Локальная сеть — неотъемлемый атрибут любого офиса и современного жилья. Казалось бы, технологии построения LAN известны давно, и здесь трудно ожидать каких-либо неожиданностей. Но одно дело — прокладывать вдоль стен кабели или разворачивать точки беспроводного доступа, а другое — использовать для передачи данных обычные электросети, которые есть в каждом здании
Технология Power Line Communication (PLC) разработана для силовых электросетей низкого (180-400 В) и среднего (4—60 кВ) напряжения и по скорости пересылки данных может служить альтернативой Ethernet и xDSL.
Сама по себе возможность передавать данные по существующей электропроводке представляет большой практический интерес. Рассмотрим подробнее технологию PLC, ее преимущества и недостатки по сравнению с традиционными методами локального обмена информацией и доступа к Internet.
Технические основы
Проблема передачи информации по силовым кабелям изучается около 30 лет в рамках десятков специальных проектов в научно-исследовательских лабораториях по всему миру. Пожалуй, именно идеи xDSL подтолкнули к изучению принципов передачи широкополосных сигналов с использованием специальных типов модуляции. Уже заявлено, что в электросетях реально достижимо быстродействие на уровне 14—20 Мбит/с. Поскольку среда передачи сигнала разделяема, указанная полоса пропускания распределяется между всеми пользователями, подключенными к конкретному сегменту. Без регенерации информационные сигналы быстро затухают. При нынешнем уровне развития технологии PLC протяженность абонентской линии не может превышать 0,5 км, но даже в таких случаях скорость передачи заметно падает.
Пока не разработаны стандартные протоколы шифрования информации в электросети, а это необходимо, поскольку без шифрования пересылаемые данные «видны» всем желающим. Правда, в последние полгода на PLC-адаптерах стали появляться специальные кнопки включения механизмов шифрования, основанных на алгоритме DES (56 бит). Появление более мощных цифровых сигнальных процессоров (DSP) дало возможность использовать достаточно сложные способы модуляции сигнала, такие как OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), что позволило значительно продвинуться вперед по пути совершенствования PLC.
Принцип построения сети абонентского доступа на базе PLC несложен. Внешнее телекоммуникационное оборудование размещается на локальной трансформаторной подстанции и подключается к телефонной или IP-магистрали и к электрической сети. Это оборудование представляет собой шлюз между сетями общего пользования и PLC-сетью и формирует высокоскоростное соединение с PLC-модемом, который устанавливается в помещениях пользователей. Абонентские устройства PLC, по сути, являются специализированными модемами с разделительными фильтрами, позволяющими отсекать силовые импульсы от ВЧ-сигналов. PLC-модемы снабжены наборами стандартных интерфейсов (таких как USB, RS-232, RJ-45 и Ethernet) для подключения терминалов сети передачи данных (компьютеров, факсов, телефонов).
Как сообщил директор по перспективному развитию «Комстар Объединенные Телесистемы» Александр Кархов, при простейшем варианте организации доступа можно подключать шлюзы к сети передачи данных непосредственно к низковольтной стороне питающей подстанции и «накрывать» весь сегмент электросети, подключенный к фидеру понижающего трансформатора. Для работы таких систем не требуется согласований с контролирующими инстанциями, но ни качество, ни помехоустойчивость, ни прочие характеристики прохождения сигнала не гарантируются. Разумеется, провайдеру PLC-сети нужно получить разрешение электроснабжающей компании, например «Мосэнерго».
Европейский институт стандартизации ETSI подготовил несколько рабочих вариантов спецификаций PLC-оборудования, но они имеют концептуальный характер, а производители реализуют в готовых устройствах собственные подходы. Пару лет назад несколько крупных компаний объединились в альянс HomePlug Alliance для проведения совместных исследований, испытаний и выработки единого стандарта на передачу данных по системам электропитания. Прототипом нынешнего варианта Power Line Communication стала технология PowerPacket фирмы Intellon, на которой базируется стандарт HomePlug1.0 (принят альянсом HomePlug 26 июня 2001 года).
В основу передачи данных по сети электропитания положен известный принцип частотного разделения сигнала: один высокоскоростной поток разбивается на несколько относительно низкоскоростных и каждый из них передается на отдельной поднесущей частоте. В разных вариантах оборудования PLC задействуются 84 поднесущие частоты в диапазоне 4—21 или 2—30 МГц.
