1 Ćw. 4. Badanie transmisji danych w technologii PLC 1. Wprowadzenie Właściwy wybór medium transmisyjnego oraz zastosowanej technologii komunikacyjnej zależy od wymagań, jakie stawiane są danemu systemowi. Przesyłanie danych odbywa się z wykorzystaniem różnych technologii i mediów. Jedną z metod transmisji jest komunikacja po liniach energetycznych (PLC - Power Line Communications). Wykorzystuje ona linie sieci elektroenergetycznej, jako kanał komunikacyjny. Zastosowanie technologii PLC redukuje koszty z powodu wyeliminowania konieczności wykonania dodatkowego okablowania. Podstawową zasadą działania komunikacji PLC jest modulacja i demodulacja. Modulowany sygnał wysokiej częstotliwości jest dodawany do przebiegu napięcia zasilania w linii zasilającej. Sygnał ten rozchodzi się po przewodach zasilających. Moduł odbiorczy oddziela ten sygnał w paśmie nadawczym od napięcia zasilającego. Odseparowanie sygnału z pasma nadawczego odbywa się za pomocą filtrów wąskopasmowych o ostrych zboczach oraz szybkiej transformacji Fouriera. Demodulacja sygnału pozwala na odtworzenie oryginalnych danych. Sygnał przesyłany linią zasilającą podlega różnym interferencjom, zatem niezbędne jest dokonanie weryfikacji poprawności odebranych danych. Jest ona dokonywana za pomocą sumy kontrolnej tzn. wartość sumy kontrolnej musi się zgadzać z wartością sumy kontrolnej obliczonej podczas nadawania i przesyłania wraz z danymi. Wyróżnia się, między innymi, przedstawione na rys 1.1 technologie transmisji danych po sieciach energetycznych: PRIME Alliance (Intelligent Metering Evolution Powerline), G3-PLC Alliance, OSGP (Open Smart Grid Protocol), Meters And More Open Technologies, BPL (Broadband over Power Lines).
12
Embed
Ćw. 4. Badanie transmisji danych w technologii PLCzas.pwr.edu.pl/zas/pliki/dyd/SiRwE/Cw_4_Badanie_transmisji_danych.pdf · obliczonej podczas nadawania i przesyłania wraz z danymi.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Ćw. 4. Badanie transmisji danych w technologii PLC
1. Wprowadzenie
Właściwy wybór medium transmisyjnego oraz zastosowanej technologii komunikacyjnej
zależy od wymagań, jakie stawiane są danemu systemowi. Przesyłanie danych odbywa się z
wykorzystaniem różnych technologii i mediów. Jedną z metod transmisji jest komunikacja po
liniach energetycznych (PLC - Power Line Communications). Wykorzystuje ona linie sieci
elektroenergetycznej, jako kanał komunikacyjny. Zastosowanie technologii PLC redukuje
koszty z powodu wyeliminowania konieczności wykonania dodatkowego okablowania.
Podstawową zasadą działania komunikacji PLC jest modulacja i demodulacja. Modulowany
sygnał wysokiej częstotliwości jest dodawany do przebiegu napięcia zasilania w linii
zasilającej. Sygnał ten rozchodzi się po przewodach zasilających. Moduł odbiorczy oddziela
ten sygnał w paśmie nadawczym od napięcia zasilającego. Odseparowanie sygnału z pasma
nadawczego odbywa się za pomocą filtrów wąskopasmowych o ostrych zboczach oraz
szybkiej transformacji Fouriera. Demodulacja sygnału pozwala na odtworzenie oryginalnych
danych. Sygnał przesyłany linią zasilającą podlega różnym interferencjom, zatem niezbędne
jest dokonanie weryfikacji poprawności odebranych danych. Jest ona dokonywana za pomocą
sumy kontrolnej tzn. wartość sumy kontrolnej musi się zgadzać z wartością sumy kontrolnej
obliczonej podczas nadawania i przesyłania wraz z danymi.
Wyróżnia się, między innymi, przedstawione na rys 1.1 technologie transmisji danych po
sieciach energetycznych:
PRIME Alliance (Intelligent Metering Evolution Powerline),
G3-PLC Alliance,
OSGP (Open Smart Grid Protocol),
Meters And More Open Technologies,
BPL (Broadband over Power Lines).
2
Rys. 1.1 Częstotliwości poszczególnych standardów
W technologiach tych można wyróżnić, między innymi, następujące modulacje transmisji
danych:
OFDM (PRIME, G3-PLC,BPL),
DCSK (PRIME, G3-PLC, METERS & MORE),
BPSK (OSGP, METERS & MORE,G3-PLC, PRIME),
QPSK(OSGP, METERS & MORE,G3-PLC, PRIME),
8-PSK(OSGP,G3-PLC, PRIME).
