HomePlug техникалық ерекшеліктері

Кіріспе

Электр желісі арқылы байланыс ерекшеліктері

HomePlug – HomePlug белгісі астындағы әртүрлі электр желісі арқылы байланыс ерекшеліктерінің жалпы атауы, олардың әрқайсысының өзгеше мүмкіндіктері мен басқа HomePlug ерекшеліктерімен үйлесімділігі бар. Кейбір HomePlug ерекшеліктері кеңжолақты қолдануларға бағытталған. Мысалы, IPTV, ойындар және интернет-контенттің үйде аз жылдамдықпен таратуда, ал басқалары – ақылды электр тікелей есептегіштер сияқты қолданулар үшін төмен қуатты, төмен өнімділікті және кеңейтілген жұмыс температурасын қамтамасыз етеді, сондай-ақ электр жүйелері мен құрылғылары арасындағы үй ішіндегі байланыстарға назар аударады. HomePlug ерекшеліктерінің барлығы HomePlug Powerline Alliance ұйымымен әзірленді, ол сонымен қатар HomePlug тауарлық белгісінің иесі болып табылады. 2016 жылдың 18 қазанында HomePlug Alliance барлық ерекшеліктерді жалпыға қолжетімді етуді және басқа ұйымдардың қолданыстағы технологияларды енгізуге байланысты болашақ шараларды қолға алуын жариялады. HomePlug қауымдастығында технологияны одан әрі дамыту туралы мәлімдеме жасалмады.

Тарих

HomePlug Powerline Alliance құрылғылардың бір-бірімен және интернетпен қабылданыстағы үйдің электр сымдары арқылы байланысуына мүмкіндік беретін стандарттар мен технологияларды әзірлеу үшін құрылды. Ең үлкен техникалық қиындықтардың бірі – электр желілеріндегі электр шуына сезімталдықты азайтудың жолын табу болды. HomePlug бұл мәселені байланыс жиіліктерін арттыру арқылы шешті, нәтижесінде сигнал барлық фазаларға ортақ бейтарап сым арқылы беріледі. HomePlug 1.0 спецификациясы алғаш рет 2001 жылғы маусымда жарияланды. 2005 жылы шыққан HomePlug AV (аудио-видео үшін) спецификациясы физикалық қабаттың (PHY) ең жоғары дерек жылдамдығын шамамен 13,0 Мбит/с-тан 200 Мбит/с-қа дейін арттырды. HomePlug Green PHY спецификациясы 2010 жылғы маусымда жарияланды және төмен құнмен, төмен қуат тұтынумен және азайтылған өткізу қабілетімен HomePlug AV-ге үйлесімді «туысқан» ретінде Smart Energy және Smart Grid қолданбаларын қолдайды. 2010 жылы IEEE 1901 стандарты бекітілді, ал HomePlug AV стандарттың ішіндегі FFT OFDM PHY үшін негізгі технология ретінде халықаралық стандартқа айналды. HomePlug Powerline Alliance IEEE 1901 өнімдерін сертификациялайтын орган болып табылады. HomePlug жариялаған үш негізгі спецификация (HomePlug AV, HomePlug Green PHY және HomePlug AV2) өзара үйлесімді және сәйкес келеді. 2011 жылы HomePlug Green PHY спецификациясын Ford, General Motors, Audi, BMW, Daimler, Porsche және Volkswagen компаниялары Plug-In Electrical Vehicle үшін байланыс стандарты ретінде қабылдады. 2017 жылғы мәліметтер бойынша, кем дегенде алты чип өндіруші IEEE 1901 спецификациясын қолдайтын HomePlug AV чипсеттерін шығарады: Broadcom, Qualcomm Atheros, Sigma Designs, Intellon, SPiDCOM және MStar. HomePlug-тың жаңа нұсқалары OFDM модуляциясы арқылы шина топологиясында Ethernet-ті қолдауды қамтамасыз етеді, бұл бірнеше дерек тасымалдағыштардың бір сымда бірге жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Сонымен қатар, HomePlug-тың OFDM технологиясы белгілі бір географиялық аймақта бұрын бөлінген радиоспектрмен келіспейтін кез келген субтасымалдаушыларды (маска) өшіре алады, осылайша кедергілерді болдырмайды. Мысалы, Солтүстік Америкада HomePlug AV 1155 субтасымалдаушының 917-ін ғана пайдаланады.

