PowerLine Communications (PLC) - проводная технология, позволяющая использовать сети электрического тока для передачи голоса и данных. Полезный сигнал для передачи цифровой информации представляет собой высокочастотную наводку на основном сигнале - несущей 50/60 Гц. В основу технологии PLC положен принцип частотного разделения сигнала, в соответствии с которым высокоскоростной поток данных разделяется на несколько составляющих потоков с более низкой скоростью, причем каждый из них передается на отдельной поднесущей частоте. На выходе происходит объединение поднесущих в один сигнал.

Идея приспособить электрические сети для передачи информации появилась еще в начале 1930-х гг. Традиционно организации по энергоснабжению задействовали электрические сети для контроля ситуации на подстанции и передачи другой специфической информации технологического характера. Небольшая поддерживаемая скорость передачи данных и низкий уровень помехозащищенности долгое время были основным препятствием к развитию и коммерческому использованию технологии PLC.

Но прогресс не стоит на месте, и появление более мощных DSP - процессоров (цифровые сигнальные процессоры) дали возможность использовать более сложные способы модуляции сигнала, такие как OFDM модуляция (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), что позволило значительно продвинуться вперед в реализации технологии PLC. В начале нынешнего тысячелетия несколько крупных лидеров на рынке телекоммуникаций объединились в альянс, который получил название HomePlug Alliance, с целью совместного проведения научных исследований и практических испытаний, а также принятия единого стандарта на передачу данных по системам электропитания. Прототипом PowerLine является технология PowerPacket фирмы Intellon, положенная в основу для создания единого стандарта HomePlug1.0 specification (принят альянсом HomePlug 26 июня 2001 г.), в котором определена скорость передачи данных до 14 Мб/сек. Новый стандарт HomePlug AV уже поддерживает скорости соединения до 200 Мб/сек.

PowerLine технология может быть использована при создании локальной сети в небольших офисах (до 10 компьютеров), где основными требованиями к сети являются простота реализации, мобильность устройств и легкая расширяемость. При этом как вся офисная сеть, так и отдельные ее сегменты могут быть построены с помощью PowerLine адаптеров. Очень часто встречается ситуация, когда необходимо включить в уже существующую сеть удаленный компьютер или сетевой принтер, расположенный в другой комнате или даже в другом конце здания. С помощью PowerLine адаптеров эту проблему можно решить за 15 минут (30, стр.27).

PowerLine технология открывает новые возможности при реализации идеи "Умного дома", где вся бытовая электроника была бы завязана в единую информационную сеть с возможностью централизованного управления. Электрическая сеть - идеальная среда передачи управляющих сигналов между бытовыми приборами, работающих в сети 110/220В. В ближайшее время появится чип, позволяющий встраивать его в различные приборы, которые будут иметь возможность принимать и передавать данные через собственные цепи питания. Кроме того, с помощью данного чипа можно организовать передачу аудио данных, данных с датчиков охранной сигнализации, расширять и продлять телефонные линии, и т.д.

Основой технологии Powerline являются два принципа (21, стр.44-46):

1. Использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнал.

2. Технология расширения спектра (Spread Spectrum, SS), составляющая суть технологии PowerPacket фирмы Intellon.

Рассмотрим эти принципы подробнее.

Основной принцип технологии расширения спектра (Spread Spectrum, SS) заключается в том (10, стр.114), чтобы от узкополосного спектра сигнала, возникающего при обычном потенциальном кодировании, перейти к широкополосному спектру, что позволяет значительно повысить помехоустойчивость передаваемых данных. Рассмотрим более детально, как это происходит.

При потенциальном кодировании информационные биты 0 и 1 передаются прямоугольными импульсами напряжений. Прямоугольный импульс длительности T имеет спектр, ширина которого обратно пропорциональна длительности импульса и описывается формулой .

Чем меньше длительность импульса, тем больший спектральный диапазон занимает такой сигнал. Чтобы повысить помехоустойчивость передаваемого сигнала (то есть увеличить вероятность безошибочного распознавания сигнала на приёмной стороне в условиях шума), можно воспользоваться методом перехода к широкополосному сигналу, добавляя избыточность в исходный сигнал. Для этого в каждый передаваемый информационный бит встраивают определенный код, состоящий из последовательности так называемых чипов (рис.1.1) (7, стр.39-43).

