Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií a multimédií. Možnosti prenosu dát po energetických sieťach

Transcription

1 Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií a multimédií Možnosti prenosu dát po energetických sieťach Martin Gjabel 2008

2 Možnosti prenosu dát po energetických sieťach BAKALÁRSKA PRÁCA MARTIN GJABEL ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií a multimédií Študijný program: TELEKOMUNIKÁCIE Vedúci bakalárskej práce: Dr.Ing. Peter Vestenický Stupeň kvalifikácie: bakalár (Bc.) Dátum odovzdania bakalárskej práce: ŽILINA 2008

3 Abstrakt Bakalárska práca sa zaoberá technológiou prenosu dát po energetických vedeniach, označovanou ako PLC (Power Line Communication). V prvej časti sú popísané technické princípy tejto technológie, v ďalšej kapitole sú rozobraté niektoré úzkopásmové PLC technológie používané pre domovú automatizáciu. Ďalej sa práca zaoberá širokopásmovými PLC sieťami, kde sú popísané súčasné technologické riešenia pre prístup na internet a pre vytvorenie domácich sietí, pričom cieľom je porovnať vlastnosti PLC vzhľadom k iným technológiám, ekonomické hľadisko a tiež súčasný stav používania tejto technológie vo svete.

4 Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií a multimédií ANOTAČNÝ ZÁZNAM ZÁVEREČNÁ BAKALÁRSKA PRÁCA Priezvisko a meno : Gjabel Martin Školský rok : 2007/2008 Názov práce : Možnosti prenosu dát po energetických sieťach Počet strán : 49 Počet obrázkov : 31 Počet tabuliek : 6 Počet grafov : 0 Počet príloh : 0 Použitá liter. : 24 Anotácia (slovenský jazyk) : Bakalárska práca popisuje technické princípy prenosu dát po energetických vedeniach (PLC). Sú rozobraté niektoré úzkopásmové PLC technológie pre domovú automatizáciu, komerčné riešenia pre širokopásmový prístup na internet a domáce siete, pri ktorých je cieľom porovnať vlastnosti PLC vzhľadom k iným technológiám, ekonomické hľadisko a tiež súčasný stav PLC vo svete. Anotácia v cudzom jazyku (anglický jazyk) : The thesis describes technic principles of powerline communication (PLC). Some of narrowband PLC technologies for home automation and commercial solutions for internet broadband access and home networks are analyzed, whereas the goal is compare properties of PLC with the other technologies, economic view and current status of PLC over the world. Kľúčové slová: PLC, X-10, INSTEON, Ascom, DS2, HomePlug Vedúci práce: Dr. Ing. Peter Vestenický Recenzent práce: Dátum odovzdania práce:

5 Obsah Úvod Technológia PLC Základný prehľad použitia PLC Energetické rozvodné siete Napojenie signálu do siete Frekvencie pre prenos dát a štandardy Charakteristika prenosového kanála Charakteristika šumov Rušenie Modulačné techniky Sieťová architektúra PLC systémov Riadenie prístupu na médium Úzkopásmové PLC technológie pre domovú automatizáciu X INSTEON Analýza širokopásmových PLC Topológia širokopásmových PLC sietí Zariadenia Prehľad komerčných riešení pre širokopásmové PLC Ascom DS HomePlug Stav vo svete a na Slovensku Porovnanie s inými technológiami, ekonomická stránka, výhody a nedostatky Záver Zoznam použitej literatúry... 50

6 Zoznam obrázkov a tabuliek : Obrázok 1.1 Sieť TN-C-S... 4 Obrázok 1.2 Induktívna väzba... 5 Obrázok 1.3 Kapacitná väzba pre zariadenia firmy DS Obrázok 1.4 Kapacitná väzba... 6 Obrázok 1.5 Zapojenie pre spojenie fáz... 7 Obrázok 1.6 Rozdelenie frekvencií CENELEC pásma... 7 Obrázok 1.7 Typická prenosová charakteristika elektrického vedenia Obrázok 1.8 Niektoré používané káble Obrázok 1.9 Súvislosť útlmu so vzdialenosťou a frekvenciou Obrázok 1.10 Medzisymbolová interferencia Obrázok 1.11 Pôsobenie šumov Obrázok 1.12 Parametre impulzného šumu Obrázok 1.13 Súhlasný a diferenciálny signál Obrázok 1.14 Návrhy pre medzné limity žiarenia pre PLC Obrázok 1.15 Technológia Notching Obrázok 1.16 Modulácia GMSK Obrázok 1.17 Modulácia DSSS Obrázok 1.18 Modulácia OFDM Obrázok 1.19 Sieťové vrstvy špecifické pre PLC Obrázok 2.1 Časovanie impulzov X Obrázok 2.2 Vysielanie X-10 kódov počas periód Obrázok 2.3 Vysielanie X-10 kódov Obrázok 2.4 Význam jednotlivých X-10 kódov Obrázok 2.5 INSTEON komunikácia Obrázok 2.6 INSTEON štandardná správa Obrázok 3.1 PLC širokopásmové siete Obrázok 3.2 Frekvencie pre Ascom PLC Obrázok 3.3 Outdoor Master a Indoor Adapter Obrázok 3.4 PLC zariadenia od firmy Ilevo Obrázok 3.5 PLC moduly od firiem WodaPlug a Asoka Obrázok 4.1 Ascom inštalácie vo svete... 39

7 Tabuľka 1.1 Ciele projektu Opera Tabuľka 1.2 Parametre vedení Tabuľka 1.3 Amplitúdy a dĺžky trvania šumov Tabuľka 5.1 Ceny PLC zariadení Tabuľka 5.2 Porovnanie nákladov technológií Tabuľka 5.3 Porovnanie prenosových rýchlostí technológií... 47

8 Zoznam použitých skratiek : ACK ADSL AES AFE AGC AM AMR API ARQ ASK BPL BPSK CATV CENELEC CEPCA CP CPE CRC CSMA CSMA/CA CSMA/CD DBPSK DES DHCP DQPSK DSL DSP DSSS EMC ETSI FCC Acknowledge Asymmetric Digital Subscriber Line Advanced Encryption Standard Analog Front End Automatic Gain Control Amplitude Modulation Automatic Meter Reading Application Program Interface Automatic Repeat Request Amplitude Shift Keying Broadband over Powerline Binary Phase Shift Keying Cable Television Comité Européen de Normalisation Electrotechnique Consumer Electronics Powerline Communications Alliance Cyclic Prefix Customer Premises Equipment Cyclic Redundancy Check Carrier Sense Multiple Access Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection Differential Binary Phase Shift Keying Data Encryption Standard Dynamic Host Configuration Protocol Differential Quadrature Phase Shift Keying Digital Subscribe Line Digital Signal Processor Direct Sequence Spread Spectrum Electro Magnetic Compatibility European Telecommunications Standards Institute Federal Communications Commission

9 FDR FEC FSK FTTU GMSK GPIO GSM HDO HDTV HFC HURTO IA IEEE IF IM IP IPTV IR ISM ISP LAN LLC MAC MII MoCa MPLS MSK NAK NAT NN OA OAP OF OFDM Frequency Division Repeating Forward Error Correction Frequency Shift Keying Fiber To The User Gaussian Minimum Shift Keying General Purpose Input/Output Global System for Mobile Communications Hromadné Diaľkové Ovládanie High Definition Television Hybrid Fiber Coaxial High-performance Ultra Redundant Transmission OFDM Indoor Adapter Institute of Electrical and Electronics Engineers Indoor Foreman Indoor Master Internet Protocol IP Television Indoor Repeater Industrial Scientific and Medical Internet Service Provider Local Area Network Logical Link Control Media Access Control Media Independent Interface Multimedia Over Coax Multi Protocol Label Switching Minimum Shift Keying Negative Acknowledge Network Address Translation Nízke Napätie Outdoor Adapter Outdoor Access Point Outdoor Foreman Orthogonal Frequency Division Multiplexing

10 OM Outdoor Master OOK On Off Keying OPERA Open PLC European Research Alliance OR Outdoor Repeater OSI Open Systems Interconnection PAR Peak to Awarage Ratio PDA Personal Digital Assistant PLC Powerline Communication PC Personal Computer PCS Physical Carrier Sense PSD Power Spectral Density PSK Phase Shift Keying QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service RADIUS Remote Authentication Dial In User Service RC4 River s Cipher 4 RF Radio Frequency ROBO ROBust OFDM RTCP Real Time Transport Control Protocol RTP Real Time Transport Protocol SHDSL Symmetric High Speed Digital Subscriber Line SNMP Simple Network Management Protocol SPI Serial Peripheral Interface STP Spanning Tree Protocol TCC Turbo Convolution Code TCP Transmission Control Protocol TDD Time Division Duplex TDM Time Division Multiplexing TDMA Time Division Multiple Access TDR Time Division Repeating TELNET TELecommunication NETwork TFTP Trivial File Transfer Protocol UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter UDP User Datagram Protocol

11 UHF UPA UTP USB VCS VF VLAN VN VoIP VVN WAN ZVN Ultra High Frequency Universal Powerline Association Unshielded Twisted Pair Universal Serial Bus Virtual Carrier Sense Vysoká Frekvencia Virtual LAN Vysoké Napätie Voice Over IP Veľmi Vysoké napätie Wide Area Network Zvlášť Vysoké napätie

12 Úvod V súčasnej dobe, keď nastáva stále väčšia informatizácia spoločnosti, sa kladie veľký dôraz nielen na vytvorenie, ale aj spoľahlivé prenesenie a rozšírenie informácií. V potrebe dosiahnuť koncového užívateľa sú využívané viaceré známe technológie zahŕňajúce optické vlákna, telefónne káble, bezdrôtové spoje alebo satelitný prenos. Každá z týchto technológií ma svoje limity, čo sa týka ceny a tiež dostupnosti pre dostatočný počet užívateľov. Výhodou použitia energetických vedení ako prenosového média je to, že každá budova a dom má vybudované vedenia a je pripojená k sieti. Vo viacerých prípadoch môže byť jednoduchšie a cenovo výhodnejšie využiť existujúce elektrické vedenia ako budovať nové pre iné technológie alebo využívať bezdrôtové prenosy. Energetické vedenia boli najmä v minulosti považované ako vhodné iba na prenos elektrickej energie. S rozvojom moderných technológií vrátane širokopásmového prístupu na internet prišla potreba pre poskytovateľov rôznych služieb využívať riešenia schopné zabezpečiť služby užívateľom s minimálnymi nákladmi a pritom s čo najväčším výkonom. Len v relatívne nedávnom čase tieto firmy upriamili svoj záujem na využívanie komunikácie cez elektrické vedenia na účely prenosu dát. Potenciál tejto technológie na obojstranný vysokorýchlostný prenos dát a multimédií je ešte len skúmaný, táto myšlienka je relatívne nová, ale možnosti rôzneho použitia PLC technológie sú široké. Môže byť využívaná v domácich sieťach aj na domácu automatizáciu u stále populárnejších tzv. inteligentných domov. Taktiež je vhodná na modernizáciu meraní odpočtov energií alebo u systémov hromadného diaľkového ovládania energetickými spoločnosťami. PLC technológia má stále aj veľa negatív a vôbec nie je isté nakoľko sa dokáže presadiť v konkurencii iných široko nasadených a tiež stále sa rozvíjajúcich technológií, ktoré sú tomto období oveľa komerčne úspešnejšie. V každom prípade sa PLC môže v budúcnosti stať úspešnou alternatívou k ostatným technológiám

