Что такое Powerline и для чего он нужен
Содержание
Содержание
Бывает так, что Wi-Fi не достает до некоторых комнат в доме. Протягивать кабель или ставить усилитель беспроводного сигнала не всегда есть возможность. Тогда на помощь приходит технология Powerline. Что это такое и как организовать сеть — в этой статье.
Как работает система?
Powerline — это относительно молодая технология, включающая в себя приборы, позволяющие расширить WI-Fi-сети. Самый простой вариант схемы состоит из двух адаптеров. Они будут передавать цифровые данные через обычную электрическую проводку.
Один из главных плюсов технологии — простота настройки. Независимо от того, куплены адаптеры в комплекте или по отдельности, связь между ними создается автоматически. Даже если устройства от разных производителей и разных моделей. Это позволяет без дополнительных сложностей добавлять в сеть новые блоки.
Как организовать сеть?
Создать сеть не сложнее подключения мыши или клавиатуры. Первый блок подключается к розетке и к роутеру через LAN-порт, передавая данные по сети электропроводов. Второй подключается таким же образом в комнате, где нужен интернет. Добавляя к этой схеме дополнительные адаптеры, можно провести сеть в неограниченное число помещений. Каждый адаптер вставляется в розетку и с помощью кабеля типа витая пара подсоединяется к устройству, например, к телевизору или игровой приставке. Некоторые модели имеют до трех LAN-портов, благодаря чему один модуль может обеспечить доступом к сети сразу несколько устройств.
Защита сети Powerline
Чтобы посторонние устройства не могли подключиться к вашей сети, адаптеры Powerline имеют встроенную защиту. Включается она так же просто, как настройка самой системы. Достаточно нажать на соответствующую кнопку на каждом из модулей. Сначала на раздающем блоке, а затем на принимающем. Так создается шифрованный канал передачи данных между устройствами.
Приложение и веб-интерфейс
Управлять сетью можно с помощью приложения на телефоне или браузера на ПК. Оно позволяет изменять имя пользователя, устанавливать пароль, включать и отключать подсветку на адаптерах, настраивать частоту вещания или сбросить настройки к заводским. Разобраться несложно, достаточно прочитать инструкцию.
Wi-Fi из Powerline-адаптера
Некоторые модели Powerline-устройств оснащены сетевым адаптером и могут раздавать Wi-Fi. Это пригодится, когда не хватает мощности основного роутера. К тому же с Wi-Fi можно обойтись без кабелей вовсе. Настройка сети в данном случае может отличаться, в зависимости от модели и производителя. Где-то достаточно нажать кнопку на маршрутизаторе, а где-то потребуется создать новую точку доступа и задать пароль. В любом случае, эту информацию можно найти в сопутствующей инструкции.
Скорость передачи данных Powerline
Скорость передачи данных напрямую зависит от стандарта адаптера. Самые распространенные: Homeplug AV (ХоумПлаг Эй-Ви) и Homeplug AV2. В первом случае задействуются два провода электросети: фаза и ноль. В идеальных условиях скорость между устройствами может достигать 100 Мбит/с, но в домашних условиях она, как правило, ниже. Homeplug AV2 позволяет добиться скорости 1300 Мбит/с, хотя реальная скорость также будет намного меньше. Помимо фазы и ноля, здесь используется заземление. Естественно, скорость будет зависеть и от качества самой проводки.
Тест скорости Powerline
Так как адаптеры стандарта Homeplug AV2 не так распространены, как первой версии, тест проводился с комплектом на Homeplug AV. Для этого был выбран фильм на 16 Гб, записанный на SSD-диске. После этого он был откачен на другое устройство двумя способами. Во время тестирования от сети не отключались другие приборы, чтобы воспроизвести реальные условия эксплуатации.
В первом случае адаптеры были подключены напрямую в розетку, где препятствием был только автоматический выключатель в распределительном щитке. Во втором варианте подключение было таким же, но препятствием служило устройство защитного отключения (УЗО).
Второй способ подключения показал результат немного ниже. Фильм скачивался на 2 минуты дольше, а средняя скорость передачи была на 7 мегабит ниже.
В итоге, потеря 10–20 % от заявленных 100 Мбит/с — это приемлемый результат, особенно если сравнивать с нестабильной передачей по Wi-Fi. Конечно, с хорошей кабельной сетью на 1000 мегабит Powerline конкурировать не способен. Также следует учитывать, что скорость зависит от скорости чтения накопителя, роутера и интернет-соединения.