Рис.1.1 Изменение спектра сигнала при добавлении шумоподобного кода.

Информационный бит, представляемый прямоугольным импульсом, разбивается на последовательность более мелких импульсов-чипов. В результате спектр сигнала значительно расширяется, поскольку ширину спектра можно с достаточной степенью точности считать обратно пропорциональной длительности одного чипа. Такие кодовые последовательности часто называют шумоподобными кодами. Наряду с уширением спектра сигнала, уменьшается и спектральная плотность энергии, так что энергия сигнала как бы размазывается по всему спектру, а результирующий сигнал становится шумоподобным в том смысле, что его теперь трудно отличить от естественного шума. Возникает вопрос: для чего усложнять первоначальный сигнал, если в результате он становится неотличимым от шума? Дело в том, что кодовые последовательности чипов обладают уникальным свойством автокорреляции, под этим термином в математике понимают степень взаимоподобия двух функций, то есть насколько две различные функции похожи друг на друга. Соответственно под автокорреляцией понимается степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. Например, если некоторая функция зависит (меняется) от времени и эта зависимость выражается в виде f (t), то можно рассмотреть функцию в некоторый момент времени t0 и в момент времени t0+ф. Степень соответствия этих двух функций друг другу в различные моменты времени и называется автокорреляцией. При этом можно подобрать такую последовательность чипов, для которой функция автокорреляции, отражающая степень подобия функции самой себе через определённый временной интервал, будет иметь резко выраженный пик лишь для одного момента времени. Таким образом, функция будет подобна самой себе только для одного момента времени и совсем не похожа на самоё себя для всех остальных моментов времени. Одна из наиболее известных (но не единственная) таких последовательностей - код Баркера длиной в 11 чипов: 11100010010. Коды Баркера обладают наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что и обусловило их широкое применение. Для передачи единичного и нулевого символов сообщения используются, соответственно, прямая и инверсная последовательности Баркера (См.41).

В приёмнике полученный сигнал умножается на код Баркера (вычисляется корреляционная функция сигнала), в результате чего он становится узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на код Баркера, наоборот, становится широкополосной, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности примерно в 11 раз меньшая, чем помеха, действующая на входе приёмника. Основной смысл использования кода Баркера заключается в том, чтобы гарантировать высокую степень достоверности принимаемой информации и при этом передавать сигнал практически на уровне помех.

Различают два вида фазовой модуляции: собственно фазовую и относительную фазовую модуляцию. При фазовой модуляции (Phase Shift Key, PSK) для передачи логических нулей и единиц используют сигналы одной и той же частоты и амплитуды, но смещённые относительно друг друга по фазе. Например, логический нуль передается синфазным сигналом, а единица - сигналом, который сдвинут по фазе на 180° (рис.1.2) (См.41).

Рис.1.2 Двоичная фазовая модуляция BPSK.

Если изменение фазы может принимать всего два значения, то говорят о двоичной фазовой модуляции (Binary Phase Shift Key, BPSK). Математически сигнал, соответствующий логическому нулю, можно представить как S0 (t) =Asin (2рft), а сигнал, соответствующий логической единице, как S1 (t) = - Asin (2рft). Тогда модулированный сигнал можно записать в виде: SBPSK (t) =V (t) Asin (2рft), где V (t) - управляющий сигнал, принимающий значения +1 и - 1. При этом значение сигнала +1 соответствует логическому нулю, а значение сигнала - 1 - логической единице.

Изменение фазы может иметь и более двух значений, например четыре - 0, 90, 180 и 270°. В этом случае говорят о так называемой квадратурной фазовой модуляции (Quadrature Phase Shift Key, QPSK - рис.1.3) (См.42). Чтобы понять происхождение этого термина, рассмотрим общий вид сигнала, модулированного по фазе: S (t) =Asin (2рft+ц (t)).

Рис.1.3 Квадратурная фазовая модуляция QPSK.

Данный сигнал можно представить в виде S (t) =Asin (2рft) cosц+Acos (2рft) sinц.