13 1. Technológia PLC 1.1 Základný prehľad použitia PLC Technológia, ktorá využíva pre prenos dát energetické siete používané na prenos elektrickej energie sa označuje ako PLC - Power Line Communication. Použitie elektrických sietí na prenos dát zahŕňa viacero možností : Úzkopásmové PLC : - Domová automatizácia PLC sa využíva v tomto prípade na ovládanie domácich spotrebičov a ďalších zariadení ako napr. klimatizácia, osvetlenie, bezpečnostné systémy atď. Môžu byť vytvorené plne automatizované sofistikované systémy označované ako tzv. Inteligentné domy. - AMR (Automatic Meter Reading) Automatické diaľkové odpočty energií umožňujú automatický diaľkový zber údajov o spotrebe energií a ďalších parametroch odosielaním dát z inteligentných meračov prostredníctvom PLC na tzv. koncentrátor, ktorý zhromaždené údaje odošle väčšinou bezdrôtovo napr. pomocou GSM do centrálnej databázy. Širokopásmové PLC : - Domové dátové lokálne siete V tomto prípade je možné vytvoriť LAN sieť bez potreby montáže nových káblov. Sieť sa môže vytvoriť privedením Ethernetu z počítača do PLC zariadenia, ktoré sa zapojí do elektrickej zásuvky, následne sa rovnakým spôsobom zapájajú aj ostatné PC. Domovou sieťou je možné prepojiť aj iné zariadenia ako sú set-top-boxy, herné konzoly, IP kamery, atď. - Širokopásmový prístup na internet Na pripojenie užívateľov na internet sú použité elektrické siete v budovách aj mimo budov. Táto technológia má snahu byť plnohodnotnou konkurenciou zavedeným technológiám ako sú DSL, CATV a podobne. Býva označovaná aj skratkou BPL (Broadband over Powerline)

14 Ďalšie technológie prenosu dát po energetických sieťach : - V experimentálnom štádiu je technológia používajúca prenos v UHF frekvenčnom pásme po jednom vodiči VN vedenia. Signál sa šíri povrchovou vlnou. Boli demonštrované vysoké prenosové rýchlosti až do 1 Gbit/s. [1] - HDO (Hromadné diaľkové ovládanie) Systémy HDO, založené na vysielaní kódovaných impulzov do vedenia, prevádzkujú energetické spoločnosti pre zmenu tarify odberu energie podľa zaťaženia rozvodnej siete a diaľkové ovládanie spotrebičov (napr. elektricky vykurované kotly). HDO sa môže používať aj napr. na ovládanie poplachových zariadení, verejného osvetlenia alebo časovú synchronizáciu verejných hodín. - Elektrárenská VF telefónia Táto technológia patrila medzi historické prvé snahy využiť elektrické vedenia na komunikáciu, prvé pokusy pomocou anténnej väzby signálu boli vykonané už v roku 1920, [2] neskôr sa okrem hovorov prenášali aj ďalekopisné a telemetrické správy. - Použitie v automobiloch Na prenos dát môže byť využívané vedenie jednosmerného prúdu v automobile. Použitie môže zahŕňať mechatronické, telematické alebo multimediálne aplikácie. - Rádiové vysielanie Elektrické vedenia boli využívané na AM rádiové vysielanie napríklad v ZSSR, v súčasnosti táto technológia existuje v menšej miere v USA, kde sa používa na vysielanie študentských rádiostaníc vo vysokoškolských areáloch. 1.2 Energetické rozvodné siete: Energetické siete, ktoré môžu byť využiteľné ako prenosové médium pre technológiu PLC sa rozdeľujú na : a) Sieť zvlášť vysokého napätia (ZVN) - vedenie s napätím medzi fázami od 300 kv do 800 kv. V podmienkach Slovenska sa štandardne využíva napäťová úroveň 400 kv. Je realizovaná nadzemnými vzdušnými vedeniami. b) Sieť veľmi vysokého napätia (VVN) - vedenie s napätím medzi fázami 52 kv až 300 kv. Na Slovensku sa štandardne využívajú napäťové úrovne 220 kv a 110 kv. Je realizovaná nadzemnými vzdušnými vedeniami

15 c) Sieť vysokého napätia (VN) - vedenie s napätím medzi fázami od 1 kv do 52 kv. V SR štandardne používaná úroveň 22 kv. Môže byť realizovaná nadzemnými vedeniami alebo podzemnými káblovými vedeniami. d) Sieť nízkeho napätia (NN) - vedenie s napätím medzi fázami od 50 V do 1 kv. Na Slovensku sa štandardne využíva napäťová úroveň 400 V pre 3-fázový prúd (napätie medzi fázami), čo znamená napätie 230 V voči zemi. V mestskej zástavbe býva realizovaná väčšinou káblovými vedeniami, v niektorých oblastiach najmä na vidieku nadzemnými vedeniami. - Siete s napätím 400 kv a 220 kv slúžia ako prenosová sústava, ktorá slúži k prenosu elektrickej energie z elektrární na veľké vzdialenosti k distribučným spoločnostiam a k veľkoodberateľom. Vedenia s napätím 110 kv a nižším tvoria distribučnú sieť, určenú pre zákazníkov. Napätie je striedavé s frekvenciou 50Hz. Transformácia napätí sa vykonáva v transformačných staniciach. Počet NN odberateľov na jednu trafostanicu sa v rôznych regiónoch a štátoch odlišuje, v európskych krajinách býva napojených do 400 odberateľov, v USA alebo v Japonsku je to 2 až 10 odberateľov. - Na prenos el. energie sa používajú vodiče z Cu, Al, Fe, buď z jedného materiálu alebo kombinované. Podľa prierezu to môžu byť jednoduché vodiče kruhového prierezu (drôty), používané pri izolovaných vodičoch a kábloch menšieho prierezu alebo zložené vodiče (laná). - Podľa spôsobu uzemnenia existujú siete IT, TT a TN. U nás sa používa sieť TN (neutrálny bod zdroja uzemnený, neživé časti el. zariadenia spojené s uzemneným neutrálnym bodom). Podľa usporiadania neutrálneho vodiča a ochranného vodiča, resp. vodiča PEN, rozoznávajú sa siete TN-C, TN-C-S (obr. 1.1) a TN-S. Obr. 1.1 Sieť TN-C-S [3] - 4 -

16 1.3 Napojenie signálu do siete Vysokofrekvenčný signál môže byť injektovaný do siete dvoma spôsobmi kapacitnou väzbou (malý väzobný vysokonapäťový VF kondenzátor) alebo induktívnou väzbou (delené feromagnetické alebo železoprachové jadrá tvoriace VF transformátor ). Pre výber použitia jedného alebo druhého spôsobu je okrem technických faktorov rozhodujúca aj cena. Induktívna väzba : Spôsobuje o niečo väčšie väzobné straty (2 5 db) [4] ako kapacitná a je častejšie používaná najmä pre injektáž signálu zo zariadení privádzajúcich dátovú konektivitu, tzv. HeadEndov, do VN a NN sietí. Takisto sa používa napríklad v opakovačoch. Vykonáva sa nasadením jadra na fázové vodiče a skrz toto jadro je prevlečený vodič vedúci signál z PLC modulačného zariadenia (obr. 1.2). Napr. zariadenia firmy DS2 používajú VF transformátor s deleným jadrom 40/300 A [5]. Signál je napojený na prúdový priebeh. Obr. 1.2 Induktívna väzba [4] Kapacitná väzba : Používa sa najviac v NN sieťach v koncových používateľských modemoch a ďalších zariadeniach. Býva tiež často použitá u nadzemných vedení. Straty sú približne 1 až 2 db [4]. Signál je napojený na napäťový priebeh. Na obrázku 1.3 je znázornená kapacitná väzba používaná pri zariadeniach od firmy DS2. Kvôli galvanickému oddeleniu a vyššej bezpečnosti je zapojený aj VF transformátor. Obr. 1.3 Kapacitná väzba pre zariadenia firmy DS2-5 -

17 Obr. 1.4 Kapacitná väzba [6] Principiálna schéma, ktorej rôzne variácie s ďalšími obvodovými prvkami používajú viaceré PLC technológie je na obr Hodnoty prvkov sú navrhnuté tak, aby LC obvod tvoril hornopriepustný filter pre dané frekvencie signálu, teda neprepúšťajú vysoké napätie z obvodu s frekvenciou 50 Hz. Všeobecne sa požiadavky na zapojenie dajú zhrnúť na [7] : 1. Adaptácia medzi prenášaným signálom a prenosovým kanálom 2. Galvanické oddelenie 3. Redukcia šumu na frekvenciách mimo pásma (realizované pomocou šírky pásma transformátora a medzných frekvencií filtrov) 4. Ochrana obvodov limitovaním maximálnej odchýlky signálu Väzobné obvody môžu byť súčasťou PLC zariadení alebo môžu byť používané oddelene ako samostatné moduly. Signál môže byť injektovaný medzi fázové vodiče (používané mimo budov), alebo medzi fázový a neutrálny vodič (v budovách). Prvá z týchto možností spôsobí väčšiu symetriu vodičov, preto je vhodnejšia z hľadiska menšieho nežiaduceho elektromagnetického vyžarovania [8]. Spojenie fáz VF signál býva väčšinou injektovaný len do jednej fázy. Často je potrebné aby bol signál distribuovaný do všetkých troch fáz. Napríklad v panelových domoch sú byty nad sebou napájané z jednej fázy a susedné z druhej fázy, čím sa zaistí rovnomerné zaťaženie fáz pri trojfázovom rozvode. Distribučný transformátor nie je navrhnutý pre používané frekvencie signálu a pokiaľ nie sú fázové vodiče v tesnej blízkosti v dostatočne dlhom súbehu tak kapacita medzi nimi je veľmi malá na prenos signálu. Zapojenie veľkej záťaže - 6 -

18 medzi fázové vodiče spôsobí zlepšenie prenosu signálu ale sieť nemôže byť závislá na pripojení takýchto záťaží, preto je treba uvažovať o iných možnostiach. Medzi fázy sa môže pripojiť filter prepúšťajúci signál ale v prípade komunikácie zariadení pripojených medzi fázami spôsobí pre frekvencie signálu skrat, preto sa používa obvod so špeciálnym trojsvorkovým spojovacím filtrom (obr. 1.5), ktorý prepojí fázové vodiče iba signálovo, nie napäťovo a s malými stratami ( ~ 3 db ). Obr. 1.5 Zapojenie pre spojenie fáz [6] 1.4 Frekvencie pre prenos dát a štandardy Pásmo do 150 khz Pre štáty v Európskej Únii platí norma EN (v SR STN EN 50065) s názvom Signalizácia na nízkonapäťových elektrických inštaláciách, v časti 1 Všeobecné požiadavky, frekvenčné pásma a elektromagnetické rušenie sú určené povolené frekvencie a výstupné úrovne signálov. Pásmo frekvencií je od 3 do 148,5 khz a je rozdelené na 5 subpásiem. Lu [dbµv] A 134 ~ 5V 120 ~ 1V B 116 ~ 0,631V C D , ,5 f [khz] Obr. 1.6 Rozdelenie frekvencií CENELEC pásma [2] - 7 -