При передаче сигналов по бытовой электросети на определенных рабочих частотах временами может резко возрастать коэффициент затухания, что приводит к потере данных. Для решения проблемы применяется метод динамического включения/выключения передачи сигнала на поднесущих, суть которого заключается в постоянном мониторинге канала передачи в целях выявления участка спектра с превышением порогового значения затухания. При обнаружении данного факта использование соответствующих частот прекращается до восстановления нормального значения коэффициента затухания. Существует также проблема возникновения коротких импульсных помех (продолжительностью до 1 мс), источниками которых могут быть галогеновые лампы или включение/выключение мощных бытовых электроприборов с электрическими двигателями.
PLC на практике
Доступная полоса пропускания в сети PLC позволяет передавать и принимать не только компьютерные данные, но и голосовую и видеоинформацию. С использованием специальных адаптеров можно строить локальные сети в пределах офиса, отдельного здания и даже организовывать инфраструктуры, охватывающие несколько зданий. При этом какого-либо инженерного опыта настройки локальных сетей не требуется, а установка оборудования осуществляется за несколько минут.
В локальную сеть на основе электропроводки могут включаться компьютеры, серверы и периферийные устройства (принтеры, сканеры, модемы и др.), а также концентраторы и коммутаторы, которые позволяют перенаправлять данные между узлами. Объекты в локальной PLC-сети располагаются на расстоянии до 50—150 м друг от друга, а общая протяженность используемой линии электропроводки не должна превышать 300 м. При переносе устройств из одного места в другое дополнительные настройки не нужны.
Итак, сегодня есть два основных варианта использования технологии PLC.
Во-первых, это системы, предназначенные для создания локальной среды передачи в пределах нескольких комнат. Они отличаются максимальной простотой инсталляции, но имеют ряд ограничений. Как правило, архитектура таких сетей не предусматривает единых механизмов управления подключаемыми устройствами. Они весьма ограничены по радиусу действия, и в них не входят специализированные устройства для агрегации и локализации трафика.
Во-вторых, решения для организации сети передачи на участках «последней мили» и «последнего фута». Они более сложны и дороги, зато позволяют создавать развернутые архитектуры, объединяющие в себе функции «домашних» сетей и обеспечения высокоскоростного доступа к Internet довольно больших групп пользователей. Без применения специальных повторителей оборудование для таких сетей поддерживает передачу данных на расстоянии 250—300 м (в определенных условиях до 500 м), а при наличии оных — до нескольких километров. Кроме того, в системах имеются развитые средства управления устройствами и сервисами, за счет чего их внедрение становиться рентабельным при решении широкого круга задач, в том числе организации IP-телефонии для конечного потребителя.
Развертывание систем PLC позволяет строить надежные недорогие системы технологической связи. Сети доступа на основе PLC дают возможность контролировать станционное и абонентское оборудование, считывать показания счетчиков и передавать полученные данные в центральный офис компании для выставления счетов абонентам и контроля над оплатой услуг. А вот пустит ли электрическая компания в свою сеть оператора связи — отдельный вопрос, решаемый в каждом случае индивидуально, ведь регулирующих правил на этот счет в России нет.
Коммерческие проекты
Любая новая технология сначала тестируется в лабораторных условиях, потом используется в рамках локальных проектов и только затем, когда все проблемы устранены, становится отраслевым стандартом. Так же обстоит дело с PLC, только до третьего этапа дело пока не дошло.
Одной из самых первых компаний, которая провела тестирование технологии в «полевых условиях» стала британская Norweb Telecom. В 1999 году она развернула сети доступа на базе PLC в ряде районов английского Манчестера и итальянского Милана. Главной проблемой, с которой провайдер столкнулся в Италии, стали внушительные расстояния от компьютеров в квартирах пользователей до электрощитков, обычно расположенных в подвалах домов. Norweb Telecom успела даже заключить договора о сотрудничестве с десятью ведущими энергетическими компаниями Европы и Азии, но 7 сентября 1999 года настроения «первопроходцев» PLC-технологии резко поменялись. Norweb Telecom и ее партнер, компания United Utilities, в совместном заявлении признали, что несмотря на наличие уникальных свойств технологии, экспертная оценка предполагаемых размеров прибыли с учетом растущей конкуренции на рынке Internet-услуг делает инвестиции в проект нерентабельными.