Из полученного выражения видно, что исходный сигнал можно представить в виде суммы двух гармонических составляющих, смещённых друг относительно друга по фазе на 90°. В передатчике, производящем модуляцию, одна из этих составляющих синфазна сигналу генератора, а вторая находится в квадратуре по отношению к этому сигналу (отсюда - квадратурная модуляция). Синфазная составляющая обозначается как I (In Phase), а квадратурная - как Q (Quadrature). Тогда исходный сигнал приводится к виду S (t) =Icosц+Qsinц.

При квадратурной фазовой модуляции фаза сигнала может принимать четыре различных значения . Для выбора определённого значения фазы используются кодирующие сигналы dI и dQ, которые могут принимать значения +1 и - 1. Отличительной особенностью квадратурной фазовой модуляции является наличие четырех дискретных состояний сигнала, отвечающих различным фазам. Это позволяет закодировать в одном дискретном состоянии последовательность двух информационных бит (так называемый дибит). Действительно, последовательность двух битов может иметь всего четыре различные комбинации: 00, 01, 10 и 11, а значит, ровно в два раза повышается и скорость передачи данных, то есть бодовая скорость будет в два раза больше битовой (1 Бод = 2 бит/с).

Недостатком фазовой модуляции является то, что при декодировании сигнала приёмник должен определять абсолютное значение фазы сигнала, так как в фазовой модуляции информация кодируется именно абсолютным значением фазы сигнала. Для этого необходимо, чтобы приёмник имел информацию о так называемом эталонном синфазном сигнале передатчика. Тогда, путём сравнения принимаемого сигнала с эталонным, можно определять абсолютный сдвиг фазы. Следовательно, необходимо каким-то способом синхронизировать сигнал передатчика с эталонным сигналом приёмника (по этой причине фазовая модуляция получила название синхронной). Реализация синхронной передачи достаточно сложна, поэтому более широкое распространение получила разновидность фазовой модуляции, называемая относительной фазовой модуляцией (Differential Phase Shift Keying, DPSK) (См.43). При относительной фазовой модуляции (также именуемой относительной фазовой манипуляцией) кодирование информации происходит за счёт сдвига фазы по отношению к предыдущему состоянию сигнала. Фактически приёмник должен улавливать не абсолютное значение фазы принимаемого сигнала, а лишь изменение этой фазы, то есть информация кодируется изменением фазы. Естественно, такая модуляция уже не является синхронной и по этой причине проще реализуется. Во всём остальном DPSK-модуляция не отличается от PSK-модуляции.

В более позднем стандарте HonePlug AV, обеспечивающем значительно более высокую скорость передачи данных, используются несколько иные принципы кодирования, а именно вместо шумоподобных последовательностей Баркера для уширения спектра используются комплементарные коды (Complementary Code Keying, CCK) (См.44).

Чрезвычайно важный момент, который необходимо учитывать при использовании электрических линий при передаче информационного сигнала, связан с возникновением эффекта многолучевой интерференции: в результате многократных отражений один и тот же сигнал может попадать в приёмник различными путями. Но различные пути распространения имеют и разные длины, а потому для различных путей распространения ослабление сигнала будет неодинаковым. Следовательно, в точке приёма результирующий сигнал представляет собой суперпозицию (интерференцию) многих сигналов с различными амплитудами и смещёнными относительно друг друга по времени, что эквивалентно сложению сигналов с разными фазами. Если предположить, что передатчик распространяет гармонический сигнал yin=Asin2рнt с частотой несущей н и амплитудой A, то в приёмнике будет получен сигнал , где ti - задержка распространения сигнала по i-му пути (рис.1.4).

Рис.1.4 Модель многолучевого распространения сигнала (См.6, стр.109).

Следствием многолучевой интерференции является искажение принимаемого сигнала. Многолучевая интерференция присуща любому типу сигналов, но особенно негативно она сказывается на широкополосных сигналах. Дело в том, что при использовании широкополосного сигнала в результате интерференции определённые частоты складываются синфазно, что приводит к увеличению сигнала, а некоторые, наоборот, - противофазно, вызывая ослабление сигнала на данной частоте (рис.1.5).

Рис.1.5 Искажение сигнала за счёт присутствия многолучевой интерференции.