19 Pásmo 3 9 khz: Vyhradené len pre dodávateľov elektrickej energie a po dohode aj pre ich odberateľov. A Pásmo 9 95 khz: Vyhradené pre dodávateľov elektrickej energie a po dohode aj pre ich odberateľov. B Pásmo khz: Vyhradené len pre odberateľov elektrickej energie. C Pásmo khz: Vyhradené len pre odberateľov elektrickej energie. Pre súčasné fungovanie viacerých operácií bol definovaný prístupový protokol CSMA používajúci frekvenciu 132,5 khz. D Pásmo ,5 khz: Vyhradené len pre odberateľov elektrickej energie. Maximálny vysielaný výkon PLC zariadenia nesmie presiahnuť 500 mw. Ďalej norma udáva pre pásmo 9 95 khz maximálnu úroveň 134 dbµv pre širokopásmovú komunikáciu (šírka pásma nad 5 khz) a pre úzkopásmovú komunikáciu 134 dbµv klesajúcu k 120 dbµv pri 95 khz. Pre pásmo ,5 khz úroveň nesmie prekročiť 116 dbµv, v určitých prípadoch môže byť dovolená až 134 dbµv [9]. Aby nedochádzalo k rušeniu, najvyššia frekvencia bola zvolená podľa najnižšej používanej frekvencie AM rádiového vysielania na dlhých vlnách. Toto pásmo vychádza z návrhu organizácie CENELEC a je určené najmä pre úzkopásmovú komunikáciu s malým prenosovými rýchlosťami. Pásmo nad 150 khz Prenos veľkých objemov dát vyžaduje vysoké frekvenčné pásmo. Pre širokopásmovú komunikáciu sú využívané frekvencie typicky v rozpätí 1 až 30 MHz, pričom rôzni výrobcovia používajú rôzne frekvencie, keďže v tomto pásme zatiaľ nie sú definované štandardy pre PLC komunikáciu. Nižšie frekvencie (1 až 10 MHz) bývajú použité pre distribučnú a prístupovú sieť (mimo budov) a vyššie (10 až 30 MHz) pre budovy. Tiež je potrebné zosúladiť koexistenciu rôznych používaných systémov a vyriešiť problém elektromagnetického rušenia. V súčasnosti prebieha štandardizácia vedená organizáciami CENELEC a ETSI. Taktiež ďalšie organizácie sa podieľajú na tomto procese : PLCforum je najstaršia medzinárodná organizácia v tejto oblasti. Jej ciele sú zjednotiť a reprezentovať záujmy spoločností zaoberajúcich sa PLC. Má viac ako 50 členov, sú zastúpené energetické firmy, výskumné organizácie, poskytovatelia internetu a ďalší

20 Je organizovaná do viacerých pracovných skupín a výsledkom jeho činnosti sú celosvetové konferencie (PLC World Summit). UPA (Universal Powerline Association) sa zaoberá harmonizáciou otvorených globálnych noriem a predpisov v odbore PLC, od jednoduchej koexistencie až po úplnú interoperabilitu. Cieľom je pripraviť špecifikácie, ktoré budú tvoriť podklady pre normalizačný proces v rámci IEEE, ETSI, CENELEC a IEC/CISPR. HomePlug Powerline Alliance je organizácia pracujúca na vytvorení štandardov pre produkty a služby poskytujúce vysokorýchlostnú komunikáciu v domácich sieťach. Má 65 členov, medzi nich patria aj napr. Intel, Sony, Cisco Systems a Motorola. CEPCA (Consumer Electronics Powerline Communications Alliance) sa zaoberá štandardom koexistencie súčasných technológií. Členovia sú napr. Sony, Mitsubishi, Panasonic. IEEE už niekoľko rokov pracuje na oficiálnom štandarde pre prenos dát po elektrických rozvodoch, IEEE P1901 (Work Group for Broadband over Powerline) má byť dokončený v roku POWERNET je projekt podporovaný Európskou komisiou, zameraný na širokopásmovú vysokorýchlostnú komunikáciu. Projekt OPERA (Open PLC European Research Alliance) je významným krokom v spolupráci v rámci Európy pri rozvoji technológie PLC a jej využitia na kvalitný širokopásmový prenos dát. Je podporovaný Európskou komisiou v rámci 6. rámcového programu pre vedu a výskum, tematickej priority Technológie informačnej spoločnosti. Je to tzv. integrovaný projekt s predpokladanou dĺžkou trvania štyri roky, rozložený do dvoch fáz. Prvá fáza projektu prebiehala v rokoch 2004 a 2005 s celkovými nákladmi 20 mil. EUR, s podporou 9 mil. EUR od EU. Na riešení sa podieľalo 35 partnerov, vrátane veľkých energetických podnikov, výrobcov, univerzít, technických inštitúcii a konzultačných spoločností z 9 európskych krajín a z Izraela. Zapojené energetické spoločnosti svojou kapacitou reprezentujú 35 % európskeho trhu s elektrickou energiou. V súčasnosti prebieha druhá fáza, ktorá má by mala byť dokončená do konca roka Hlavným cieľom projektu je pripraviť zdokonalené a štandardizované systémové riešenia PLC schopné uplatniť sa na trhu, schopné poskytnúť cenovo výhodný širokopásmový prístup s využitím univerzálnej rozšírenej infraštruktúry elektrických sietí. [10] - 9 -

21 Okruh otázok Fáza I Fáza II Väzobné jednotky, filtre a podmieňujúce zariadenia Odskúšané a certifikované prototypy Zariadenia pripravené na hromadnú výrobu Modelovanie kanála PLC Simulátor kanála PLC Emulátor kanála PLC EMC v kanáli PLC EMC merania, databáza Usmernenia pre EMC výsledkov a závery Prostriedky simulácie EMC Prepojenie PLC na vyššiu Optimalizácia vo vzťahu Optimalizácia úroveň siete k novým technológiám Implementácia koexistencie Integrácia na úrovni Špecifikácia koexistencie Integrácia s inými domových a prístupových PLC na úrovni domových technológiami (Wi-Fi, sietí sietí ADSL) Inštalácia v prostredí VN a NN Postupy Optimalizácia Systémy PLC a koncové zariadenia Služby cez PLC Odskúšané prototypy Technické štúdie Zariadenia pripravené na hromadnú výrobu Integrácia čipov do viacero zariadení Odskúšanie služieb a príprava pre trh Norma de jure na európskej úrovni Norma EMC a súlad s Norma de facto na normou európskej úrovni Masové rozšírenie Pripravené Aktívne a dynamické Tab. 1.1 Ciele projektu Opera [10] 1.5 Charakteristika prenosového kanála Z hľadiska PLC komunikácie sú zaujímavé najmä frekvencie od 100 khz do 30 MHz. Preto je potrebné poznať vlastnosti siete v tomto pásme. Prenosová charakteristika vedenia na obr.1.7 naznačuje útlm stúpajúci s frekvenciou, pričom úzkopasmové zmeny útlmu rozprestreté v celej šírke spektra sú spôsobené viaccestným šírením signálu, ktoré je dôsledkom impedančného neprispôsobenia. Obr. 1.7 Typická prenosová charakteristika elektrického vedenia [11]

22 Impedancia, ktorá je daná impedanciou distribučného transformátora, impedanciou pripojených záťaží a charakteristickou impedanciou vodičov sa pohybuje od niekoľko ohmov až po niekoľko kiloohmov so špičkami na frekvenciách, pri ktorých sa sieť dostáva do rezonancie. Absolútna hodnota impedancie rastie s frekvenciou, z čoho vyplýva jej induktívny charakter [12]. Hodnoty charakteristickej impedancie a útlmu niektorých káblových vedení (obr. 1.8) sú uvedené v tabuľke 1.2. Obr. 1.8 Niektoré používané káble [13] Typ kábla Charakteristická impedancia Útlm [db/km] pri 1, 10 a 20 MHz NAYY-J 4 x 150 SE 22 Ω pri 1 MHz 12.9 / 46.5 / 51 NAYY-J 4 x 50 SE 29 Ω pri 1 MHz 16.8 / 53.8 / 58.9 NYM-J 3G x Ω pri 150 khz 17 / 85.5 / 146 NYIF-J 3G x Ω pri 150 khz 23 / 105 / 180 Tab.1.2 Parametre vedení [13] Útlm na vedení je značne ovplyvnený topológiou a pripojenými spotrebičmi, ktoré sú pripájané úplne náhodne, z čoho vypláva časová nestálosť parametrov kanálu. Z dôvodu časovej nestálosti nie je možné u napájacích sietí v skúmanom rozsahu frekvencií hovoriť o ideálnej charakteristickej impedancii, z čoho vyplýva problematika viaccestných frekvenčne selektívnych únikov spôsobených impedančným neprispôsobením jednotlivých častí siete. Straty signálu sa rozdeľujú na väzobné (vznikajúce pri väzbe signálu do siete) a prenosové, pričom väzobné sú oveľa menšie (do 5 db). Prenosové straty závislé od frekvencie sú zapríčinené rezistívnymi stratami na vodičoch a dielektrickými stratami. Značná rozvetvenosť tiež spôsobuje stúpajúci útlm, pretože každé odbočenie absorbuje určité množstvo signálu. Obrázok 1.9 ukazuje závislosť útlmu na vzdialenosti a frekvencii. Signál sa nešíri pozdĺž jednej prenosovej cesty ale trpí odrazmi zapríčinenými impedančným neprispôsobením a nehomogenitami

23 vodičov. Viaccestné odrazy majú za následok rozptyl v časovej oblasti signálu charakterizovaný oneskorením, ktoré zahŕňa celkový časový interval počas ktorého odrazy signálu s dostatočnou energiou dorazia zo zdroja k cieľu. Časový rozptyl generuje medzisymbolovú interferenciu (obr. 1.10), s ktorou sa prijímač musí vysporiadať [8]. Obr. 1.9 Súvislosť útlmu so vzdialenosťou a frekvenciou [14] T bit τ echo výsledok Silná medzisymbolová interferencia: τ T bit Obr Medzisymbolová interferencia [14] Adekvátne modely prenosového kanála (vrátane analýz správania sa kanála pri rôznych frekvenciách a analýza pôsobenia šumov) potrebné pre realizáciu výkonných PLC systémov zatiaľ neboli štandardizované, neexistujú žiadne široko akceptované modely ako je to napr. pri modeloch rádiových kanálov alebo DSL kanálov. Priblíženie parametrov pomocou modelu je zvyčajne založené na štúdiu prenosovej funkcie a prídavného šumu. Prenosová funkcia je definovaná pomocou viaccestného (echo) modelu, vyjadreného pomocou vzťahu : [15][16]

24 gi - váhový faktor pre jednotlivé cesty, závisí od počtu, dĺžky a ukončenia vetiev obvodu di - dĺžka jednotlivých ciest α(f) útlm závislý od frekvencie, je daný súčtom strát spôsobených skin efektom α R (f) a dielektrickými stratami α G (f), kde Z L je charakteristická impedancia, R merný odpor a G merný zvod τi = di/vp - oneskorenie jednotlivých ciest (podiel dĺžky ciest a fázovej rýchlosti) Ak zosumarizujeme parametre vodičov do konštánt v 1 a v 2, potom útlm spôsobený dielektrickými stratami stúpa s frekvenciou a útlm spôsobený skin efektom stúpa s jej druhou odmocninou. Tento model je overený v celom uvažovanom frekvenčnom pásme, ale jeho nevýhodou je veľké množstvo parametrov, ktoré musia byť overené meraniami, teda nie je veľmi vhodný pre praktické použitie, preto sa používajú aj iné, deterministické modely, založené na topologickom usporiadaní a parametroch jednotlivých prvkov, kde vedenie je analyzované pomocou teórie dvojbrán a kaskádových matíc. 1.6 Charakteristika šumov: Na komunikáciu po napájacích vedeniach pôsobí značný šum. Všeobecne v energetických sieťach zdroje šumu zahŕňajú korónové výboje, blesky, regulátory účinníku atď. V NN sieťach sú tieto šumy filtrované VN/NN transformátormi, preto väčšina zdrojov šumov sú rôzne domáce zariadenia a spotrebiče. Tu rozpoznávame viacero druhov šumov: [15] Obr Pôsobenie šumov [15]