The HomePlug Powerline Alliance was formed to develop standards and technology for enabling devices to communicate with each other and the Internet over existing structure/house electrical wiring. One of the greatest technical challenges was finding a way to reduce sensitivity to the electrical noise present on power lines. HomePlug solved this problem by increasing the communication carrier frequencies so that the signal is conveyed by the neutral conductor which is common to all phases. The first HomePlug specification HomePlug 1.0 was released in June 2001. The HomePlug AV (for audio video) specification released in 2005 increased physical layer (PHY) peak data rates from approximately 13.0 Mbit/s to 200 Mbit/s. The HomePlug Green PHY specification was released in June 2010 and targets Smart Energy and Smart Grid applications as an interoperable "sibling" to HomePlug AV with lower cost, lower power consumption and decreased throughput. In 2010, the IEEE 1901 was approved and HomePlug AV as baseline technology for the FFT OFDM PHY within the standard and became an international standard. The HomePlug Powerline Alliance is a certifying body for IEEE 1901 products. The three major specifications published by HomePlug (HomePlug AV, HomePlug Green PHY and HomePlug AV2) are interoperable and compliant. In 2011, the HomePlug Green PHY specification was adopted by Ford, General Motors, Audi, BMW, Daimler, Porsche, and Volkswagen, as a connectivity standard for Plug In Electrical Vehicle. As of 2017, there are at least six chip vendors shipping HomePlug AV chipsets with IEEE 1901 specification support: Broadcom, Qualcomm Atheros, Sigma Designs, Intellon, SPiDCOM, and MStar. Newer versions of HomePlug support the use of Ethernet in bus topology via OFDM modulation, which enables several distinct data carriers to coexist in the same wire. Also, HomePlug's OFDM technology can turn off (mask) any sub carriers that overlap previously allocated radio spectrum in a given geographic region, thus preventing interference. In North America, for instance, HomePlug AV only uses 917 of 1155 sub carriers.

Қолданылуы

Электр желісі – ғимараттың қолданыстағы электр сымдарын пайдаланып құрылатын желі. Электрлік көліктерді зарядтау үшін SAE J1772 стандартындағы электр көлік зарядтағышы, көлік зарядтау қуатын алуды бастамас бұрын, электр желісі арқылы байланыс орнату үшін HomePlug Green PHY стандартын да қажет етеді. Барлық коммерциялық HomePlug жүзеге асырулары АҚШ-тың FERC мекемесі белгілеген, жетілдірілген есептеу инфрақұрылымы үшін AES 128 шифрлау стандартына сәйкес келеді. Осыған сәйкес, бұл құрылғыларды тиісті бағдарламалық қамтамасыз етумен бірге кәдімгі пайдаланушы санағы ретінде қолдануға болады. 2012 жылдың соңына қарай ең көп таралған HomePlug құрылғылары – «адаптерлер» болды. Бұл құрылғылар қабырғадағы розеткаларға (немесе электр тізбектеріне [бірақ қорғағыш құрылғылар емес] немесе ұзартқыштарға) қосылып, бір немесе бірнеше Ethernet порттарын ұсынатын дербес модульдер. Қарапайым үй желісінде Интернет шлюзі маршрутизаторы Ethernet кабелі арқылы электр желісі адаптерімен қосылады, ол өз кезегінде жақын жердегі розеткаға қосылады. Үйдегі кез келген розеткаға қосылған екінші адаптер Ethernet кабелі арқылы компьютер, принтер, IP телефон, ойын станциясы сияқты кез келген Ethernet құрылғысына қосылады. Маршрутизатор мен Ethernet құрылғылары арасындағы байланыс үйдің электр сымдары арқылы жүзеге асырылады. Қажет болған жағдайда қосымша адаптерлерді қосу арқылы күрделі желілерді құруға болады. Электр желісі адаптерін ортақ бөлмеде орналасқан бірнеше Ethernet құрылғыларын қолдайтын хабқа немесе коммутаторға қосуға болады. Көбінесе дербес адаптерлердегі функционалдық мүмкіндіктер қуатты басқару орталықтары, цифрлық медиа адаптерлері және интернет қауіпсіздік камералары сияқты соңғы құрылғыларға енгізілуде. Электр желісі функционалдығының теледидарларға, приставкаларға, DVR-лерге және басқа да тұтынушы электроникасына енгізілуі күтілуде, әсіресе 2010 жылдың қыркүйегінде бекітілген IEEE 1901 сияқты жаһандық электр желісі стандарттарының пайда болуымен. Бірнеше өндірушілер 802.11n, HomePlug және төрт Gigabit Ethernet портын қамтитын құрылғыларды 100 АҚШ долларынан кем бағаға сатуда. 2013 жылдың басында 802.11ac қосылымын қамтитын бірнеше құрылғылар жарияланды, олардың үйлесімділігі Qualcomm Atheros компаниясы Hy Fi гибридтік желілік технологиясы ретінде сатылады, бұл IEEE P1905 стандартын жүзеге асыру. Бұл құрылғыға қол жетімді болған кезде сымды Ethernet, электр желісі немесе сымсыз байланысты пайдалануға мүмкіндік береді, бұл тұтынушылық қолданбалардағы қосылымды жөндеу үшін әдетте қолжетімді емес жергілікті біліктілік болмағандықтан, маңызды деп саналатын резервтік және сенімді жұмыс істеуді қамтамасыз етеді.