W Europie, z godnie z normą EN 50065, transmisja sygnałów po sieciach energetycznych
niskiego napięcia prowadzona jest w zakresie częstotliwości od 3kHz do 148,5 kHz i jest
podzielona na następujące obszary (rys.1.2):
obszar A (3-95kHz) przeznaczony jest dla dostawców energii elektrycznej,
obszary B, C i D przeznaczone są dla komunikacji publicznej, z tym, że:
obszar B (95-125kHz) przeznaczony dla dowolnych protokołów,
obszar C (125-140 kHz) wymagane są standardowe protokoły z CSMA
(Carrier Sense Multiple Access),
obszar D przeznaczone dla dowolnych protokołów.
Rys.1.2. Obszary zakresów częstotliwości PLC wg normy PLC-EN 50065-2
3
1.1. Modulacja OFDM
Modulacja OFDM (Orthogonal Freqency Division Multiplexing) jest używana w wielu
najnowszych standardach bezprzewodowych i telekomunikacyjnych. Polega na jednoczesnej
transmisji wielu strumieni danych na ortogonalnych częstotliwościach nośnych, poprzez
rozłożenie transmisji o dużej przepływowości na kilka wolniejszych strumieni, w których
występuje zjawisko wielodrogowości. Zjawisko to polega na tym, że sygnał dociera do
odbiornika w kilku kopiach, które są wzajemnie przesunięte w czasie. Jeżeli opóźnienia te są
rzędu czasu trwania pojedynczego impulsu lub dłuższe, to odbiornik demoduluje jednocześnie
kilka różnych bitów, zamiast oczekiwanego pojedynczego, co uniemożliwia poprawne
odtworzenie danych. Modulacja OFDM rozwiązuje ten problem tym, że zamiast jednej
szybkiej transmisji przesyła wiele wolnych strumieni danych, które są mniej narażone na
uszkodzenie w wyniku wielodrogowości. Każdy strumień danych ma określoną częstotliwość
nośną i jest to niezbędne, aby odbiornik mógł prawidłowo odbierać cały sygnał.
Częstotliwość nośna sygnałów musi być dobrana tak, aby odbiornik mógł je oddzielić za
pomocą filtra.
OFDM jest często stosowana w technice szerokopasmowego dostępu do Internetu
(ADSL), telewizji cyfrowej DVB-T i DVB-T2 oraz w technice przesyłania danych po liniach
elektroenergetycznych (PLC).Chociaż modulacja OFDM jest dość skomplikowana, zapewnia
dużą szybkość transmisji danych przy stosunkowo szerokich pasmach.
1.2. Modulacja DCSK
DCSK (Differential Code Shift Keying) jest bardzo solidną technologią modulacji
opatentowaną przez Yitran, która umożliwia komunikację po liniach elektroenergetycznych
(PLC). Staje się ona coraz bardziej powszechna, co jest spowodowane jej wysoką
efektywnością podczas pracy w słabo zabezpieczonych liniach energetycznych przed
zakłóceniami. Technologia ta posiada wiele zalet. Pierwszą z nich jest możliwość
wyodrębnienia sygnału nawet przy negatywnym stosunku sygnału do szumu tzn., wtedy, gdy
poziom szumu jest wyższy niż poziom sygnału. Drugą zaletą, jaką charakteryzuję DCSK jest
mniejsza podatność na szumy wąskopasmowe i zakłócenia impulsowe, spowodowane zmianą
impedancji obciążenia. Ze względu na swoje zalety modulacja DCSK jest stosowana w
transmisji danych w urządzeniach kosmicznych i sprzętu wojskowego.
1.3. Modulacja BPSK
Modulacja BPSK (Binary Phase Shift Keying), jest to odmiana modulacji PSK, w której
system przekazuje dane poprzez zmianę w fazie, w stosunku do fali nośnej. W modulacji
4
BPSK faza przyjmuje wartości logiczne „0” lub „1”, które są przesunięte względem siebie o
180˚. Modulacja BPSK ma najwyższy poziom szumów i zniekształceń, dlatego jest
najbardziej wytrzymała ze wszystkich modulacji PSK. BPSK moduluje tylko jeden bit, więc
nie nadaje się do szybkiej transmisji danych.