25 - Šum na pozadí (1) je prítomný v sieti vždy, vzniká skladaním veľkého počtu zdrojov rušení s nízkou intenzitou a jeho parametre sú premenlivé v čase. Spôsobujú ho najmä malé motory v spotrebičoch typu mixér alebo fén na vlasy. Spektrálna výkonová hustota (PSD Power Spectral Density), s rastúcim kmitočtom klesá, jej hodnoty sú vysoké v rozsahu rádovo od desiatok Hz do 20 khz. Na 150 khz je úroveň PSD rádovo 1000 krát nižšia ako na frekvencii 20 khz. Na vyšších frekvenciách sa potom už objavujú len nízke hodnoty PSD, tzv. bieleho šumu. - Úzkopásmový šum (2) má väčšinou sínusový priebeh s modulovanými amplitúdami. Tento typ zaberá niekoľko subpásiem, ktoré sú relatívne malé a kontinuálne pozdĺž frekvenčného spektra a pochádza najmä od rádiového vysielania na stredných a krátkych vlnách. Veľkosť rušenia sa môže meniť počas dennej doby, pretože ako je známe v noci dochádza k zmenám reflekčných vlastností ionosféry. - Periodický asynchrónny impulzný šum (3) impulzy opakujúce sa s frekvenciou medzi 50 a 200 khz, tento druh šumu spôsobujú napríklad spínané zdroje alebo televízory, PC monitory. - Periodický synchrónny impulzný šum (4) impulzy sa opakujú s frekvenciou 50 alebo 100 Hz a sú synchrónne s frekvenciou elektrickej siete. Tieto impulzy majú pomerne krátke trvanie a ich PSD klesá s frekvenciou. Zdroje tohto šumu sú napríklad stmievače alebo fotokopírky. - Neperiodický asynchrónny šum (5) - impulzy spôsobené najmä prechodmi pri prepínaní záťaží v sieti, ako sú napr. termostat, chladnička atď. Majú trvanie niekoľko mikrosekúnd alebo až milisekúnd, pričom ich PSD môže dosiahnuť hodnoty viac ako 50 db nad úrovňou šumu na pozadí. Tento typ šumu môže zapríčiniť výpadky 1 alebo viac bitov signálu. Parametre A (amplitúda), t A (trvanie) a t I (interval medzi impulzmi) (obrázok 1.12) sú náhodnými veličinami a na určenie ich hodnôt existuje viacero štatistických metód. t A Amplitúda A čas t I Obr Parametre impulzného šumu [15]

26 El. Zariadenie Priemerná hodnota Amplitúda (mv) Štandardná odchýlka (ojedinelý impulz) Priemerná hodnota Dĺžka trvania (µs) Štandardná odchýlka Elektrická rúra 329,2 431,2 1015,8 505,2 Žehlička 369,3 585,8 760,2 347,9 (periodické impulzy) Monitor 197,2 311,3 722,4 34,3 Stmievač 670,8 1199, ,5 (súvislé impulzy) Vysávač 1457,5 2155,5 Trvale Sušička 87,9 119,7 105, Rušenie Tab. 1.3 Amplitúdy a dĺžky trvania šumov [17] PLC zariadenia a elektrické vedenia používané na PLC komunikáciu sa správajú ako neúmyselné zdroje žiarenia. Elektrické vedenia neboli navrhnuté pre VF prenosy, majú menšiu symetriu, nie sú tienené, nie sú krútené páry a preto aj pri relatívne malom vysielacom výkone spôsobujú rušenie. Ak je aj signál injektovaný iba do jedného, dvoch alebo viacerých vodičov, ostatné vodiče sa správajú ako parazitické žiariče, takže vedenie sa správa ako pole antén na rádiových frekvenciách. Obr Súhlasný a diferenciálny signál [15] PLC vodiče majú menšiu symetriu ako napr. vodiče používané v telefónnej sieti. Symetria vedenia je daná rozdielom impedancií medzi vodičmi a zemou, kde dokonalá symetria znamená rovnakú veľkosť impedancií. Nedostatok symetrie vedie ku konverzii na neželaný, súhlasný signál. Ako ukazuje obr súhlasné toky (Ic/2) tečú paralelne oboma vodičmi, kým spiatočné časti signálu (Ic) sa šíria zemou. Symetrické

27 vedenia sú nevyhnutné pre diferenciálny signál, pri ktorom toky majú rovnakú veľkosť a tečú signálovými vodičmi v opačných smeroch (Id). Potom sa polia vyžarované týmito vodičmi vzájomne eliminujú. Rušenie sa významne prejavuje najmä na vyšších frekvenciách využívaných pre širokopásmový prenos, v rozsahu 1 až 30 MHz, niektorí výrobcovia používajú frekvencie do 40 MHz, v štádiu testov sú systémy s frekvenciami do 80 MHz. Toto pásmo je rezervované pre viaceré rádiové služby, napr. vysielanie rádioamatérov, CB rádiostanice, armáda, núdzové vysielanie alebo letová kontrola. Regulačné organizácie určujú limity pre vyžarovanie, ktoré sú povolené pre CENELEC pásmo. Pre vyššie pásmo sa pripravujú viaceré návrhy štandardov. Pre PLC sú uvažované tieto možné riešenia [15] : - Frekvenčné spektrum so šírkou 7,5 MHz v rozsahu 1 30 MHz bude vyhradené pre PLC. Aj v povolených pásmach stále musia byť dodržané určené limity žiarenia. Tento rozsah ale neposkytuje spojité pásma použiteľné pre PLC. - V celom spektre (do 30 MHz) budú určené maximálne limity pre všetky drôtové technológie (DSL,CATV,PLC). Návrhy na medzné hodnoty žiarenia pre PLC sú rôzne, ako vidno z obr Obr Návrhy pre medzné limity žiarenia pre PLC [10] Zmenšenie problému rušenia môže byť dosiahnuté injektovaním signálu medzi fázy, čím sa dosiahne väčšia symetria. Môžu sa použiť VF filtre na zabránenie šírenia signálu do nepoužívaných častí elektrickej siete. Tiež výkonová spektrálna hustota signálu by mala byť čo najmenšia, čo sa môže dosiahnuť čo najväčším roztiahnutím spektra signálu

28 v dostupnej šírke pásma. Problém rušenia je možné riešiť aj implementáciou technológie tzv. notching, pri ktorej sa selektívnym spôsobom potlačia alebo celkom vylúčia frekvencie, na ktorých systém detekuje signály rádiokomunikačných služieb, ako je to znázornené na obrázku Obr Technológia Notching [10] 1.8 Modulačné techniky Pre úzkopásmové prenosy a malé bitové rýchlosti sa používajú modulácie ASK (kľúčovanie posuvom amplitúdy), FSK (kľúčovanie frekvenčným posuvom) a PSK (kľúčovanie fázovým posuvom). Pre širokopásmovú komunikáciu nie sú vhodné z dôvodu vysokého medzisymbolového skreslenia. Tu sú používané najmä modulácie GMSK, DSSS a OFDM. GMSK (Gaussove kľúčovanie s minimálnym zdvihom) Frekvenčné kľúčovanie s najmenším modulačným indexom (m = 0,5) sa označuje ako MSK (Minimum Shift Keying). MSK tiež možno označiť ako špeciálny prípad fázovej modulácie, kde fáza je dosiahnutá integrovaním filtrovaného vstupného signálu, čo je bežnou praktickou implementáciou MSK. Pri GMSK pulzný tvarovací dolnopriepustný filter má odozvu v tvare Gaussovho impulzu, čo má za následok potlačenie nežiaducich postranných zložiek spektra. Dáta sú prenášané v zmenách fázy nosnej, čo vedie ku konštantnej obálke signálu. To umožňuje použitie menej zložitých zosilňovačov, bez generovania harmonického skreslenia. GMSK je pomerne odolná voči impulznému šumu ale menej odolná voči úzkopásmovému šumu. Pri GSMK je náročné potlačiť časť spektra

29 pre zabránenie rušenia na rádiových frekvenciách a tiež prenosové rýchlosti sú pomerne malé, preto sa používa iba v starších PLC systémoch. Obr Modulácia GMSK [13] DSSS (Priame rozprestretie spektra) Signál modulovaný pri určitej symbolovej rýchlosti je rozprestretý vo frekvenčnej oblasti vynásobením pseudonáhodnou binárnou sekvenciou s oveľa väčšou rýchlosťou. Celková šírka pásma modulovaného signálu je teda oveľa väčšia ako minimálna potrebná šírka pásma. Výkonová spektrálna hustota sa rozprestretím zníži a užívatelia môžu zdieľať rovnaké frekvenčné pásmo používaním rôznych sekvencií. Výhodou DSSS je imunita voči úzkopásmovému rušeniu a vysoká hodnota procesného zisku umožňujúca splniť limity vyžarovania, nevýhodou môžu byť problémy so synchronizáciou prijímača a vysielača. Pre PLC je DSSS použiteľná len pre menšie prenosové rýchlosti (do 2,5 Mb/s), preto sa v novších PLC systémoch už nepoužíva. Obr Modulácia DSSS [13] OFDM (Ortogonálny frekvenčne delený multiplex) Dáta sú distribuované medzi veľký počet subnosných, každá z nich je modulovaná s relatívne nízkou symbolovou rýchlosťou. Jednotlivé nosné sú navzájom ortogonálne pričom ich spektrá sa prekrývajú. Všetky nosné môžu byť modulované súčasne efektívnym spôsobom použitím inverznej rýchlej Fourrierovej transformácie. Používajú sa viacstavové modulácie ako sú M-PSK alebo M-QAM. Celé prenášané spektrum môže byť relatívne ľahko menené používaním rôznych amplitúd pre rôzne subnosné, čím sa

30 môže dosiahnuť efektívny prenos v závislosti na odstupe signálu od šumu, alebo niektoré z nich sa môžu úplne vylúčiť pre zabránenie rušenia rádiovej komunikácie pri niektorých frekvenciách. Úprava počtu prenášaných bitov na jednotlivých nosných zvyšuje efektivitu prenosu bez zvýšenia vyžarovaného výkonu. K efektívnemu potlačeniu medzisymbolovej interferencie je vytvorený OFDM symbol doplnený o cyklickú kópiu (CP Cyclic Prefix), ktorá predstavuje kópiu časti symbolu predradenú pred vlastný symbol, pričom jej dĺžka by mala presahovať dĺžku impulzovej odozvy kanálu. Určitou nevýhodou pri OFDM je vysoký pomer medzi špičkovým a stredným výkonom (tzv. PAR - Peak to Avarage Ratio), čo vyžaduje použitie zosilňovačov so širokým lineárnym rozsahom. OFDM je v súčasnosti považovaná za najvhodnejšiu pre PLC pretože sa pomerne ľahko prispôsobuje meniacim sa charakteristikám prenosového kanála a umožňuje dosiahnuť vysoké prenosové rýchlosti. Obr Modulácia OFDM [13] 1.9 Sieťová architektúra PLC systémov Na obrázku 1.19 sú znázornené sieťové vrstvy pri použití PLC prístupovej siete pre širokopásmový prístup. Pre PLC sú špecifické najmä prvé dve vrstvy modelu OSI, fyzická vrstva a MAC a LLC podvrstvy. Na úrovni fyzickej vrstvy sú definované napr. použité modulácie, alebo metódy používané na zabezpečenie proti chybám (FEC Dopredná korekcia chýb). Metóda riadenia prístupu na médium je definovaná v MAC podvrstve. LLC podvrstva zabezpečuje napr. bezchybný prenos (ARQ Požiadavka na automatické opakovanie vysielania) a segmentáciu dát. Prepojenie medzi PLC a inými komunikačnými technológiami (Ethernet alebo iné) je vykonávané na rozhraní 2 a 3 vrstvy, ktoré býva označované aj ako konvergenčná podvrstva