Powerline networking is a network that can be set up using a building's existing electrical wiring. For electric vehicle charging, the SAE J1772 standard plug in electric vehicle charger also requires HomePlug Green PHY to establish communications over a powerline before the vehicle can begin to draw any charging power. All commercial HomePlug implementations meet the AES 128 encryption standard specified for advanced metering infrastructure by the US FERC. Accordingly, these devices are suitable to deploy as utility grade meters off the shelf with appropriate software. As of late 2012, the most widely deployed HomePlug devices are "adapters", which are standalone modules that plug into wall outlets (or power strips [but not surge protectors] or extension cords) and provide one or more Ethernet ports. In a simple home network, the Internet gateway router connects via Ethernet cable to a powerline adapter, which in turn plugs into a nearby power outlet. A second adapter, plugged into any other outlet in the home, connects via Ethernet cable to any Ethernet device (e. g., computer, printer, IP phone, gaming station). Communications between the router and Ethernet devices are then conveyed over existing home electrical wiring. More complex networks can be implemented by plugging in additional adapters as needed. A powerline adapter may also be plugged into a hub or switch so that it supports multiple Ethernet devices residing in a common room. Increasingly, the functionality found in standalone adapters is being built into end devices such as power control centers, digital media adapters, and Internet security cameras. It is anticipated that powerline networking functionality will be embedded in TVs, set top boxes, DVRs, and other consumer electronics, especially with the emergence of global powerline networking standards such as the IEEE 1901 standard, ratified in September 2010. Several manufacturers sell devices that include 802.11n, HomePlug and four ports of Gigabit Ethernet connectivity for under US$100. Several are announced for early 2013 that also include 802.11ac connectivity, the combination of which with HomePlug is sold by Qualcomm Atheros as its Hy Fi hybrid networking technology, an implementation of IEEE P1905. This permits a device to use wired Ethernet, powerline or wireless communication as available to provide a redundant and reliable failover thought to be particularly important in consumer applications where there is no onsite expertise typically available to debug connections.

HomePlug 1.0 дегенді қосу

HomePlug 1.0 бірінші нұсқасы 14 Мбит/с ең жоғары PHY жылдамдығын қамтамасыз етеді. Ол алғаш рет 2001 жылдың маусым айында ұсынылды және содан бері HomePlug AV-мен алмастырылды. 2008 жылдың 28 мамырында Телекоммуникация индустриясы қауымдастығы (TIA) HomePlug 1.0 электр желісі технологиясын жаңадан жарияланған TIA 1113 халықаралық стандартына енгізді. TIA 1113 пайдаланушылардың үй-жайларындағы электр сымдары арқылы модемді пайдалану тәртібін анықтайды. Бұл жаңа стандарт – Америка Ұлттық Стандарттар Институтының (ANSI) аккредиттелген ұйымы бекіткен әлемдегі алғашқы көп мегабиттік электр желісі байланыс стандарты. HomePlug 1.0 MAC қабаты 46-дан 1500 байтқа дейінгі деректерді MAC қызмет деректері бірліктері (MSDU) ретінде IEEE 802.3 кадрларынан тасымалдау үшін Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) негізінде каналға қол жеткізуді пайдаланады (сондықтан jumbo кадрларын қолдамайды). HomePlug 1.0 Turbo адаптерлері HomePlug 1.0 спецификациясына сәйкес келеді, бірақ ең жоғары PHY жылдамдығын 85 Мбит/с дейін арттыру үшін жылдам, өзгеше режимді қолданады. HomePlug 1.0 Turbo модемдері тек Intellon Corporation компаниясынан ғана қол жетімді болды.