Говоря о многолучевой интерференции, возникающей при передаче сигналов, различают два крайних случая. В первом случае максимальная задержка между различными сигналами не превосходит времени длительности одного символа, и интерференция возникает в пределах одного передаваемого символа. Во втором случае максимальная задержка между различными сигналами больше длительности одного символа, а в результате интерференции складываются сигналы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсимвольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI - рис.1.6) (См.45, стр.61-66).

Рис.1.6. Возникновение межсимвольной и внутрисимвольной интерференции.

Наиболее отрицательно на искажении сигнала сказывается межсимвольная интерференция. Поскольку символ - это дискретное состояние сигнала, характеризующееся значениями частоты несущей, амплитуды и фазы, то для различных символов меняются амплитуда и фаза сигнала, поэтому восстановить исходный сигнал крайне сложно.

Поэтому в технологии PCL используется метод передачи кодированых данных, который состоит в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведётся параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счёт одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи в отдельном подканале может быть и не высокой. Если скорость передачи обозначить Si в i-ом частотном канале, то общая скорость передачи посредством N каналов будет равной (См.45):

Поскольку в каждом из частотных подканалов скорость передачи данных можно сделать не слишком высокой, это создает предпосылки для эффективного подавления межсимвольной интерференции. Ортогональность несущих сигналов можно обеспечить в том случае, если за время длительности одного символа несущий сигнал будет совершать целое число колебаний. Примеры нескольких несущих ортогональных колебаний представлены на рис.1.7.

Рис.1.7 Ортогональные частоты.

При частотном разделении каналов необходимо, чтобы ширина отдельного канала была, с одной стороны, достаточно узкой для минимизации искажения сигнала в пределах отдельного канала, а с другой - достаточно широкой для обеспечения требуемой скорости передачи. Кроме того, для экономного использования всей полосы канала, разделяемого на подканалы, желательно как можно более плотно расположить частотные подканалы, но при этом избежать межканальной интерференции, чтобы обеспечить полную независимость каналов друг от друга. Частотные каналы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, называются ортогональными. Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу. С точки зрения математики ортогональность функций означает, что их произведение, усреднённое на некотором интервале, должно быть равно нулю. В нашем случае это выражается простым соотношением (51, стр. 202-204):

где T - период символа, fk,fl - несущие частоты каналов k и l.

Рис.1.8 Символ длительностью T и его спектр.

Учитывая, что каждый передаваемый символ длительности T передаётся ограниченной по времени синусоидальной функцией, нетрудно найти и спектр такой функции (рис.1.8), который будет описываться функцией , где fi - центральная (несущая) частота i-го канала.

Такой же функцией описывается и форма частотного подканала. При этом важно, что хотя сами частотные подканалы могут и перекрывать друг друга, однако ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов друг от друга, а следовательно, отсутствие межканальной интерференции (рис.1.9.).

Рис.1.9 Частотное разделение каналов с ортогональными несущими сигналами.

Перед тем как отдельные поднесущие частоты будут объединены в один сигнал, они претерпевают фазовую модуляцию (рис.1.10.), каждая - своей последовательностью бит.

Рис.1.10 Фазовая модуляция

После этого все они проходят через PowerPacket engine и собираются в единый информационный пакет, который еще называют OFDM-symbol. На рисунке 1.11 приведен пример относительной квадратурной фазовой манипуляции (DQPSK - Differential Quadrature Phase Shift Keying) на каждой из 4-х поднесущих частот в диапазоне 4-5 МГц (См.39).

Рис.1.11 DQPSK модуляция

Реально в технологии Powerline стандарта HomePlug 1.0 используются 84 поднесущие частоты в диапазоне 4-21 МГц (рис.1.12) (10, стр.53).

Рис.1.12 Реализация OFDM в технологии Powerline

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM).

Рис.1.13. Осуществление обратного быстрого преобразования Фурье для получения N ортогональных частотных подканалов

Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT), переводящее предварительно мультиплексированный на N-каналов сигнал из временного представления в частотное (рис.1.13) (См.46).