Преимущества и недостатки
Powerline адаптеры имеют как плюсы, так и минусы. Среди недостатков:
· Равномерное распределение начальной пропускной способности между адаптерами.
· Производители не рекомендуют подключать адаптеры в обыкновенный сетевой LC-фильтр или в ИБП с поддержкой PLC. Иначе фильтры в этих устройствах могут посчитать интернет-сигнал помехой и удалить его из сети.
· Кратковременное падение скорости интернет-соединения при включении и отключении в электросеть энергоемких приборов, хотя падения и не существенны.
С другой стороны, плюсы в полной мере перекрывают недостатки:
· Не нужно прокладывать отдельный сетевой кабель, а, соответственно, штробить стены, снимать обои и плинтусы.
· Протяженность. Сеть на основе Powerline адаптеров ограничивается только протяженностью электропроводки помещения. Таким образом, интернет можно провести в самые отдаленные уголки большого дома, куда Wi-Fi сигнал никогда бы не достал, а количество усилителей по пути и их стоимость превысила бы все разумные пределы.
· Большинство производителей выпускают модели со встроенной розеткой. Благодаря этому адаптер не занимает основную розетку, и она доступна для подключения других электроприборов.
Выводы
Посмотрев на результаты тестов, можно отдать предпочтение гигабитному кабелю или быстрому Wi-Fi 6 — они будут гораздо эффективнее. Однако следует учитывать скорость своего провайдера. Она может быть ограничена всего 100 Мегабит, а действующий тариф и того меньше. С другой стороны, для передачи данных внутри домашней сети 100 Мбит/с может оказаться недостаточно.
В данном случае подойдет Powerline-адаптер второго поколения HomePlug AV2, способный померятся скоростью с альтернативными вариантами подключения. Ну, а если тянуть кабель в каждую комнату нет возможности, а Wi-Fi не вариант, то технология Powerline будет хоть и вынужденным, но все же неплохим решением для домашней сети.
Power-line communication. Часть 1 — Основы передачи данных по линиям электропередач
Не так давно передо мной встала нетривиальная задачка — собрать устройство, которое могло бы по линиям электропередач (0,4 кВ), в сетях обычных бытовых потребителей, передавать некоторую информацию, а точнее — показания электросчетчиков.
Перед началом работы над созданием этого устройства, я мало понимал в цифровой обработке сигналов и в том, как работают компьютерные сети на физическом уровне. Нужно было быстро погрузиться в вопрос и выстроить план по созданию рабочего прототипа.
В процессе изучения я нашел очень много специализированной литературы по электронике, микроконтроллерам и цифровой обработке сигналов, которая очень помогла мне в этом. Но в самом начале пути для выбора направлений изучения мне бы пригодились обзорные статьи вроде этой.
Дальнейший материал — это выжимка из профессионального опыта в том виде, в котором я бы хотел это рассказать самому себе из прошлого. Многие факты сильно упрощены для лучшей читаемости.
Коммуникация
Начнём с абстракций. Представим, что нужно передать порцию информации от одного человека другому. На изображении: красный человечек — это передатчик, а синий — приёмник.
Для передачи информации будем использовать голос. Информация — это какой-то текст в нашей голове. Текст можно разбить на буквы и каждую букву представить в виде звукового сигнала. Таким образом можно кодировать каждую букву каким-то соответствующим звуковым сигналом.
Проводник
Звук, как известно, распространяется в виде волн — колебаний плотности воздуха или иной среды. В нашем случае средой для распространения сигнала служит воздух. От красного человечка звуковые волны по воздуху распространяются во все стороны.
Полезный сигнал
К счастью, информацию из нашей головы мы не можем мысленно передать напрямую в голову собеседнику. Поэтому буквы из нашей головы на “аппаратном уровне” мы преобразуем (кодируем) в звуковые сигналы (наборы звуковых волн). Будем называть это “полезным сигналом”.
Важно: каждая буква кодируется устойчивым набором звуковых волн. Из этих волн мы можем распознать определенную букву (если мы ее знаем, конечно же). Происходит преобразование из буквы в звук и обратно из звука в букву.
Шум — это такой же сигнал, но он не несёт в себе полезной информации. Шум искажает полезный сигнал и уменьшает дальность уверенного приема. Это может быть толпа людей, громко говорящих о чем-то своем, а может быть даже эхо или другие посторонние звуки, которые смешиваются с полезным сигналом. Шум обычно мешает прохождению полезного сигнала до приемника.