HomePlug AV (Аудио-видео желісі)

2005 жылдың тамызында енгізілген HomePlug AV спецификациясы, HDTV және VoIP сияқты қолданбалар үшін жеткілікті өткізу қабілетін қамтамасыз етеді. HomePlug AV физикалық қабатта 200 Мбит/с, ал MAC қабатында шамамен 80 Мбит/с деректерді жеткізу жылдамдығын ұсынады. HomePlug AV құрылғылары HomePlug 1.0 құрылғыларымен қатар жұмыс істеуі және мүмкіндігінше өзара үйлесімді болуы керек. Физикалық қабат 24,414 кГц аралықтағы OFDM тасымалдағыштарды пайдаланады, тасымалдағыштардың жиілігі 2-ден 30 МГц-ге дейін. Сигнал мен шу арақатынасына байланысты, жүйе әрбір тасымалдағыш үшін BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM, 256 QAM және 1024 QAM арасынан автоматты түрде таңдайды. 1155 OFDM субтасымалдағыштарында адаптивті модуляцияны, қателерді түзету үшін турбо-конволюциялық кодтарды, ARQ-мен екі деңгейлі MAC қабатын және басқа да техникаларды пайдалана отырып, HomePlug AV берілген тарату жолында теориялық максимумға жуық өткізу қабілетіне қол жеткізе алады. Кейбір Qualcomm Atheros негізіндегі адаптерлер HomePlug AV спецификациясына сәйкес келеді, бірақ PHY жылдамдығын 500 Мбит/с-қа дейін арттыратын, негізінен кеңірек спектрді пайдаланатын авторлық кеңейтуді қолданады.

HomePlug AV2 (Аудионы қосу)

HomePlug AV2 спецификациясы 2012 жылдың қаңтар айында ұсынылды. Ол HomePlug AV және HomePlug GreenPHY құрылғыларымен үйлесімді және IEEE 1901 стандартына сәйкес келеді. Оның ерекшеліктері – гигабит деңгейіндегі PHY жылдамдығы, MIMO PHY қолдауы, қайталау мүмкіндіктері және қуатты үнемдеу режимдері. Сонымен қатар, ол 30-86 МГц жиілік диапазонын пайдалана алады. Бірінші буын HomePlug AV 500-ден шамамен 20%-ға жылдам деп есептеледі және көбінесе HomePlug 600 ретінде сатылады. Олар MIMO-ны қолдамайды, тек бір арналы деректерді жібереді, себебі Atheros чипсетінің (QCA7450/AR1540) архитектурасы осылай құрылған. 2013 жылдың қазанында Qualcomm 2x2 MIMO қолдауы бар QCA7500 чипін жариялады, бұл деректерді беру жылдамдығын екі есеге арттыруға мүмкіндік береді. 2014 жылы Qualcomm QCA7500 чипін өндіруді бастады. Бұл құрылғы 1300 Мбит/с шикі PHY жылдамдығын қамтамасыз етеді, нәтижесінде 550 Мбит/с UDP және 500 Мбит/с TCP деректерді беру жылдамдығына, толыққанды MIMO қолдауына қол жеткізіледі. Деректерді беру желілік-бейтарап және желілік-жерлік сым жұптары арқылы жүзеге асырылады. Германияның Devolo компаниясы стандартты өзгертіп, фазалық (немесе тірі) және бейтарап сымдармен қатар жер сымын да пайдаланады. Бұл технология бүкіл әлемде қолжетімді, бірақ ғимараттардағы электр сымдарын орнату ережелерінде жер сымы қолданылатын елдерде ғана қолданылуы мүмкін.

