Интернет по линиям электропередач: технология и перспективы

Введение

Технология передачи интернет-сигналов по обычным сетям электропередач

Широкополосная связь по линиям электропередач (BPL) – это метод связи по линиям электропередач (PLC), обеспечивающий относительно высокоскоростную цифровую передачу данных по общественным проводам распределения электроэнергии. BPL использует более высокие частоты, более широкий частотный диапазон и различные технологии по сравнению с другими формами связи по линиям электропередач для обеспечения высокоскоростной связи на больших расстояниях. BPL использует частоты, входящие в радиочастотный спектр, выделенный для радиосвязи; поэтому предотвращение помех для этих служб и от них является важнейшим фактором при проектировании систем BPL. Существуют две основные категории BPL: внутридомовая и доступ. Внутридомовая BPL обеспечивает широкополосный доступ внутри здания или сооружения, используя электрическую проводку для создания сетевой инфраструктуры. BPL доступа использует линии электропередач для доставки широкополосного доступа непосредственно к потребителю. BPL доступа рассматривается как жизнеспособная альтернатива кабельному или DSL для обеспечения "последней мили" широкополосной связи конечным пользователям.

История

BPL основан на технологии ПЛК, разработанной еще в 1914 году американской телекоммуникационной компанией AT&T. В 1990-х годах BPL возник как способ использования широкого распространения электросети для обеспечения высокоскоростной широкополосной связи. Целью было расширение доступа к Интернету в тех районах, где традиционные проводные широкополосные решения, такие как DSL или кабельное телевидение, были недоступны или экономически нецелесообразны. Для достижения высоких уровней пропускной способности BPL работает на более высоких частотах, чем традиционные системы передачи данных по линиям электропередач, обычно в диапазоне от 2 до 80 МГц. Методы модуляции, используемые в BPL, – это мультиплексирование с частотным разделением каналов (FDM) или ортогональное мультиплексирование с частотным разделением каналов (OFDM), которые превосходят широкополосную и узкополосную модуляцию по спектральной эффективности, устойчивости к искажениям канала и способности адаптироваться к изменениям в канале. Электроэнергетические компании уже много лет объединяют радиочастотный сигнал с электрическим током в одной линии для мониторинга работы своих энергосетей. Предпринимались попытки внедрения BPL для доступа, то есть предоставления интернет-услуг клиентам через электросеть. В 2004 году прогнозировалось, что перспективы BPL могут стимулировать операторов DSL и кабельного телевидения к обслуживанию сельских районов. В последнее время декарбонизация приводит к значительному увеличению числа генерирующих установок, накопителей энергии и потребителей на более низких уровнях напряжения, что создает проблемы с пропускной способностью в распределительных сетях. Традиционное централизованное управление становится невозможным на нижних уровнях из-за огромного количества устройств. Энергетические компании, такие как E.ON, начинают внедрять BPL в качестве ключевой коммуникационной технологии для обеспечения децентрализованного управления сетью в режиме реального времени и на высокой скорости.

Как работает BPL

Широкополосная передача данных по линиям электропередач (BPL) использует специализированные модемы для преобразования данных в сигналы и их передачи по линиям электропередач. Этот процесс обеспечивает стабильное широкополосное подключение за счет демодуляции, распределения данных и подавления помех.

Развертывание

В мире было предпринято множество попыток внедрить BPL, но все они показали, что BPL не является жизнеспособным средством обеспечения широкополосного доступа в Интернет. Это связано с двумя проблемами: ограниченным радиусом действия и низкой пропускной способностью, которые значительно уступают ADSL, Wi-Fi и даже 3G. Крупнейшие мировые провайдеры либо ограничили развертывание BPL оборудованием с низкой пропускной способностью, подключенным через интеллектуальные сети, либо полностью прекратили операции BPL. В Австралии проводились испытания BPL с 2004 по 2007 год, но, по всей видимости, там не осталось активных развертываний BPL. В Великобритании BBC опубликовала результаты тестов по обнаружению помех от установок BPL. В США в октябре 2004 года Федеральная комиссия по связи (FCC) приняла правила, облегчающие развертывание "Access BPL" – маркетингового термина для услуги доступа в Интернет по линиям электропередач. Технические правила оказались более либеральными, чем те, которые предлагала национальная организация радиолюбителей США, Американская лига радиосвязи (ARRL), и другие пользователи спектра, но включают положения, обязывающие провайдеров BPL расследовать и устранять любые создаваемые ими помехи. В 2004 году компания Current Communications объявила об оказании услуг в Огайо, Кентукки и Индиане, но покинула бизнес BPL в 2008 году. 3 августа 2006 года FCC приняла заключение и приказ о широкополосном доступе по линиям электропередач, разрешив продвижение широкополосной связи для всех американцев. В приказе были отклонены призывы авиации, бизнеса, коммерческих организаций, радиолюбителей и других пользователей спектра ограничить или запретить развертывание до завершения дальнейших исследований. Глава FCC Кевин Мартин заявил, что BPL "обладает большим потенциалом как повсеместное широкополосное решение, которое предложит жизнеспособную альтернативу кабельному, цифровому абонентскому каналу, оптоволоконному и беспроводному широкополосному доступу". В США компания International Broadband Electric Communications (IBEC), имевшая амбициозный план по предоставлению доступа BPL в США, прекратила операции BPL в январе 2012 года. 19 января 2018 года компания E.ON, немецкий многонациональный энергетический концерн, обслуживающий около 48 миллионов клиентов в разных странах [*], приняла решение интегрировать BPL в свою коммуникационную стратегию, в частности, для инфраструктуры связи интеллектуальных счетчиков в сегменте низкого напряжения своей сети. E.ON выбрала Corinex в качестве поставщика решений на первые два года развертывания. Первоначальное развертывание включало несколько десятков тысяч ретрансляторов и головных станций, обеспечивающих безопасную связь для нескольких сотен тысяч домохозяйств. Для управления сетью была выбрана система управления энергопотреблением Corinex GridValue, основанная на платформе IBM Tivoli.