31 Obr Sieťové vrstvy špecifické pre PLC [15] Riadenie prístupu na médium PLC sieť je zdieľané médium, preto sú potrebné výkonné metódy riadenia prístupu na médium. Detekcia kolízií (CSMA/CD) používaná napr. pri Ethernete pre PLC z dôvodu veľkého rozptylu úrovní prijímaného signálu a pôsobenia šumov nie je spoľahlivá. Alternatívou k detekcii kolízií, ktorá je využívaná napríklad bezdrôtovými sieťami je predchádzanie kolízií (CSMA/CA - Collision Avoidance). Ide o princíp náhodného prístupu, ktorý znižuje pravdepodobnosť vzniku kolízie. Jeho funkcia spočíva v neustálej detekcii prebiehajúcej komunikácie, pri požiadavke na odoslanie dát počká na dokončenie aktuálneho prenosu a po uvoľnení média pred vlastným odoslaním dát ešte počká náhodne dlhú dobu. QoS dôležité pri multimediálnych aplikáciách sa dá zaistiť premenlivým rozsahom časov náhodného vyčkávania podľa priority prenášaných dát. CSMA/CA býva používané u PLC technológií určených pre vytvorenie domácich sietí, v niektorých prípadoch aj v kombinácii s metódou TDMA - viacnásobného prístupu s časovým delením, ktorej použitie zabezpečuje QoS napr. pre Audio/Video prenosy. Iným prípadom sú širokopásmové prístupové PLC siete, ktoré majú väčšinou centralizovanú štruktúru, kde prepojenie celej siete na sieť vyššej úrovne zabezpečuje jedno zariadenie, tzv. HeadEnd. Sieť má v tomto prípade fyzickú stromovú štruktúru. Jednotlivé stanice nemusia mať medzi sebou priame spojenie a môže dôjsť pri použití CSMA protokolov k fenoménu tzv. skrytého terminálu, keď zariadenie nesprávne vyhodnotí prenosové médium ako voľné a môže dôjsť ku kolíziám. Tiež je pri protokoloch s náhodným prístupom ťažké zabezpečiť QoS pre aplikácie v reálnom čase, citlivé na oneskorenie. Tieto siete sú založené na TDMA/TDD (Time Division Multiple Access/Time Division Duplex) schéme rozdelenia šírky pásma, pričom prístup na médium je priraďovaný podľa potreby pomocou prístupového protokolu Polling, kde

32 centrálne zariadenie, označované ako Master riadi prístup na médium ostatným zariadeniam, označovanými ako Slave. Master potom rozhoduje, ktoré stanice, v akom poradí a ako dlho môžu vysielať, pričom vyzýva k vysielaniu dát ostatné stanice podľa rôznych kritérií tak, aby boli splnené QoS požiadavky prenosov. Slave zariadenie odpovie potvrdzovacou správou, či má alebo nemá dáta na odoslanie. Pre zvýšenie výkonnosti Pollingu sa používa tzv. aktívny Polling keď sú vyzývané len aktívne zariadenia. Ostatné, neaktívne zariadenia, ktoré nemajú dáta na vysielanie, sú dočasne vyradené z procesu vyzývania, pričom môžu byť znovu zaradené ako aktívne prostredníctvom extra vyzývacieho procesu, ktorý sa vykonáva v určitých časových intervaloch alebo pomocou inej registračnej procedúry [15]. 2 Úzkopásmové PLC technológie pre domovú automatizáciu 2.1 X-10 Technológia X-10 sa používa na ovládanie domácich spotrebičov. Používa integrované obvody PL513 a TW 523, ktoré obsahujú modulátor a demodulátor. Prvý produkt bol uvedený na trh už v roku 1978 a predalo sa celosvetovo už viac ako 100 mil. zariadení [9]. X-10 môže fungovať na 110 V/60 Hz alebo na 230 V/50 Hz sieti. Používa sa forma ASK modulácie, OOK (On Off Keying). Logická 1 je reprezentovaná 120 khz impulzom s dĺžkou 1 ms pri prechode nulou, absencia 120 khz znamená logickú 0. Z dôvodu prenosu signálu medzi fázami by mali byť tieto impulzy prenesené trikrát tak, aby zodpovedali prechodom nulou všetkých 3 fáz, ako to ukazuje obr. 2.1, ktorý znázorňuje časovanie jednotlivých impulzov vzhľadom na prechod nulou. Obr.2.1 Časovanie impulzov X-10 [11] Kompletný prenos rámca sa uskutočňuje počas 11 periód elektrickej siete (obr. 2.2). Prvé dve periódy reprezentujú START kód. Ďalšie 4 obsahujú domový HOUSE kód (A-P)

33 a posledných 5 periód obsahuje NUMBER kód (1-16) označujúci číslo konkrétneho modulu alebo FUNCTION kód požadovanej funkcie (On, Off atď.). Ak 5 bitový kód končí 0, potom prvé 4 bity sú vyhodnotené na prijímacom zariadením ako NUMBER kód, ak končí 1, potom je interpretovaný ako FUNCTION kód. Tento celý rámec sa vždy prenáša 2 krát (pre zvýšenie spoľahlivosti), s medzerou troch periód elektrickej siete medzi každou skupinou 2 kódov. Výnimkou sú príkazy Dim (stmievanie svetla o jeden krok) a Bright (zosvetlenie o 1 krok), ktoré pokiaľ sú opakované najmenej 2 krát, môžu byť prenášané bez medzery. Obr. 2.2 Vysielanie X-10 kódov počas periód [11] Celý prenos teda trvá 2*11+3 = 25 periód elektrickej siete. Každý rámec začína START kódom, ktorý je vždy 1110, pričom zvyšok správy je tvorený 4 a 5 bitovými kódmi odosielanými inverzne v druhej polovici periódy. Ak je v prvej polperióde frekvenčný impulz, potom v druhej polperióde tento impulz chýba a naopak (obr. 2.3), teda používa sa Manchester kódovanie. Významy jednotlivých binárnych kódov sú uvedené na obrázku 2.4. Z jednoduchosti technológie vyplýva malá prenosová rýchlosť, ktorá je 60 bit/s (pri 60 Hz sieti), pričom pre užitočné dáta je to len 24 bit/s. Aj keď X-10 umožňuje do istej miery aj obojsmernú komunikáciu (Status Request Status Acknowledge), využíva ju len veľmi malý počet X-10 zariadení. Maximálny počet pripojených zariadení je daný 256 kombináciami HOUSE a KEY kódov. Zariadenia sa rozdeľujú na kontroléry, určené na ovládanie a prijímacie zariadenia vykonávajúce funkcie moduly. Niektorí výrobcovia rozširujú X-10 zariadenia o funkciu ovládania cez PC alebo rádiovú komunikáciu. Obr. 2.3 Vysielanie X-10 kódov [11]

34 Obr. 2.4 Význam jednotlivých X-10 kódov [11] 2.2 INSTEON Technológia INSTEON je štandard pre domácu automatizáciu, ktorý umožňuje komunikovať pomocou PLC aj rádiokomunikácie. Vývoj technológie začal v r a prvé zariadenia sú na trhu od r INSTEON je prispôsobený pre 110 V/60 Hz sieť v USA a 230 V/50 Hz sieť v Európe. Používa moduláciu BPSK a má prenosovú rýchlosť 2880 b/s. Správy prenášané po elektrickej sieti sa rozdeľujú do paketov. Každý INSTEON paket obsahuje 24 bitov. 10 periód 131,65 khz nosnej je potrebných pre 1 bit, potom 240 periód trvá paket, čo je 1,823 ms. Pakety sa prenášajú počas prechodu nulou elektrickej siete, keď je menšia úroveň šumu. INSTEON zariadenia opakujú prijaté správy od ďalších zariadení ich prenášaním v časových oknách synchronizovaných prechodom nulou. Pre umožnenie prípadného znovuvysielania správy INSTEON rádiovými zariadeniami, po každej 5 paketovej štandardnej správe vysielacie zariadenie počká na jeden prechod nulou, alebo po 11 paketovej rozšírenej správe dva prechody nulou, potom jedno časové okno trvá 6 prechodov nulou (50 ms) resp. 13 prechodov (108,33 ms) pre rozšírenú správu. Pridávaním zariadení sa teda nielen zosilní signál, ale aj zvýši počet možných ciest ktorými sa signál môže šíriť, čo zvyšuje spoľahlivosť prenosu správ. Obrázok 2.5 ukazuje ako sa môžu správy šíriť po vedení a zariadeniach, ktoré sú na rôznych fázach vedenia. Na toto je potrebné aspoň 1 hybridné RF/PLC zariadenie na každej fáze. Pretože všetky zariadenia opakujú správy, existuje obmedzenie max. 3 krát prenesenia správy, aby sa zabránilo nekonečnému opakovaniu a následnému zahlteniu. [18]

35 Obr. 2.5 INSTEON komunikácia [18] Zariadenia medzi sebou komunikujú pomocou dvoch druhov správ 10 bytovej štandardnej alebo 24 bytovej rozšírenej správy. Na obr. 2.6 sú uvedené polia, z ktorých sa skladá štandardná správa, určená pre priame ovládanie a kontrolu. Samotné príkazy majú po jednom byte. Rozšírené správy majú rovnakú štruktúru, navyše obsahujú ešte pole 14 bytov ľubovoľne zvolených používateľských dát, ktoré je umiestnené medzi poľami príkazov a CRC, pričom tieto dáta sú určené pre napr. downloady, uploady, šifrovanie pre zabezpečenie ovládania bezpečnostných systémov a pokročilé aplikácie. Flagy Dáta Počet bitov Zdrojová adresa 24 Cieľová adresa 24 1 Typ správy 1 1 Rozšírený Flag 1 Počet zostávajúcich skokov 2 Max. počet skokov 2 Príkaz 1 8 Príkaz 2 8 CRC 8 Obr. 2.6 INSTEON štandardná správa [18] Prvé pole správy určuje adresu zariadenia, ktoré vysiela správu. Môže byť až možných zariadení identifikované 3 bytmi. Táto adresa je vlastne ID kód,