HomePlug Access BPL (Бірыңғай жүйелік жүйе)

Access Broadband Power Line (BPL) – үйге кеңжолақты қол жеткізу технологиясы. HomePlug Alliance HomePlug Access BPL жұмыс тобын құрды, оның алғашқы міндеті HomePlug Access BPL спецификациясы үшін Нарық талаптары құжатын (MRD) әзірлеу болды. Альянс BPL индустриясын MRD әзірлеуге қатысуға немесе MRD-да қарастырылуы үшін ұсыныстар беруге шақырды. Коммуналдық қызметтер, интернет-провайдерлер және басқа BPL индустриялық топтары арасында бірнеше айлық ынтымақтастықтан кейін MRD 2005 жылдың маусымында аяқталды. HomePlug-тың Access BPL бойынша жұмысы кейіннен IEEE 1901 стандартына біріктірілді. HomePlug құрылғылары Universal Powerline Association (UPA), HD PLC немесе G. hn сияқты басқа электр желісі технологияларын қолданатын құрылғылармен өзара үйлесімді емес. G. hn жағдайында HomePlug-тың турбо-кодтаудың алдын ала қателерді түзетуі мен G. hn-нің төмен тығыздықпен тепе-теңдік тексеретін кодын енгізудің өте қымбат екені анықталды. Дегенмен, IEEE 1901 өзінің Inter System Protocol (ISP) арқылы HomePlug AV және HD PLC-нің бір желіде өзара жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. G. hn де ISP-ні қолдайды. HomePlug құрылғылары жоғары жиілікті сигналды бұзатын сүзгілер бар кейбір қуат таспаларымен, қорғағыш құрылғылармен және үзіліссіз қуат көздерімен үйлесімсіз. Мұндай жағдайда орнатушы құрылғыларды ғимараттың электр розеткаларына тікелей қосуы керек. Егер қосалқы розетка болмаса, көп жағдайларда бір жағынан үйлесімсіз құрылғымен, екінші жағынан HomePlug құрылғысымен қос адаптерді пайдалануға болады.

ЕМИ-нің мәселесі

Барлық электр желісі жүйелерінің, арнайы деректер желілерімен салыстырғанда, бір мәселесі – желілердің маршруты алдын ала белгісіз және көбінесе электр қуатын беру үшін оңтайландырылған. Бұл жүйе энергияның айтарлықтай бөлігін радиожиіліктік кедергілер түрінде сәулелендіруі немесе сыртқы сигналдардың кіруіне осал болуы мүмкін дегенді білдіреді. Қысқа толқынды жолақтың төмен қуатты, ұзақ қашықтықтағы телеметрия және жоғары қуатты хабар тарату сигналдары үшін қолданылатынын ескерсек, бұл маңызды кемшілік болуы мүмкін. Келіп түсетін кедергілердің және жиілікке байланысты сигнал жоғалуының әсерін азайту үшін HomePlug стандарты әрбір түйіннің жұмыс істеу кезінде 'тональдық карталарды' жаңартуын талап етеді, сонда жабдық қандай да бір қиын жиіліктерден қашықтауға және сигнал жоғалуы аз жиіліктерге көбірек деректерді жіберуге 'үйренеді'. Дегенмен, егер жақын маңда сезімтал қабылдағыш құрылғы болса, HomePlug құрылғысына сәулеленген кедергіні «төмендетуді» айтудың оңай жолы жоқ. Радиобайланыс жабдықтарындағы қабылданатын сигналдармен салыстырғанда, электр желісі жүйесіндегі сигнал деңгейі өте жоғары. Әдетте, қуат тығыздығы 10 нВт/Гц құрайды, себебі әрбір тасымалдаушы 24 кГц каналды алып, әрбір тасымалдаушы -6,6 дБм (220 микроватт) деңгейінде жіберіледі, бұл толық каналдың жалпы қуатын 24 дБм (250 милливатт) құрайды. Ұлыбританияда электр желісі жабдықтарын пайдаланушылар Сымсыз телеграф заңы бойынша ресми радио жүйелеріне кедергі келтірген жағдайда қудалануы мүмкін деген ұсыныстар айтылды. Сонымен қатар, GCHQ мұндай кедергілердің Ұлыбританиядағы радиоактивтілікті бақылау мүмкіндігіне әсер ететіні туралы алаңдаушылық білдірді.