There have been many attempts worldwide to implement access BPL, all which have indicated that BPL is not viable as a means of delivering broadband Internet access. This is because of two problems: limited reach, and low bandwidth which do not come close to matching ADSL, Wi Fi, and even 3G mobile. World major providers have either limited their BPL deployments to low bandwidth connected equipment via smart grids, or ceased BPL operations altogether. Australia saw trials of access BPL between 2004 and 2007; but no active access BPL deployments appear to remain there. In the UK, the BBC published the results of tests to detect interference from BPL installations. In the US, in October 2004, the US Federal Communications Commission adopted rules to facilitate the deployment of "Access BPL", the marketing term for Internet access service over power lines. The technical rules are more liberal than those advanced by the US national amateur radio organization, the American Radio Relay League (ARRL), and other spectrum users, but include provisions that require BPL providers to investigate and correct any interference they cause. One service was announced in 2004 for Ohio, Kentucky, and Indiana by Current Communications but they left the BPL business in 2008. On August 3, 2006, FCC adopted a memorandum opinion and an order on broadband over power lines, giving the go ahead to promote broadband service to all Americans. The order rejected calls from aviation, business, commercial, amateur radio and other sectors of spectrum users to limit or prohibit deployment until further study was completed. FCC chief Kevin Martin said that BPL "holds great promise as a ubiquitous broadband solution that would offer a viable alternative to cable, digital subscriber line, fiber, and wireless broadband solutions". In the US, International Broadband Electric Communications (IBEC), which had an ambitious plan to provide access BPL in the US, ceased BPL operations in January 2012. On January 19, 2018, E. ON, the German multinational electric utility company serving approx. 48 million customers across different countries [*], decided to integrate BPL into their communication strategy, specifically for the smart metering communication infrastructure within the low voltage segment of their grid. E. ON chose Corinex as the solution provider for the initial two years of the deployment. The initial deployment was several ten thousand repeaters and headends, providing secure communication for a couple of hundred thousand households. Corinex GridValue energy management system based on the IBM Tivoli platform was selected to manage the network.

Стандарты

Для технологии BPL разрабатывается несколько стандартов, включая стандарты IEEE, HomePlug Powerline Alliance (прекратившей существование) и PRIME Alliance.

IEEE, связанные с технологией BPL

IEEE 643 2004 "Guide for Power Line Carrier Applications" – это стандарт для связи по сетям линий электропередач (выше 69 кВ). IEEE P1675 "Standard for Broadband over Power Line Hardware" – это рабочая группа, занимающаяся вопросами установки оборудования и обеспечения безопасности. IEEE P1775 "Powerline Communication Equipment – Electromagnetic Compatibility (EMC) Requirements – Testing and Measurement Methods" – это рабочая группа, специализирующаяся на оборудовании для PLC, требованиях к электромагнитной совместимости, а также методах испытаний и измерений. IEEE P1901 2020 "IEEE Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications" – это рабочая группа, разрабатывающая стандарты для обеспечения широкополосного доступа через линии электропередач. Цель – определение спецификаций управления доступом к среде и физического уровня для всех классов устройств BPL, от соединений большой дальности до устройств, используемых в помещениях абонентов.

Сценарии сбоев

Есть множество способов, которыми в коммуникационный сигнал могут быть внесены ошибки. Помехи, перекрестные наводки, некоторые активные и некоторые пассивные устройства вносят шум или ослабление сигнала. Когда ошибка становится существенной, устройства, управляемые ненадежным сигналом, могут выйти из строя, стать неработоспособными или функционировать нежелательным образом. Помехи: Помехи от соседних систем могут ухудшить качество сигнала, поскольку модем может быть не в состоянии выделить определенную частоту среди множества сигналов в одной полосе частот. Ухудшение сигнала активными устройствами: такие устройства, как реле, транзисторы и выпрямители, создают шум в своих системах, повышая вероятность ухудшения сигнала. Устройства защиты от дуговых замыканий (AFCI), требуемые некоторыми современными электротехническими нормами для жилых помещений, также могут ослаблять сигналы. Ослабление сигнала пассивными устройствами: трансформаторы и DC–DC преобразователи почти полностью ослабляют входной частотный сигнал. Для передачи сигнала принимающему узлу необходимы обходные устройства. Обходное устройство может состоять из трех ступеней: последовательного фильтра с защитной ступенью и согласующим устройством, расположенных параллельно пассивному устройству.