Одним из ключевых преимуществ метода OFDM является сочетание высокой скорости передачи с эффективным противостоянием многолучевому распространению. Если говорить точнее, то сама по себе технология OFDM не устраняет многолучевого распространения, но создаёт предпосылки для устранения эффекта межсимвольной интерференции. Дело в том, что неотъемлемой частью технологии OFDM является понятие охранного интервала (Guard Interval, GI) - это циклическое повторение окончания символа, пристраиваемое вначале символа (рис.1.14). Охранный интервал является избыточной информацией и в этом смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи. Эта избыточная информация добавляется к передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приёме символа в приёмнике, но именно она служит защитой от возникновения межсимвольной интерференции.

Рис.1.14. Охранный интервал, пристраиваемый в начало символа.

Наличие охранного интервала создаёт временные паузы между отдельными символами, и если длительность охранного интервала превышает максимальное время задержки сигнала в результате многолучевого распространения, то межсимвольной интерференции не возникает (рис.1.15) (См.47).

Рис.1.15. Принцип использования охранного интервала при передаче данных

Теоретическая скорость передачи данных при использовании параллельных потоков с одновременным фазовым модулированием сигналов составляет более 100 Мб/с.

Адаптация к физической среде, устранение ошибок и разрешение конфликтов. При передаче сигналов по бытовой сети электропитания могут возникать большие затухания в передающей функции на определенных частотах, что приведет к потере данных (рис.1.16).

Рис.1.16. Передающая функция

В технологии Powerline предусмотрен специальный метод решения этой проблемы - динамическое выключение и включение передачи сигнала (dynamically turning off and on data-carrying signals). Суть данного метода заключается в том, что устройство осуществляет постоянный мониторинг канала передачи с целью выявления участка спектра с превышением определенного порогового значения затухания. В случае обнаружения данного факта использование этих частот на время прекращается до восстановления нормального значения затухания (рис.1.17) (См.50).

Рис.1.17. Адаптивная передача данных

Данный метод делает технологию Powerline максимально гибкой при использовании в различных условиях. Например, в разных странах существуют различные регулирующие правила, согласно которых часть диапазона частот не может быть использована. При этом, в случае Powerline, в этом диапазоне просто не будут передаваться данные. Еще одним примером является случай, когда некое приложение уже использует часть диапазона. Аналогично первому случаю, в этом также выключается передача данных на определенных частотах, и два приложения могут спокойно сосуществовать в одной физической среде.

Другой серьезной проблемой при передаче данных по бытовой электросети являются импульсные помехи (до 1 микросекунды), источниками которых могут быть галогеновые лампы, включение и выключение различных электроприборов и т.д.

При использовании предыдущего метода система может не успеть адаптироваться к быстро изменившимся условиям, в результате часть битов будет разрушена и утеряна. Для решения этой проблемы используется двухступенчатое (каскадное) помехоустойчивое кодирование битовых потоков перед тем, как они будут промодулированы и поступят в канал передачи данных. Суть помехоустойчивого кодирования состоит в добавлении в исходный информационный поток по определенным алгоритмам избыточных ("защитных") битов, которые используются декодером на приемном конце для обнаружения и исправления ошибок. Каскадирование блочного кода Рида-Соломона и простого сверточного кода, декодируемого по алгоритму Витерби, позволяет исправлять не только одиночные ошибки, но и пакеты ошибок, обеспечивая тем самым практически 100% гарантию целостности передаваемых данных. Кроме того, помехоустойчивое кодирование является и способом технического закрытия, обеспечивающего относительную безопасность передаваемой информации в общей среде передачи (3, стр.65-67).

Ещё одним проблемным моментом является то, что сеть бытового электропитания служит общей средой передачи данных, то есть в один момент времени передачу могут осуществлять сразу несколько устройств. В такой ситуации для разрешения конфликтов столкновения трафика необходим регулирующий механизм - протокол доступа к среде. В качестве такого протокола был выбран хорошо известный Ethernet, который в технологии Powerline был расширен путем добавления дополнительных полей приоритезации. Такая модификация вызвана необходимостью гарантированной полосы пропускания для передачи голоса и видео через IP, когда величина задержки является критичным параметром. Пакеты, содержащие голос или видео в этом случае помечаются как "timing critical", т.е. имеют самый высокий приоритет при обработке и доступе к среде передачи.

1.2 Обзор стандартов технологии PCL. Стандарты семейства HomePlug