1.4. Modulacja QPSK
QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) często jest zwana, jako 4-PSK lub 4-QAM. W
modulacji QPSK, są modulowane dwa bity jednocześnie, wybierając jeden z czterech
możliwych zmian fali nośnej (0, 90, 180 lub 270), aby zminimalizować liczbę błędów
transmisji. QPSK używa czterech punktów na diagramie konstelacji, równo rozmieszczonych
na okręgu. QPSK umożliwia przesyłanie dwa razy więcej informacji, w porównaniu ze
zwykłym PSK, przy użyciu tego samego pasma. Modulacja ta wykorzystywana jest m.in. do
transmisji satelitarnej wideo MPEG2, wideokonferencji, komórkowych systemów
telefonicznych oraz w technologiach PLC tj. Prime Alliance, OSGP, Meters&More czy G3-
PLC.
1.5. Modulacja 8PSK
8PSK (8-Phase Shift Keying) jest to modulacja fali elektromagnetycznej, która wysyła
sygnał sinusoidalny o zmieniającej się fazie od, 0 do 360 co 45 stopni. Dzięki temu dostępne
jest osiem różnych przebiegów sinusoidalnych, czyli osiem punktów na diagramie konstelacji,
równo rozmieszczonych na okręgu, umożliwiających wysłanie trzech bitów informacji. 8PSK
zapewnia większą pojemność danych w porównaniu do modulacji QPSK. Modulacja 8PSK
wykorzystywana jest w technologiach PLC tj.OSGP,G3-PLC, Prime Alliance oraz w
technologii EDGE, zwiększającej przepustowość sieci GSM, a także w telefonii trzeciej
generacji - UMTS.
1.6. Technologia PRIME Alliance
W czasach współczesnych liczba inteligentnych liczników osiąga miliony, co powoduje
trudności w osiągnięciu bezpiecznej i niezawodnej komunikacji. Jeszcze trudniej jest
zapewnienie możliwości rzeczywistego czasu, który wymagany jest przez inteligentną sieć.
Stawia to wielkie wyzwanie dla prawidłowego wprowadzenia inteligentnych systemów
pomiarowych. Technologia PRIME Alliance (Inteligent Metering Evolution Powerline)
symbolizuje architekturę komunikacyjną publicznie otwartą, która umożliwia budowę
inteligentnych sieci elektroenergetycznych.
Celem PRIME jest stworzenie zestawu standardów międzynarodowych, co umożliwi
pełną funkcjonalną zgodność pomiędzy urządzeniami i systemami pochodzącymi od różnych
5
dostawców. Cała architektura została zaprojektowana tak, aby utrzymać niskie koszty przy
wysokiej wydajności. PRIME korzysta w sumie z ponad 96 częstotliwości w zakresie 42-89
kHz, co pozwala na maksymalną szybkość transmisji danych o prędkości dochodzącej do 1
Mb/s.
Technologia PRIME jest stosowana w różnych krajach Europy, a ostatnio nawet
w Brazylii i Australii. PRIME pozwala poprawić wykrywanie awarii oraz usuwanie bez
konieczności interwencji techników. Zapewnia to bardziej niezawodne dostawy energii
elektrycznej do odbiorców.
1.7. Technologia G3-PLC Alliance
Technologia G3-PLC Alliance została stworzona, aby spełnić zapotrzebowanie
przemysłu do wszechobecnego standardu PLC. Technologia ta umożliwia szybką,
niezawodną komunikację istniejącej sieci PLC. Połączenie dwukierunkowe w sieci oparte na
technologii G3-PLC, zapewnia dystrybutorom możliwość nadzoru i kontroli.
Technologia G3-PLC obniża koszty infrastruktury w porównaniu do innych komunikacji
przewodowych i bezprzewodowych. Eliminuje ona konieczność tworzenia nowych dróg
komunikacyjnych przez przeszkody takie jak budynki, wzgórza, które blokują komunikację
bezprzewodową. Technologia G3-PLC charakteryzuje się następującymi cechami:
zapewnia wydajność i efektywność sieci elektroenergetycznych niskiego i średniego
napięcia. Dzięki komunikacji po liniach elektroenergetycznych minimalizuje koszty
infrastruktury i konserwacji,
obsługuje pasma częstotliwości 10kHz-490kHz,
zapewnia komunikację dalekiego zasięgu a sygnał skutecznie przechodzi przez
transformatory, co pozwoli na zmniejszenie liczby koncentratorów i wzmacniaczy
sygnału,
może działać w trudnych, hałaśliwych warunkach środowiskowych,
współpracuje ze starszymi technologiami takimi jak S-FSK i BPL.
Funkcje i możliwości G3-PLC zostały opracowane w celu rozwiązania trudnych wyzwań
stawianych PLC.
1.8. Technologia OSGP
Otwarty protokół komunikacyjny (Open Smart Grid Protocol) został opublikowany przez
Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych (ETSI). OSGP polega na możliwości
niezawodnej współpracy elementów systemu, pochodzących od różnych producentów z