда два проводника с противоположно направленными токами находятся очень близко друг к другу, результирующее поле очень мало, практически пренебрежимо.
¾ Если проводники находятся на некотором расстоянии, некоторое поле образуется вследствие асимметрии между двумя компонентами. Так происходит в случае силовых кабелей 3ф +(N+G) во внешней области, особенно когда N-проводник заземлен. Асимметрия становится еще значительнее в случае надземных линий.
Асимметрия возникает также внутри зданий и комнат вследствие «дикой» конфигурации внутренней проводки, розеток, бытовых приборов и т.д.
Пределы для PLC-сигналов даны на время в двух формах: как ограничения на излучаемые поля или как ограничения на уровень сигнала в сети. Рисунок 4 демонстрирует допустимые пределы для полей, излучаемых PLC-сигналами, определяемые различными национальными властями. Британские требования более жесткие, американские — более мягкие.
Рисунок 4. Ограничения на излучаемые поля в Британии, Германии и США.
Перед установкой новой PLC-системы необходимо определить поле, которое она может породить. Что касается силовых кабелей, в этом случае поля, создаваемые PLC-системой могут быть вычислены. Однако на практике оказывается, что, по сравнению с прямым измерением электрических полей, вычисления дают слишком большие значения. Это можно объяснить тем фактом, что рядом с кабелем мы не можем определить поле в удаленных областях. В зданиях конфигурация проводки настолько сложна, что практически применимы только статистические измерения. В основном дальнейшие статистические исследования и представляются необходимыми. Нас интересуют создающие помехи поля на расстоянии 1,3, максимум 10 м от силовых линий или внутри комнаты.
Чтобы с большей легкостью оценить эти поля, было предложено упрощение — использовать замещающую функцию, названную «коэффициент соединения». Он может быть определен как отношение:
E(f) – Электрическое поле в В/м
kE = ———————————————
U(f) — Напряжение передаваемого сигнала в В
Практически в этом частотном диапазоне легче измерять магнитное поле и преобразовывать результат в электрическое поле путем умножения на сопротивление пустого пространства Zo (377Ω)
E(f) μV/m = H(f) μA/m*Zo или E(f) dBμV = K(f)dB μA/m + 51,5dB
Замечание: Другое предложение заключается в том, чтобы соотнести коэффициент соединения с вводимой мощностью, но этот метод выглядит менее простым при проведении измерений в узле сети.
Рис. 5 иллюстрирует пример измерений коэффициента соединения. Практически существуют огромный разброс значений этого коэффициента, возможно, по причине эффекта резонанса, который делает прогноз полей крайне неточным.
Рисунок 5. Коэффициент соединения для напряжения поблизости от частного дома.
При первом приблизительном рассмотрении, могут быть получены следующие значения коэффициента соединения:
— силовые кабели во внешних областях: от -35 до -55 дБ
— внутренние площади: от -20 до 40 дБ
Что касается узкополосных PLC-систем, было проведено множество измерений полей. Несколько систем, например, входящие в ENEL в некоторых итальянских городах, уже в регулярном использовании в течение некоторого времени или расширяются в данный момент.
Недавно в некоторых странах были проведены или стали рассматриваться на предмет запуска измерения полей, связанные с широкополосными PLC-системами.
Результаты, полученные в ходе этих измерений, привели к следующим заключениям:
¾ удовлетворительная производительность высокоскоростного доступа в Интернет и телефонии
¾ различные нужды/возможности оптимизации; например, путем оптимизации программного обеспечения и модификации использования части частотных полос может быть достигнуто улучшение пропускной способности от 1,8 Мбит/с до 3 Мбит/с.
¾ ограничение сил поля до значения, соответствующего указанному в NB 30, может привести к снижению приемлемой дистанции для «последней мили» примерно вдвое. Ограничение в соответствии с EN 55022, Class B (жилой район), может вести к росту нерентабельности.