Протокол
В таком виде сигнал доходит до приемника. Приёмник из набора звуковых волн узнаёт (декодирует) буквы и собирает из них слова. Если ему кажется, что это бессмысленный набор звуков, то он их отбрасывает либо пытается восстановить исходный сигнал по сложному алгоритму. Отчасти, из-за этого мы иногда сначала переспрашиваем “Что?”, а уже потом понимаем, что всё расслышали.
Протокол — это, по сути, набор правил и алгоритмов, по которым мы из полезного сигнала сможем вычленить информацию. В данном примере это наш язык, на котором мы общаемся с собеседником. По нему мы узнаем смысл переданных звуков. Всё это происходит неосознанно можно сказать “на аппаратном уровне”.
Всё описанное выше в очень упрощенном виде показывает, как работает передача данных не только между людьми, но и между электронными устройствами. Только физическим воздействием у них будет, например, электрическое напряжение, а проводником — медный кабель. Информация, хранящаяся в устройстве, может быть передана с помощью различных физических сред передачи и протоколов, но суть примерно одна и та же: проводник, физическое воздействие, протокол.
Линии электропередач как канал связи
Далее мы по шагам разберемся, как передавать данные по линиям электропередач, и по ходу дела придумаем свой велосипед протокол. Основные идеи из открытого промышленного стандарта X10.
Чтобы использовать линии электропередач в качестве канала связи, нужно понять, как они устроены, и какие физические процессы в них происходят.
Взглянем на схему доставки электроэнергии от подстанции до жилых домов. Электрические сети трехфазные, и от подстанции идут три “фазы” (A, B и С), которые электрически изолированы друг от друга.
Для простоты условимся, что каждая фаза — это отдельный канал связи. Устройства, подключенные к разным фазам, не слышат друг друга.
Сейчас на рынке есть устройства, которые умеют общаться между фазами, для них вся подстанция — это один канал связи. Но пока для понимания это не играет особой роли.
Далее на схемах будем рассматривать только фазу «А» (в других всё аналогично).
При подключении нескольких приемо-передающих устройств к одной фазе образуется сетевая топология типа “общая шина”. Сигнал, отправленный одним из устройств, получат все остальные устройства, находящиеся в пределах распространения сигнала.
Проводник
Подробнее изучим среду передачи сигнала. Для этого рассмотрим, в каком виде передается электрическая энергия, и узнаем, как через этот поток мы можем передать свой полезный сигнал.
Электроэнергия передается в виде переменного тока. Проводниками обычно выступают алюминиевый или медный кабели. Напряжение в электрической сети имеет форму синусоиды с периодом 20 миллисекунд (частота 50 Гц).
Так как ток переменный, он периодически меняет направление «течения», и в момент смены направления мощность практически не передается (если не учитывать сдвиг из-за сильной емкостной или индуктивной нагрузки). Наступают мгновения затишья. Это называется «zero cross» (далее ZC ) — момент, в который напряжение равно нулю.
В этот момент в сети также наблюдается наименьший уровень шума. Это самый благоприятный момент для генерации полезного сигнала.
Синхронизация
Еще один немаловажный момент — это синхронизация момента передачи и приема между устройствами.
Для нашего нового протокола будем использовать “синхронную передачу данных”, так как это проще в реализации.
Этим будет заниматься отдельная часть схемы устройства «Zero Cross Detector». Он просто дожидается, когда напряжение на линии будет 0 вольт, и подает об этом сигнал. В сетях с частотой 50 Гц, сигнал будет приходить каждые 10 миллисекунд.
Электрическое напряжение распространяется со скоростью света, и поэтому можем условно принять, что момент ZC во всех точках сети происходит одновременно.
В интернете можно найти примеры схем детектора под названиями «Детектора нуля» или «Zero Cross Detector».
Полезный сигнал
Полезный сигнал — это обычная синусоида фиксированной амплитуды. Изменяется только частота сигнала. Выберем пару частот и скажем, что сигнал с одной частотой — это “0”, а сигнал с другой частотой – это “1”.
Другой вариант: как в стандарте «X10», наличие сигнала означает «1», а его отсутствие «0».
Примечание. Частоты полезного сигнала порядка 35-91 кГц. Вся нижняя составляющая сигнала (50 Гц и гармоники) отсекается на входе в устройство. Всё что остается — это высокочастотный шум перемешанный с полезным сигналом.
Подробнее о том, как эффективно генерировать синусоидальный сигнал, расскажу в следующей статье.