36 ktorý je priradený zariadeniu od výroby. Druhé pole označuje cieľovú adresu, ktorá pokiaľ je správa priama medzi 2 zariadeniami obsahuje ID kód príslušného zariadenia. Ak je správa typu broadcast tak obsahuje 2 byty označujúce typ zariadenia a 1 byte označujúci verziu firmware. Ak je správa skupinová broadcast, potom obsahuje iba 1 byte označujúci skupinu. Kombinácie 3 bitov flagov Broadcast/NAK Flag, Group Flag a ACK Flag, označujú 1 z 8 typov správ, ktoré sa zaraďujú medzi 4 triedy : Broadcast správy obsahujú všeobecnú informáciu s nešpecifikovaným cieľom. Sú používané pri vzájomnom identifikovaní zariadení v sieti pri vytváraní spojení a sú nepotvrdzované. Priame správy správy medzi dvoma zariadeniami, zariadenie odpovedá vyslaním potvrdzovacej správy. Pokiaľ zariadenie neodpovedá, potom môže byť priama správa znovu odoslaná až maximálne 5 krát. Skupinové Broadcast - sú smerované k logicky vytvoreným skupinám zariadení, ich účelom je zrýchlenie odozvy príkazu určenému pre viaceré zariadenia. Potvrdzovacie správy (pozitívna ACK alebo negatívna NAK) sú správy, ktorými zariadenia odpovedajú na priame správy. Ďalší flag označuje rozšírenú alebo štandardnú správu. Flagy tiež označujú skoky pri šírení správ, pričom správy sú opakované zariadeniami a každá správa môže byť prenášaná max. 3 krát. teda max. počet skokov je 3. Ďalšie polia označujú príkazy. Spracovanie príkazov závisí na tom, či zariadenie slúži na ovládanie alebo je ovládané. Ovládacie zariadenia majú vo firmware uložený repertoár príkazov ktoré môžu vysielať, pričom prijímacie zariadenie spracováva len príkazy, ktoré má takisto uložené vo firmware a závisia na type zariadenia, ktoré môže byť patriť k 1 z 16 hlavných kategórií a 4096 podkategórii v závislosti od funkcie a výrobcu. Pole príkaz 1 definuje primárny príkaz, pole príkaz 2 môže slúžiť ako parameter primárneho príkazu alebo môže slúžiť ako prídavné miesto pre príkaz 1. Celkový počet 2 bytových príkazov môže byť až Posledné pole správy slúži pre CRC cyklickú redundantnú kontrolu dát. INSTEON môže používať na komunikáciu aj rádiový prenos. Tu sa správy nerozdeľujú na pakety ale odosielajú sa celé ako jeden paket. Niektoré parametre INSTEON pre RF : Frekvencia : 904 MHz v USA, pre Európu sa pripravuje špecifikácia Modulácia : FSK

37 Kódovanie dát : Manchester Prenosová rýchlosť : 38,4 kbit/s Dosah : 45 metrov vo voľnom priestore INSTEON zariadenia môžu byť prepojené s inými technológiami pomocou zariadení tzv. INSTEON mostov, ktoré sú vybavené príslušnými rozhraniami, umožňujúcimi prepojenie napr. s PC alebo PDA cez sériové rozhranie, alebo s LAN a Internetom cez Ethernet rozhranie. Potom môžu byť zariadenia ovládané prostredníctvom PC pomocou softvéru. Programové vybavenie zahŕňa program Device Manager, ktorý môže byť spustený priamo na Windows platforme alebo v internetovom prehliadači. Funkcie programu sú vytvorené jednoduchým skriptovacím jazykom Home Network Language. INSTEON zariadenia ale môžu byť programované aj interne, pričom obsahujú vstavanú podporu pre rôzne aplikácie prostredníctvom tzv. SALad programového vybavenia, takže môžu byť dodatočne vylepšené novými funkciami. 3. Analýza širokopásmových PLC 3.1 Topológia širokopásmových PLC sietí Obr. 3.1 PLC širokopásmové siete [10]

38 - Distribučná sieť Distribučná sieť vzájomne prepája VN/NN transformačné stanice, v ktorých sú inštalované zariadenia PLC, dátová konektivita z chrbticovej siete je privedená zvyčajne do VVN/VN trafostanice. Jednotlivé prístupové siete pripojené k distribučnej sieti sa označujú ako PLC bunky. Chrbticová sieť je realizovaná zvyčajne optickými vláknami, prípadne inými technológiami. Pre injektáž signálu do VN siete je potrebné použiť dostatočne napäťovo dimenzované väzobné členy. Topológia PLC distribučnej siete môže mať lineárnu alebo hviezdicovú štruktúru, no typická je kruhová štruktúra, ktorá poskytuje vyšší stupeň spoľahlivosti, keď v prípade poruchy na VN vedení môže byť PLC komunikácia nasmerovaná alternatívnou cestou. Po premostení VN/NN transformátora, ktorý pre šírenie signálu predstavuje bariéru môže sieť ďalej viesť až k užívateľom. Podzemné káblové vedenia majú lepšie prenosové vlastnosti (sú uložené v zemi, sú tienené, menší útlm, menšie šumy, nemajú odbočky), takže majú relatívne veľký dosah ale prenosové rýchlosti sú podobné ako pri PLC prístupových sieťach. Preto zatiaľ nie je veľmi výhodné pripojiť viacero PLC prístupových sietí, okrem prípadov pri malej penetrácii užívateľov pripojených k prístupovým sieťam. Na druhej strane PLC distribučné siete môžu pokrývať široké územie bez potreby budovať nové káblové spojenia teda môžu byť využité napr. pre spojenie viacerých LAN alebo k pripojeniu základňových staníc bezdrôtových mobilných systémov [15]. - Prístupová sieť Prístupová sieť prepája koncové zariadenia, ktorými môžu byť modemy PLC alebo iné účastnícke zariadenia cez NN vedenie, pričom dátová konektivita môže byť privedená z PLC distribučnej siete alebo pomocou iných technológií do VN/NN trafostanice alebo iného miesta v NN sieti. Sieť má v tomto prípade takmer vždy stromovú topológiu. Útlm signálu je kompenzovaný opakovačmi. Súbor koncových zariadení komunikujúcich s jedným centrálnym zariadením priamo alebo nepriamo zaradením opakovačov tvorí bunku PLC. Signál privedený k domovým objektom môže byť pripojený k existujúcej dátovej sieti alebo sa môžu použiť elektrické rozvody v budovách. Potom elektrické zásuvky slúžia ako prístupové body

39 - Domová sieť Domová PLC sieť môže byť realizovaná viacerými spôsobmi: - elektrické rozvody v budove sú využité ako rozšírenie prenosového média PLC prístupovej siete - domová PLC sieť je prepojená pomocou brány s prístupovou sieťou, ktorá môže byť realizovaná PLC alebo inými technológiami, ako napr. Wi-Fi alebo DSL - domová PLC sieť existuje ako nezávislý systém Sieť má lineárnu alebo stromovú topológiu a môže mať centralizovanú architektúru (Master-Slave) alebo necentralizovanú architektúru (Peer-to-Peer). 3.2 Zariadenia Širokopásmová PLC sieť využíva viacero zariadení. Zariadenia väčšinou obsahujú digitálne obvody, analógovú časť a rozhrania pre pripojenie, pričom môžu byť napájané z rovnakého vedenia alebo oddelene. Väzobné obvody sú buď súčasťou zariadení, alebo sú v osobitných moduloch. Pre realizáciu PLC siete sú často potrebné aj ďalšie komponenty ako sú distribučné boxy, káble, filtre, poistky a podobne. HeadEnd Zariadenie prepojuje PLC prístupovú alebo distribučnú sieť s chrbticovou WAN sieťou. Prevádza dátovú konektivitu na PLC signál a naopak, preto obsahuje príslušné rozhrania pre pripojenie k iným technológiám. HeadEnd je zároveň centrálnym zariadením Master, ktoré riadi komunikáciu v celej PLC bunke. Je umiestnený zvyčajne v blízkosti trafostanice alebo aj na inom mieste v sieti, kde je dostupnejšia možnosť pripojenia na chrbticovú sieť. Na jednotlivých vetvách NN siete je tiež možné použiť viac HeadEndov, ktoré sú osobitne pripojené k WAN, čím sa zníži počet užívateľov zdieľajúcich prenosovú kapacitu. Zároveň sa skrátia vzdialenosti v sieti a zmenší vysielací výkon. [15] Opakovač Opakovače sú zariadenia slúžiace k zosilneniu (opakovaniu) signálu, potrebné pre zväčšenie dosahu PLC komunikácie a zabezpečenie požadovanej prenosovej kapacity pre užívateľa. Je možné použiť frekvenčné zdieľanie pásma (FDR), časové zdieľanie pásma (TDR) alebo ich kombináciu. Opakovače rozdeľujú PLC sieť na niekoľko segmentov, ktoré sú oddelené rôznymi frekvenčnými pásmami alebo časovými úsekmi timeslotmi. V druhom prípade je jeden timeslot použitý pre komunikáciu

40 v prvej časti siete a druhý timeslot pre druhý segment. TDR opakovač tvorí iba jedno PLC zariadenie pracujúce v jednom frekvenčnom móde. Opakovač TDR zdieľa kanál priradený od HeadEndu alebo iného opakovača, voči ktorému je Slave a distribuuje ho pripojeným zariadeniam, voči ktorým je Master. V prípade FDR opakovač prijíma signál na frekvencii f1, zosilní a injektuje do siete na frekvencii f2, resp. naopak pri opačnom smere prenosu. FDR pozostáva z 2 PLC zariadení, každé pracuje v inom frekvenčnom móde. Jedno PLC zariadenie je Slave pre HeadEnd alebo iný opakovač a druhé PLC zariadenie je Master pre CPE alebo ďalšie opakovače. Pri použití FDR opakovačov je dôležité frekvenčné plánovanie. Pre každý segment siete je potrebné použiť iný neprekrývajúci sa frekvenčný mód. Frekvenčný mód môže byť znova použitý ak útlm presahuje 30 db. [4] Frekvenčné pásmo pre PLC je limitované, preto týmto spôsobom sa zároveň rozdeľuje aj prenosová kapacita, teda frekvenčný plán pre sieť by mal využívať čo najmenej frekvencií. Tiež použitie viacerých opakovačov zvyšuje cenu. Modem Koncový používateľský modem, označovaný aj ako CPE (Customer Premises Equipment), pripája štandardné komunikačné zariadenia používané zákazníkmi s elektrickou sieťou. Prenáša signál od užívateľa a k užívateľovi. Užívateľské rozhranie modemu poskytuje rozhranie pre komunikačné zariadenia pre dátový prenos (RJ45 / Ethernet, USB, Wi-Fi) alebo telefóniu (a/b, RJ11). Modem tiež môže byť napr. integrovaný s firewallom alebo set-top-boxom. Rozhranie k elektrickej sieti je tvorené väzobným obvodom, pomocou ktorého modem vysiela a prijíma signál. V prípade centralizovanej architektúry je modem vždy zariadenie typu Slave. Brána - Užívatelia môžu byť pripojení k prístupovej sieti priamo, alebo nepriamo prostredníctvom brány. V prvom prípade prístupová sieť nie je oddelená od domovej siete. Vlastnosti elektrických sietí v domových objektoch a mimo nich sa odlišujú preto je často vhodné oddelenie sietí pomocou brány. Brána tiež konvertuje signál medzi rôznymi frekvenciami používanými v prístupovej a domovej sieti. Býva umiestnená väčšinou v meracej skrini. Brána tiež môže vykonávať aj ďalšie funkcie ako logické oddelenie sietí, čo umožňuje napr. vzájomnú komunikáciu modemov bez zaťaženia vonkajšej časti siete. V tomto prípade je brána zariadením Master, riadiacim komunikáciu v rámci domovej siete aj smerom k prístupovej sieti. Brána tiež môže byť umiestnená aj inde na NN sieti pre logické rozdelenie siete na viacero sietí a zároveň pracovať ako opakovač. Rovnako ako opakovače aj brány zmenšujú prenosovú kapacitu a zvyšujú cenu, ale na