¾ Высокая заинтересованность потребителей в предложенных услугах, особенно достаточно высокой скорости передачи данных в Интернет в сочетании с неплохими тарифами. Увеличение конкурентоспособности входит в интересы Европейской Комиссии.
3.4 Модуляция сигнала и кодирование.
Методы модуляции сигналов и кодирование команд, в общем, не рассматриваются как проблемы, но, так как они тесно связаны с нарушениями работы сети, мы коротко рассмотрим их.
Что касается метода модуляции, в связи с передачей различных сигналов и иммунитету к импульсным помехам рассматриваются только широкополосные методы с частотным мультиплексированием. OFDM-модуляция (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам), похоже, пользуется наибольшим предпочтением. Она состоит в разделении доступного спектра на большое число подканалов и передаче данных по N из этих каналов с частотами f1,f2,…,fN. Преимущество этого метода состоит в том, что он позволяет избегать каналов, соответствующих запрещенным частотам и, в связи с этим, повысить уровень передаваемого сигнала. Подробнее мы остановимся на OFDM-модуляции, являющейся основой технологии PLC, немного позднее.
Метод кодирования должен выбираться в соответствии с конкретными выполняемыми функциями. Важный пункт, который надо учитывать — это одновременный запуск различных приложений, например, команд и Интернет или телефона. Каждому приложению при этом выделяется определенное количество каналов.
3.5 Руководство по определению уровня сигнала.
Различные факторы, описанные выше, которые должны быть учтены, делают относительно сложной оценку реальных характеристик PLC-системы. Следующий пример может служить руководством, принимая во внимание неуверенность в полученных коэффициентах. Предполагается система с операционной полосой шириной в 1Мгц (2Мбит/c), использование OFDM-модуляции (которая обеспечивает хорошую защиту против шумовых пульсаций) и средние значения учитываемых факторов.
Можно пойти следующим путем:
¾ Уровень широкополосных помех с В = 100 кГц » 35 дБ мкВ
В = 1 МГц ¾ до 45 дБ мкВ
¾ гарантийный резерв – 10дБ
¾ Затухание сигнала в силовом кабеле – 60 дБ
¾ Приложенное напряжение = 45+10+60 = 115 дБ мкВ / 0,56
¾ Коэффициент соединения: -45 дБ
¾ Излучаемое поле: 115 дБ – 45 дБ = 70 дБ ® 30 мВ/м
Другой метод вычислений может базироваться на спектре плотности энергии (СПЭ).
Некоторые замечания:
¾ Уровень сигнала внутри и около точки излучения превышает пределы, установленные в CISPR 22 (максимум 60 дБ)
¾ Излучаемое поле превышает допустимый для Германии и Британии уровень излучаемых полей (максимум вне кабеля 50дБ)
¾ Приведенный выше пример неприемлем. Параметры поля, указанные в NB30, могут быть получены при сигнале, меньшим на 20 дБ. Некоторые производители заявляют, что они могут удовлетворить эти требования. Однако требования CISPR очень жесткие, и вопрос встает остро, если для PLC не будут установлены более щадящие пределы.
3.6 Мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам
Технологию OFDM-модуляции рассмотрим на примере стандарта 802.11а.
По сути, OFDM является частным случаем техники передачи данных с использованием множества несущих (MultiCarrier Modulation -- MCM). Главный принцип MCM заключается в том, чтобы разделить основной поток бит на ряд параллельных подпотоков с низкой скоростью передачи и затем использовать их для модуляции нескольких несущих (поднесущих). При этом, вообще говоря, к каждой из поднесущих может быть применена любая техника модуляции. Общая структура MCM-системы представлена на рис. 1.
Традиционный метод разделения полосы пропускания заключается в применении частотных фильтров. Хорошо известным примером этой техники является мультиплексирование с разделением по частотам (Frequency Division Multiplexing -- FDM). На рис. 2 представлены типичные спектральные кривые для трех подканалов FDM. Чтобы избежать межканальной интерференции, спектры подканалов должны быть разделены защитной полосой. Такое требование приводит к неэффективному использованию выделенного частотного диапазона.