Выделенная линия — это отдельный провод, по которому общается некоторое количество устройств. Можно сравнить с пустой комнатой, в которой можно комфортно общаться.
Протокол
Кодирование очень простое — выбираем несколько символов и ставим в соответствие каждому какую-либо частоту сигнала. Для простоты сделаем три символа:
Теперь мы умеем сообщать о начале кадра и передавать некоторый набор единиц и нулей. Далее из них будем складывать слова или «кадры». Целостные порции информации.
Формат кадра
Нужно ещё придумать формат кадра, который мы будет передавать с помощью этих символов. Есть несколько важных моментов, которые отразятся на формате данных: длина кадра, адресация, проверка целостности.
Длина кадра
Чем больше порция данных, тем меньше накладных расходов на передачу данных, так как помимо самих данных в кадре есть служебная информация вроде контрольной суммы и адреса назначения. Но чем меньше порция данных, тем больше вероятность успешной передачи. Тут важно найти золотую середину. Определяется это обычно опытным путем. Если взять пример из компьютерных сетей, то в Ethernet кадре было выбрано ограничение в 1500 байт данных (несмотря на то, что эта цифра быстро устарела, она используется до сих пор).
При сильном увеличении длины кадра, вероятность передать хоть какие-то данные стремится к нулю.
Адресация
Нужно ещё не забыть, что у нас топология сети “общая шина”. Информацию, отправляемую в эту шину, будут получать все устройства. И чтобы общение у них хоть как-то заладилось, у них должны быть адреса.
Адрес добавим в самое начало кадра, чтобы принимающая сторона, для которой не предназначены эти данные, не тратила время на прослушивание и ожидание всего кадра, так мы немного освободим процессор от бесполезной работы.
Длина адреса выбирается исходя из максимального количества устройств, которые могут одновременно находится в одной области видимости. Например, 8 бит — это максимум 255 устройств (если 0 оставить как широковещательный).
Придумаем окончательный вид кадра. Пусть длина адреса будет 8 бит (255 устройств в канале + 1 широковещательный адрес). Затем идут данные 8 бит (1 байт).
Концевиком у нас будет просто результат сложения адреса и байта. Но есть один нюанс: устройство может стабильно ловить сильный шум на частоте наших символов «0» или «1» и думать, что это полезный сигнал. И есть большая вероятность ложно считывать крайние значения типа «0x00» или «0xFF». Для защиты от этого, при подсчете концевика, просто будем прибавлять число «42».
Примерно так будет выглядеть один кадр данных: отправляем число «110» на устройство с адресом «17», концевик «169» (110 + 17 + 42).
Целый кадр будем собирать по кусочку из приходящих символов «0» и «1» после символа «Start».
Опишем алгоритм приема кадра.
Изначально устройство находится в ожидании символа «Start». Буфер отключен, в него ничего не пишем.
Когда пришёл символ «Start», для удобства очищаем буфер приема и запускаем счетчик бит (по счетчику бит будем определять целый кадр).
Каждый следующий символ («0» или «1») последовательно пишем в буфер приема и инкрементируем счетчик бит.
Когда соберется нужное количество бит (полный кадр), проверяем целостность. Выделяем из кадра «Адрес» и «Данные». Подсчитываем по алгоритму «Концевик» и сравниваем с тем, что в кадре.
Если значения сошлись, извлекаем из кадра данные и отправляем в вышестоящий протокол.
Если значения не сошлись, продолжаем ждать символ «Start». И всё заново.
Примерно таким образом мы можем медленно, но верно передавать байт за байтом от одного устройства другому. Приемник будет складывать эти байты в приемный буфер протокола на уровень выше физического и там уже будет решать, что делать: выполнить входящую команду или вернуть какие-то данные в ответ.
В следующей части хотелось бы рассказать про алгоритм быстрой генерации синуса, который я применял. И о том, как из массива чисел оцифрованного сигнала узнать его частоту (ДПФ ). Немного расскажу про железки для всего этого.
Возможно кто-то в комментариях подкинет ещё идей. Буду рад обратной связи!
Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
PLC (Power-line Communication)
Содержание
Теоретические основы технологии Powerline
В основе технологии Powerline лежит использование частотной дифференциации сигнала. Высокоскоростной поток данных разбивается на несколько потоков с условно низкими скоростями, каждый переходит на отдельной поднесущей частоте, после чего они объединяются в один сигнал.