41 rozdiel od nich umožňujú inteligentnejšie rozdelenie siete a ďalšie funkcie. Niektorí výrobcovia vo svojich PLC systémoch brány nepoužívajú. 3.3 Prehľad komerčných riešení pre širokopásmové PLC: Ascom Švajčiarska firma Ascom patrí medzi úplne prvých výrobcov zariadení pre širokopásmové PLC, demonštráciu PLC zapojenia s prenosovou rýchlosťou 1,3 Mb/s predviedla už v roku 1999 na výstave CeBit. [19] Ascom PLC systém využíva frekvenčné pásma medzi 1,6 až 30 MHz. Používa sa GMSK modulácia, simultánne sú využívané tri nosné pre vonkajší (outdoor) systém a tri pre vnútorný (indoor) systém. Nosné volí Master s ohľadom na kvalitu prenosu, použitie nosných môže zakázať alebo povoliť aj užívateľ. Nosné sú riadené dynamicky s úmyslom dosiahnuť minimálnu chybovosť pri minimálnom výkone a najväčšej prenosovej rýchlosti. Každá nosná poskytuje prenosovú rýchlosť od 750 do 1500 kbit/s, teda maximálna prenosová rýchlosť je 4,5 Mb/s pre obidva druhy systémov (vonkajší alebo vnútorný). Ascom PLC systém používa výkonné kódovanie na korekciu chýb (FEC), pre každý dátový bit PLC systém prenesie cez kanál dva bity. Podľa kvality kanála sa v prípade bezchybového prenosu FEC automaticky potláča, pri poklese kvality prenosu sa automaticky zapína. Vonkajší systém pracuje v pásme od 1,6 do 13 MHz, vnútorný systém od 15 do 30 MHz. Typické pozície nosných sú na obrázku 3.2. Obr.3.2 Frekvencie pre Ascom PLC [20] Rozdelenie signálu do individuálnych nosných dovoľuje ich posunutie alebo celkove potlačenie tej, ktorá spôsobuje nežiaduce rušenie. Stred frekvenčného pásma (nosná) sa môže posúvať v 0,6 MHz krokoch

42 Ďalšie vlastnosti : - automaticky minimalizované vyžarovanie pomocou adaptívneho vysielacieho výkonu až po parametrizovanú maximálnu hodnotu - prideľovanie priorít prístupu podľa IEEE 802.1p - technológia virtuálnych privátnych sietí VLAN podľa IEEE 802.1q - zabezpečenie komunikácie pred neoprávneným prístupom algoritmom RC4 (River s Cipher 4) so 128 bitovým kľúčom - zabezpečenie prenášaných dát algoritmom Diffie Hellman - injektovanie PLC signálu do energetickej siete kapacitnou alebo induktívnou väzbou - injektovaná spektrálna výkonová hustota sa pohybuje < -72 dbm/hz Základné zariadenia pre výstavbu PLC systému sú [20] : Outdoor Master (OM), Outdoor Access Point (OAP) - obsahuje OA a Indoor Master, Outdoor Adapter (OA), Indoor Master (IM), Indoor Adapter (IA). Tieto základné jednotky môžu byť doplnené špecializovanými jednotkami, za účelom zvýšenia dosahu a pre koordináciu činnosti viacerých Mastrov aby sa zabránilo ich interferenčným problémom, sem patria : Outdoor Repeater (OR), Indoor Repeater (IR), Outdoor Foreman (OF), Indoor Foreman (IF) Zariadenia OM a IM obsahujú 10/100 Mbit/s Ethernet rozhranie a sériové rozhranie RS232 pre servisné účely, OA a IA sú vybavené 10 Mbit/s Ethernet a USB rozhraniami, prípadne rozhraním pre pripojenie telefónu. - OM plní funkciu HeadEndu a centrálneho zariadenia pre administráciu vonkajšieho systému. Je umiestnený do transformátorovej stanice, prípadne inde v sieti, kde je dostupnejšia možnosť pripojenia na chrbticovú sieť. - OAP slúži ako brána pre prepojenie vonkajšieho systému s vnútorným systémom. Jednotka obsahuje OA a IM v jednom module. Je umiestnený v prípojnom mieste domu, zvyčajne v blízkosti elektromera. Principiálne môže byť umiestnený aj v mieste, z ktorého má dostatočný dosah. - Vnútorný systém pozostáva z OAP a určitého počtu IA. Indoor Master (IM), ktorý je súčasťou OAP je centrálnym zariadením vnútorného systému. Užívatelia sa k vnútornému systému pripájajú prostredníctvom Indoor Adaptérov (IA). Vnútorný systém môže pokrývať celú budovu alebo iba časť budovy, pričom môže byť využitý na prístup na internet, telefóniu, videokonferencie atď. alebo pre sieťové prepojenie medzi niekoľkými

43 IA. Alternatívne môže byť užívateľ pripojený aj priamo na vonkajší systém pomocou Outdoor Adaptéra (OA), ktorý je funkčne rovnaký ako IA. V prípade, že v zásuvkách je dostatočný signál z vonkajšieho systému môžu sa tým šetriť náklady na OAP. - Foreman je druhý Master v tej istej časti siete a je synchronizovaný na hlavný Master. Dva Mastre zdieľajú celkovú kapacitu medzi sebou a sú riadené hlavným Mastrom. Foreman (IF alebo OF) je použitý namiesto normálneho Mastra v prípade, že hrozí interferencia dvoch Mastrov, to znamená, že existujú oblasti ich spoločného dosahu. - Repeater (IR alebo OR) je používaný pre zväčšenie dosahu. Za priaznivých okolností ma Ascom PLC dosah 150 až 300 m od OM zariadenia (frekvencie 1 13 MHz) a 70 až 100 m od IM (15 30 MHz). Obr.3.3 Outdoor Master a Indoor Adapter [20] DS2 Technológia postavená na zariadeniach využívajúcich čipy DS90xx od španielskej firmy DS2 (Design of Systems on Silicon ) je súčasnosti najvyspelejšia a najvýkonnejšia, dosahuje prenosovú rýchlosť až 200 Mb/s na fyzickej vrstve, pričom v Novembri 2007 bola ohlásená nová generácia zariadení dosahujúca až 400 Mb/s (250 Mb/s na aplikačnej vrstve). Nové zariadenia budú kompatibilné s doterajšími riešeniami, aby bol možný jednoduchý prechod na vyspelejšiu technológiu. Prvé nasadenie novej generácie sa predpokladá v roku Viacero výrobcov licencovalo technológiu DS2, tiež prebieha množstvo testov a pilotných projektov po celom svete. Vo viacerých prípadoch tiež už došlo k reálnemu nasadeniu. Technológia je v súlade so štandardom Digital Home Standard pre domové siete od organizácie UPA (Universal Powerline Association), a tiež bola použitá ako základ pre OPERA štandard pre prístupové PLC siete

44 Vlastnosti obvodov DS2 [5]: DSS7700 Obsahuje sadu zosilňovačov s riadeným ziskom, nízkym šumom a malým skreslením. Je optimalizovaný pre OFDM s vysokou hustotou nosných frekvencií. Umožňuje voliteľne znižovať výkon na každej z nosných frekvencií a je vytvorený ako tzv. analog front end pre použitie v PLC zariadeniach s čipmi DSS90xx. DSS9001 je určený predovšetkým pre realizáciu modemov (CPE), prípadne pre vytvorenie opakovača poslednej úrovne. Obsahuje tabuľku pre maximálne 64 MAC adries. Súčasťou funkčnosti je aj VoIP, takže po doplnení modemu o DSP (Digital Signal Procesor) je možné priamo pripojiť analógový telefón a vybudovať alternatívnu telefónnu sieť. DSS9002 je výkonný čip pre tvorbu zariadení pre PLC prístupové siete, ako sú HeadEnd alebo opakovač strednej úrovne. Je určený predovšetkým pre NN siete, ale je možné použiť aj pre VN siete. Obsahuje tabuľku pre max MAC adries. DSS9003 je najvýkonnejší typ z čipov DSS900x, umožňuje spracovávať až 220 tisíc MAC adries a má 2 Gigabit Ethernet porty s optickým rozhraním. Je určený pre výrobu vrcholových HeadEndov komunikujúcich po VN sieti, alebo opakovačov medzi VN a NN sieťami. DSS9010 a DSS9011 sú čipy pre výrobu modulov pre vytvorenie domácich sietí. Obsahujú tabuľku pre 16 MAC adries a sú určené pre zariadenia v prevedení Plug-andplay. DSS9011 je optimalizovaná pre prenos audio signálov (VoIP, multikanálový DVD hi-fi signál,...). Na Intel Developer Forum v septembri 2007 DS2 ohlásila nové čipsety označené ako Aitana používajúce DSS9101 a DSS7800 AFE. 200 Mb/s čipset obsahuje zabudovaný procesor, 802.1D Ethernet bridge, podporu IP protokolu s prioritizáciou paketov, zdokonalené API (Applications Program Interface) a softwarové vlastnosti vhodné pre programovateľné, flexibilné riešenie pre PLC systém zabudovaný do zariadení ako sú počítače, set-top-boxy, TV, herné konzoly a podobne. Je špeciálne navrhnutá pre QoS aplikácií ako VoIP, IPTV, video na želanie, tak aby mali dostatok prenosových prostriedkov pre viac prenosov súčasne. Podporuje 64 MAC adries a rozpoznávanie

45 topológie siete. TDMA MAC zaisťuje neprerušovaný tok pre video multi streaming, a dynamickú alokáciu prenosovej kapacity. Podporuje rozdelenie na viac sietí a VLAN. Ďalej čipset podporuje vypnutie niektorých frekvencií, podporu šifrovania 128 DES, 256 DES, 3 DES a zahŕňa rozhrania : MII pre vysokorýchlostné aplikácie ako Ethernet, UART pre integráciu servisných dát, TDM/I2S pre optimálne použitie natívnych audio aplikácií a GPIO pre pokročilé funkcie ako spárovanie zariadení stlačením tlačítka. Čipset obsahuje navyše procesor 160 MHz Tensillica pre podporu vyšších protokolov, ako napr. SNMP. DS2 uviedla 20.mája 2008 aj referenčný modul pre Aitana čipset, označený ako DE21P. [21] DS2 používa OFDM s 1536 nosnými, 4-D Trellis a Reed-Solomon kódovanie. Nosné sú modulované pomocou QAM, po vyhodnotení prenosového kanála je priradených 0 až 10 bitov na každú z nosných. Pri veľmi malom odstupe signál/šum sa používa HURTO (High-performance Ultra-Redundant Transmission OFDM) s priradením 2 bitov na každú nosnú. DS2 využíva pásmo 2 34 MHz s možnosťou 3 frekvenčných konfigurácii s 10, 20 alebo 30 MHz šírkou pásma. Pásmo je možné rozdeliť pomocou až 12 frekvenčných módov, pričom 6 módov je prednastavených. Pre optimálny výkon vysielania a prijímu sa používa automatická kontrola zisku AGC (Automatic Gain Control), ktorá reguluje úroveň signálu podľa vzdialenosti CPE a HeadEndu. Prenosová rýchlosť je max. 200 Mb/s na fyzickej vrstve pre TDD (Time Division Duplex), reálna rýchlosť sa pohybuje do 130 Mb/s. Ďalšie vlastnosti DS2 : [5] - dosah do 400 m na NN rozvodoch, do 700 m na VN rozvodoch, požitie možné aj na koaxiálnych kábloch, možnosť opakovania TDR aj FDR - podpora multiprotokolového prepínania značiek (MPLS) - variabilná MAC TDMA s dynamickým prideľovaním prenosovej kapacity (Master- Slave) alebo CSMA/CA ( Peer-to-Peer ) - citlivosť vstupných zosilňovačov až -70 db - pokročilé sieťové vlastnosti vrátane 802.1q VLAN s optimalizovaným rozšírením a STP (Spanning Tree Protocol) s rýchlym mechanizmom obnovenia - integrovaný Ethernet bridge (802.1D), pracuje na úrovni MAC adries - podpora Ipv6 - QoS (802.1p) s 8 úrovňovými prioritnými poradiami