К счастью, эстафетную палочку у англичан перехватили немцы. Исследования в этом направлении повели компании Siemens, EnBW, Bewag и Veba. В частности, Bewag получила патент на технологию передачи данных по электропроводам с напряжением 220 В, а Veba образовала венчурную компанию Online AG с целью дальнейшего продвижения коммерческих проектов в области PLC-сетей. Но и в этой стране эйфория по поводу чудесной возможности получать данные из электророзетки продлилась недолго. В начале 2001 года концерн Siemens временно заморозил разработки систем PLC, поскольку рыночные аналитики увидели больше перспектив в развитии высокоскоростного доступа к Internet через обычные телефонные линии (ADSL). Лишь компания EnBW добилась реального результата - она оснастила необходимым оборудованием 8 тыс. квартир в городе Элльваген на юго-востоке Германии.
Продолжение истории с PLC-проектами наступило в 2003 году — канадская компания Hydro-Quebec попыталась организовать высокоскоростной доступ к Internet по линиям электропередач, причем для развертывания нового сервиса она прибегла к опыту передачи сигнала по силовому кабелю для управления светофорами. Специалисты заявляли, что такую систему вполне можно было приспособить для домашнего применения, а ее быстродействие должно было впятеро превысить обычную скорость работы кабельных модемов. Тем не менее планы Hydro-Quebec до конца в жизнь так и не воплотились — барьером к вхождению компании на перспективный рынок стали канадские связисты. Специалисты по вопросам радиовещания утверждают, что линии электропередач, по которым пойдет информационный трафик, «полностью уничтожат» эфирное телевещание, забив эфир помехами практически по всей стране. Кстати, по этой причине американская Комиссия по электросвязи не дает разрешения местным энергетическим компаниям на передачу сигнала по ЛЭП.
Годом позже американская компания Cinergy Corp., которой принадлежат несколько электроэнергетических фирм на Среднем Западе США, образовала два совместных предприятия с частной компанией Current Communications Group для предоставления услуг быстрого доступа в Internet по электропроводам. Чтобы получить одобрение Федеральной комиссии по электросвязи, образованному предприятию Cinergy Broadband пришлось основательно потрудиться. Инженеры Cinergy Broadband решили проблему возникновения помех в электрических сетях, разработав комбинированное решение. В результате в полученной системе на участке «последней мили» данные передаются через обычное оптоволокно, и только в квартиры доставляются по линиям электропередач, рассчитанным на относительно малые нагрузки. Таким образом, если кабельным и телефонным компаниям приходится вкладывать немалые деньги на подготовку жилых домов к высокоскоростному подключению, то энергетической компании достаточно протянуть кабель от электрощитка дома до ближайшей трансформаторной будки и поставить там специальный маршрутизатор. Строительство PLC- сети в американском Цинциннати обошлась компаниям в 70 млн долл.
«Обкатку» технологии проводит и ОАО «Мосэнерго». В Зеленограде на территории 19-го района Московских электрических сетей с 2001 года создается система дистанционного получения информации о работе оборудования распределительных и трансформаторных подстанций. В диспетчерскую оператора по обычным силовым кабелям «стекается» и отображается на дисплее разнообразная информация. Сотрудники диспетчерской службы в режиме реального времени наблюдают за рабочими параметрами электросети (напряжением и нагрузкой) и могут сразу же узнать, скажем, что дверь в подстанцию открыли неизвестные (например, «охотники» за цветными металлами).
Система передачи технологических данных используется для контроля над напряжением и нагрузкой в сети, определения максимально допустимых нагрузок, предупреждения сбоев энергоснабжения и т. д. С ее помощью предполагается автоматически переключать режимы работы счетчиков с дневного на ночной и снимать их показания прямо на диспетчерский пульт «Энерго-сбыта».
Ввод таких систем в коммерческую эксплуатацию сдерживается нерешенными проблемами с быстрым затуханием сигнала и сложностью реализации PLC-проектов в старых зданиях, где проложены низкокачественные алюминиевые провода. Кроме того, сеть PLC функционирует только на однофазных линиях, и если к квартире подведены несколько фаз электрического тока, далеко не все розетки можно использовать для подключения устройств к «домашней» сети.