В случае же ортогонального частотно-разделенного мультиплексирования, центры поднесущих частот размещены так, что пик каждого последующего сигнала совпадает с нулевым значением предыдущих на рисунке 2. Такое размещение позволяет более эффективно использовать доступную полосу частот.
Перед тем как отдельные поднесущие частоты будут объединены в один сигнал, они претерпевают фазовую модуляцию своей последовательностью бит.
После этого все они проходят через PowerPacket engine и соединяются в единый информационный пакет, который еще называют OFDM-symbol. Относительная квадратурная фазовая модуляция на каждой из 4-х поднесущих частот в диапазоне 4-5 МГц.
Реально в технологии Powerline используются 84 поднесущие частоты в диапазоне 4-21 МГц.
В теории, если использовать параллельные потоки с одновременным фазовым модулированием сигналов скорость передачи может достигать более 100 МБ/с.
Основные принципы работы PLC-каналов
На рисунке 5 приведен пример построения простой PLC-сети, состоящей из одного сегмента ( PLC-сегмент 1 ) и трех PLC-модемов ( HE, CPE1 и CPE2 ). К модемам подключены сетевые узлы ( абоненты ) Host1, Host2, Host3, Host4.
Любая PLC-сеть обязательно должна включать в себя один головной модем НЕ ( Нead End ), один или несколько абонентских модемов CPE ( Customer Premise Equipement ), а так-же, при необходимости, модемы-репитеры ( TDR и FDR ).
Внутри PLC-сети функции модемов неодинаковы. Модем HE ( Head End ) является головным устройством и обеспечивает высокочастотную синхронизацию для всех остальных модемов, гарантирующую синфазность поднесущих частот. Кроме того, на него возлагаются и некоторые другие функци централизованного управления PLC-сетью. Если, из-за обрыва кабеля, сбоя электропитания или по другим причинам головной модем НЕ отключится от PLC-сети, то оставшиеся модемы CPE1 и CPE2 потеряют общий синхронизирующий сигнал, и не смогут связаться друг с другом.
С другой стороны, выход из строя любого из абонентских модемов не является критичным и не нарушает работоспособности остальных PLC устройств.
Для повышения эффективности полученной Ethernet-сети применяются стандартные способы оптимизации. Так, например, для перераспределения трафика и лучшей управляемости сети используются обычные методы физической и логической структуризации.
Технологические особенности
Основой технологии DS-2 является использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на несколько относительно низкоскоростных, каждый из которых передается по отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнал. Использование до 1536 так называемых поднесущих частот в диапазоне 3—33 МГц не оказывает влияния на передачу по проводам обычной электроэнергии, поскольку составляет существенную разницу в сравнении со стандартными 50 или 60 Гц электрических сетей. Так,“обычная” электросеть может одновременно доставлять электроэнергию и данные
Системные характеристики
PLC-модемы ILEVO специально адаптированы для каналов связи с нестабильными характеристиками и ориентированы на высокоскоростную передачу больших объемов цифровых данных с предельной скоростью до 200 Мбит/с на расстояния до 1,5 км. Для выбора оптимальной скорости передачи данных в условиях частотно избирательного затухания и наличия узкополосных помех применяется динамическое выключение и включение передачи сигнала (Dynamically turning off and on data-carrying signals). Каждый PLC-модем осуществляет постоянный мониторинг канала передачи с целью выявления участка спектра с превышением порогового затухания. В случае обнаружения данного факта использование этих частот на время прекращается до восстановления нормального значения затухания. PLC-модемы ILEVO позволяют создавать оптимизированные виртуальные локальные сети (OVLANs) обеспечивающие разделение данных и резервирование маршрутов передачи информации с использованием протокола Spanning tree (STP). Кроме того поддерживается шифрование данных для защиты передаваемой информации и автоматическое дистанционное обновление встроенного программного обеспечения.
Области применения
PLC является проверенной, устоявшейся и признанной технологией, поэтому имеет огромную область применения, а именно:
Примеры использования технологии PLC
Преимущества и недостатки
Выводы
Подводя итог вышесказанному, можно с уверенностью сказать, что Powerline Communication (PLC) очень перспективная технология. В теории данная сеть может быть реализована на любом участке, на котором есть линии электроснабжения, но особенно привлекательна эта технология для небольших офисов и домашних сетей. Потенциальные преимущество сети PLC колоссальны. Отсюда следует, если данная технология в дальнейшем будет также динамично развиваться, а специалисты запада пророчат ей большое будущее, то это может серьезно изменить текущую ситуацию на рынке телекоммуникационных услуг.