46 - multicast distribúcia video a audio signálov - podporuje protokoly : DHCP, TELNET (proprietárne konzolové aplikácie), TFTP (konfiguračné súbory, upgrade firmware), RADIUS (overovanie užívateľa, účtovanie), štandardné SNMP rozhranie pre monitorovanie stavu zariadenia a konfigurácie - integrovaný VoIP port (v prípade koncového modemu CPE priama zásuvka RJ11); štandard H.323 v4, Codec G.711, G.729 a/b, G.723.1, RTP/RTCP - pokročilé bezpečnostné šifrovacie mechanizmy - injektovaná spektrálna výkonová hustota <= -50dBm/Hz - v súlade s normami : test interferencie EN 55022, test imunity EN 55024, limity pre harmonické prúdové emisie (EN :1998), limity zmien a fluktuácií napätia (EN :1995), v súlade s ETSI (štandard a ) a CENELEC (špecifikácia 59013), certifikát CE - vzdialene nastaviteľná maska výkonu pre všetky nosné kmitočty v súlade s požiadavkami regulátorov, nastavenie frekvencií vylúčených z použitia pre prenos dát, podľa špecifikácie alebo pri prípadnej kolízii s vysielaním primárneho užívateľa daného pásma umožní konfiguráciu alebo okamžitý diaľkový zásah vedúci k zamaskovaniu danej frekvencie v danom mieste - zariadenie bez pohyblivých častí a bez aktívneho chladenia vysoká spoľahlivosť a životnosť - pracovné prostredie: HeadEnd teplota -10 až +50 C, vlhkosť 20-95%; CPE teplota 0-40 C Technológiu DS2 licencovalo mnoho výrobcov, napr. Defidev, Corinex, Ilevo (divízia Schneider Electric), Inovatec, Amperion, Ambient Corp. a mnoho ďalších. Produkty zahŕňajú rôzne druhy zariadení pre prístupové aj domové siete. Výrobcovia poskytujú aj vlastný software pre administráciu PLC sietí. Na obrázku 3.4 sú zariadenia od firmy Ilevo. Prvé zariadenie je CPE s podporou VoIP a multimediálnych aplikácii s čipom DSS9001. Druhé zariadenie je opakovač v prevedení so zvýšenou odolnosťou voči poveternostným podmienkam s čipom DSS9002. Tretie zariadenie je jednoduchší a lacnejší typ CPE s čipom DSS9010. Posledné zariadenie je HeadEnd s čipom DSS

47 Obr.3.4 PLC zariadenia od firmy Ilevo [4] HomePlug HomePlug Powerline Alliance je nezisková organizácia pracujúca na vytvorení špecifikácií pre technológie, produkty a služby poskytujúce vysokorýchlostnú komunikáciu prostredníctvom PLC domových sietí. Bola založená v roku 2000, v súčasnosti má 65 členov a výsledkom jej činnosti sú štandardy : - HomePlug HomePlug AV - HomePlug BPL HomePlug 1.0 Základom štandardu HomePlug 1.0 je technológia PowerPocket od firmy Intellon, založená na čipoch INT5130 alebo INT51X1. Existuje aj novšia verzia štandardu, HomePlug 1.0.1, ktorá obsahuje iba drobné vylepšenia. Technológia využíva OFDM s 84 subnosnými vo frekvenčnom pásme 4,5 až 21 MHz, jednotlivé nosné sú modulované moduláciami DBPSK (diferenciálna binárna PSK) alebo DQPSK (diferenciálna kvadratúrna PSK). OFDM symboly sú kódované použitím Reed- Solomonových a konvolučných kódov. Existuje 139 kombinácií kódových pomerov a modulačných schém, pomocou ktorých spolu s vypnutím niektorých nosných je

48 vykonávaná adaptácia dát na prenosový kanál, pričom v závislosti na použitých kombináciách sa prenosová rýchlosť na fyzickej vrstve pohybuje od 1 až po 14 Mbit/s. Pred prispôsobením parametrov kanála a pre vysielanie správ typu broadcast sa používa špeciálna forma modulácie a FEC kódovania označená ako ROBO (ROBust OFDM), ktorá je založená na DBPSK s vysokou odolnosťou voči frekvenčným a časovým únikom. HomePlug MAC používa IEEE formát rámcov, čo uľahčuje integráciu s Ethernetom. Bezchybný prenos dát je zabezpečený pomocou ARQ (Požiadavka na automatické opakovanie vysielania). Pre prístup k médiu je použitý protokol CSMA/CA. Mechanizmus snímania nosnej pomáha zariadeniam pri vzájomnej synchronizácii. Pre detekciu stavu média sa používa fyzické snímanie nosnej (PCS) na fyzickej vrstve a virtuálne snímanie nosnej (VCS) na MAC vrstve. Pre zabezpečenie QoS MAC vrstva používa 4 úrovňový prioritný prístup. Vďaka distribuovanému princípu nie je potrebné centrálne zariadenie pre riadenie prístupu na médium. Informácie o priorite rámcov môžu byť indikované z vyšších sieťových vrstiev pomocou VLAN tagov, ako je to definované v IEEE Q. [22] Dosah komunikácie je typicky maximálne 200 metrov, dosiahnuteľné prenosové rýchlosti sú 14 Mb/s pre fyzickú vrstvu, 8,2 Mb/s na MAC vrstve a 6,2 Mb/s pre prenosy pomocou TCP protokolu. [22] Proprietárne vylepšenie štandardu od firmy Intellon, označované ako HomePlug 1.0 Turbo umožňuje prenosovú rýchlosť až 85 Mb/s. HomePlug umožňuje potlačiť v prípade rušenia rádiokomunikácie príslušné frekvencie až o 30 db. Na zabezpečenie komunikácie pred neoprávneným prístupom v zdieľanej elektrickej sieti sa používa logické oddelenie častí siete pomocou 56 bitového DES šifrovania. HomePlug AV HomePlug AV (HPAV) založený na čipe INT6000 alebo INT6300 od firmy Intellon je novou generáciou štandardu HomePlug. Vývoj bol dokončený v roku Jeho účelom je zabezpečiť kvalitnú, multi-streamovú komunikáciu orientovanú nielen na prepojenie PC, ale aj rôznych zariadení spotrebnej elektroniky. Fyzická vrstva (PHY) pracuje vo frekvenčnom pásme 2 28 MHz a umožňuje dosiahnuť prenosovú rýchlosť 200 Mb/s na PHY a 150 Mb/s informačnú rýchlosť. Používa OFDM s 917 nosnými, Turbo Konvolučné Kódovanie (TCC) a modulácie BPSK (prenáša 1 bit na nosnú na symbol) alebo 1024 QAM (prenáša 10 bitov na nosnú na symbol), zvolenými podľa charakteristiky kanála. HPAV zabezpečuje spojovo orientovanú službu pre podporu QoS požiadaviek (garantovaná prenosová kapacita, oneskorenie, kolísanie jitter) pre

49 Audio/Video a IP aplikácie. Táto služba je založená na periodickej TDMA alokácii s adekvátnym časovým trvaním. HPAV zabezpečuje tiež nespojovo orientovanú službu založenú na CSMA/CA s použitím priorít. Pre efektívnu obsluhu oboch typov služieb HPAV používa flexibilnú centralizovanú architektúru s jedným hlavným zariadením. Obe služby fungujú na princípe rozdelenia signálnej periódy na časť vyhradenú pre alokáciu prenosovej kapacity a CSMA časť. Centrálne zariadenie koordinuje aktivitu v sieti, rozvrhuje alokáciu prenosovej kapacity a alokuje čas pre CSMA. Signálová perióda je synchronizovaná s periódou 50 Hz elektrickej siete, čím je dosiahnutá lepšia adaptácia na synchrónny impulzný šum a tiež je zabezpečená stabilita periodickej alokácie prenosovej kapacity. [22] HPAV tiež umožňuje koexistenciu s inými štandardami pre širokopásmové PLC a voliteľnú interoperabilitu s predchádzajúcim štandardom HomePlug 1.0. Umožňuje Plug and play konfiguráciu užívateľom alebo konfiguráciu poskytovateľom služieb. HPAV ponúka vytvorenie viacerých sietí a zabezpečenie pomocou 128 bit AES kódovania. Reálne prenosové rýchlosti sa pohybujú v hodnotách 50 až 90 Mb/s pre UDP a 30 až 60 Mb/s pre TCP komunikáciu. HomePlug BPL Na rozdiel od predchádzajúcich štandardov, určených pre vytvorenie domových sietí, HomePlug BPL je vyvíjaný ako technológia pre prístupové PLC siete, pričom zámerom je prirodzene rozšíriť predchádzajúce štandardy a koexistovať s nimi, preto vývoj je založený na úprave HPAV technológie. Vývoj začal v r a stále prebieha. Rôzne zariadenia založené na technológií HomePlug ponúka veľké množstvo výrobcov, medzi inými napr. Corinex, WodaPlug, GigaFast, Phonex, ST&T a ďalšie. Na trhu sú jednoduché Plug and play zariadenia s Ethernet alebo USB rozhraním, RJ11 pre pripojenie telefónu alebo aj zariadenia zahŕňajúce napr. bezdrôtový prístupový bod, ADSL smerovač alebo set-top-box. Na obr. 3.5 je zariadenie od firmy WodaPlug, umožňujúce prepojenie PC s prenosovou rýchlosťou 14 Mb/s. Zariadenia sa predávajú v pároch alebo po jednom kuse. Druhé zariadenie od firmy Asoka kombinuje PLC a ADSL smerovač, zabezpečuje štandardné funkcie ako sú 4 portový switch, NAT, firewall, DHCP server

50 Obr.3.5 PLC moduly od firiem WodaPlug a Asoka [9] 4. Stav vo svete a na Slovensku Prvou krajinou kde došlo k realizácii pilotných projektov a tiež aj reálnemu nasadeniu širokopásmového prístupu prostredníctvom PLC bolo Nemecko. Na výstave CeBit v roku 2000 bol predstavený pilotný projekt pripojenia viac ako 450 zákazníkov prostredníctvom PLC systému od firmy Ascom. Aktivity v Nemecku pritiahli veľkú pozornosť spoločností z celého sveta. [19] Obrázok 4.1 ukazuje krajiny, v ktorých bol období rokov 2000 až 2006 inštalovaný systém Ascom PLC. Obr.4.1 Ascom inštalácie vo svete