Более свежий пример использования технологии передачи данных по сетям электропитания — попытка компании «Электро-Ком» развернуть сеть доступа в Internet через электрическую проводку. Проект финансируется венчурным фондом Intel Capital. Использование готовой кабельной инфраструктуры в жилых домах позволяет инициаторам проекта надеяться на быстрое освоение значительных территорий городской застройки. В такой возможности кроется несомненное преимущество PLC перед альтернативными кабельными технологиями — xDSL и Ethernet. Генеральный директор «Электро-Кома» Генри Радзиковски отметил, что при использовании PLC скорость передачи данных существенно выше, чем при коммутируемом подключении к Internet через модем. А затраты на установку и эксплуатацию оборудования, необходимого для подключения к Internet, сопоставимы с оными в случае применения ADSL.
Разумность инноваций
Итак, технология передачи данных по сетям электропитания, безусловно, весьма полезна. Уже сейчас обеспечиваемая ею скорость вполне может соперничать с производительностью традиционных LAN, так что для подключения отдельных сегментов корпоративных сетей вполне подойдет обычная электропроводка. Но существуют и сдерживающие факторы развития этого сегмента рынка — и технологические, и организационные. Решение технологических проблем, таких как низкая помехоустойчивость и дальность связи, зависит от того, насколько быстро крупные телекоммуникационные производители придут в данный сегмент и установят здесь индустриальные стандарты.
Сейчас PLC может найти применение в элитном жилье — для контроля и управления оборудованием энергообеспечения, инженерными службами здания и охранной сигнализацией. Голосовые и видеоуслуги лучше предоставлять по отдельной распределительной сети (скажем, по Ethernet или пассивной оптике), а для подключения пользователей к магистрали Internet использовать проверенные временем технологии ADSL или ADSL2+, поскольку лишь таким образом можно обеспечить доступ к сетевым сервисам с гарантированным QoS.
Максим Букин (mb@viem.ru) — независимый автор
Удобно и доступно
Самыми известными производителями оборудования по технологии Power Line Communications являются компании Phonex Broadband, Corinex, D-Link,
Planet и Linksys. Приведем некоторые примеры подобных устройств, которые на наш взгляд заслуживают внимания отечественных пользователей и провайдеров услуг.
Cетевой адаптер NeverWire 14 фирмы Phonex позволяет объединять от 2 до 16 компьютеров в локальную сеть через бытовую электропроводку 220 В. Он обеспечивает пропускную способность канала 14 Мбит/с и защиту данных по алгоритму DES (56 бит) и не требует установки дополнительного ПО. Стоимость устройства — порядка 100 долл.
Для подключения клиентских устройств к внешнему ADSL-каналу через бытовую электропроводку компания выпустила универсальный ADSL-маршрутизатор RADSL с портом PLC, совместимым со стандартом HomePlug. Поддерживаемая им дальность передачи PLC-сигнала составляет 200 м, а скорость передачи данных по электрическому кабелю — до 14 Мбит/с. Оснащенный встроенным МЭ и серверами DHCP и NAT, этот маршрутизатор стоит порядка 200 долл.
Завершая рассказ о клиентском оборудовании Phonex нельзя не упомянуть беспроводную точку доступа AIRwire 14 с PLC-нтерфейсом. Точка доступа может принимать сигнал из электрической розетки и передавать его на компьютеры или ноутбуки со встроенными картами Wi-Fi. Встроена фильтрация беспроводных клиентов по MAC-адресам. Стоимость AIRwire 14 — порядка 150 долл.
Компания D-Link предлагает двухпортовый мост Ethernet-to-PLC D-Link DHP-100, призванный расширить радиус действия беспроводной точки доступа или беспроводного маршрутизатора без сверления отверстий в стенах для прокладки дополнительных кабелей. Этот мост надежно передает данные даже при сильных помехах, создаваемых другим электрическим оборудованием, использует 56-битное шифрование данных и управление ключами для безопасного взаимодействия устройств. Скорость передачи — до 14 Мбит/с.
Схожие возможности предоставляет и мост PowerLine Bridge компании Linksys. Помимо этого, в арсенале PLC-продуктов производителя присутствует адаптер PowerLine USB, служащий для присоединения ПК и периферийных устройств с USB-портом к бытовой электропроводке. Поддерживаемая скорость обмена данными через адаптер составляет 12 Мбит/с (ограничена спецификацией интерфейса USB 1.1).