Введение

Спецификации связи по линиям электропередач HomePlug – это общее название для различных спецификаций связи по линиям электропередач, объединенных под брендом HomePlug, каждая из которых обладает уникальными возможностями и совместима с другими спецификациями HomePlug. Некоторые спецификации HomePlug предназначены для широкополосных приложений, например, для домашнего распространения IPTV, игр и интернет-контента с низкой скоростью передачи данных, в то время как другие ориентированы на низкое энергопотребление, низкую пропускную способность и расширенный диапазон рабочих температур для таких приложений, как интеллектуальные электросчетчики и связь между электрическими системами и бытовой техникой. Все спецификации HomePlug были разработаны HomePlug Powerline Alliance, которая также является владельцем товарного знака HomePlug. 18 октября 2016 года HomePlug Alliance объявила о передаче всех своих спецификаций в общественное достояние и о том, что дальнейшая деятельность, связанная с внедрением существующих технологий, будет осуществляться другими организациями. В этом объявлении не упоминалось о каких-либо планах по дальнейшей разработке технологий в рамках сообщества HomePlug.

История

HomePlug Powerline Alliance был создан для разработки стандартов и технологий, обеспечивающих связь устройств друг с другом и с Интернетом по существующей электропроводке зданий. Одной из главных технических задач было снижение чувствительности к электрическим помехам, присутствующим в электросетях. HomePlug решила эту проблему, увеличив частоты несущих сигналов, чтобы сигнал передавался по нейтральному проводнику, общему для всех фаз. Первая спецификация HomePlug – HomePlug 1.0 – была выпущена в июне 2001 года. Спецификация HomePlug AV (для аудио- и видеоданных), выпущенная в 2005 году, увеличила пиковую скорость передачи данных на физическом уровне (PHY) примерно с 13,0 Мбит/с до 200 Мбит/с. Спецификация HomePlug Green PHY была выпущена в июне 2010 года и ориентирована на приложения Smart Energy и Smart Grid как совместимая альтернатива HomePlug AV с более низкой стоимостью, меньшим энергопотреблением и сниженной пропускной способностью. В 2010 году был одобрен стандарт IEEE 1901, в котором HomePlug AV была принята в качестве базовой технологии для FFT OFDM PHY, что сделало его международным стандартом. HomePlug Powerline Alliance является сертифицирующим органом для продуктов, соответствующих стандарту IEEE 1901. Три основные спецификации, опубликованные HomePlug (HomePlug AV, HomePlug Green PHY и HomePlug AV2), совместимы и соответствуют требованиям стандартов. В 2011 году спецификация HomePlug Green PHY была принята компаниями Ford, General Motors, Audi, BMW, Daimler, Porsche и Volkswagen в качестве стандарта подключения для подключаемых гибридных и электрических транспортных средств. По состоянию на 2017 год по крайней мере шесть производителей чипов поставляют чипсеты HomePlug AV с поддержкой спецификации IEEE 1901: Broadcom, Qualcomm Atheros, Sigma Designs, Intellon, SPiDCOM и MStar. Более новые версии HomePlug поддерживают использование Ethernet в шинной топологии посредством OFDM-модуляции, что позволяет нескольким различным несущим данных сосуществовать в одном проводе. Кроме того, технология OFDM от HomePlug может отключать (маскировать) любые субнесущие, которые перекрывают ранее выделенный радиочастотный спектр в определенном географическом регионе, тем самым предотвращая помехи. Например, в Северной Америке HomePlug AV использует только 917 из 1155 субнесущих.

Использование

Сеть по электропроводке – это сеть, которую можно организовать, используя существующую электрическую проводку здания. Для зарядки электромобилей зарядное устройство стандарта SAE J1772 также требует использования HomePlug Green PHY для установления связи по электросети, прежде чем автомобиль сможет начать зарядку. Все коммерческие реализации HomePlug соответствуют стандарту шифрования AES 128, установленному для передовой инфраструктуры учета (AMI) Федеральной энергетической регулирующей комиссией США (FERC). Соответственно, эти устройства пригодны для использования в качестве счетчиков коммунального назначения «из коробки» с соответствующим программным обеспечением. По состоянию на конец 2012 года наиболее распространенными устройствами HomePlug являются «адаптеры» – автономные модули, которые подключаются к настенным розеткам (или к сетевым фильтрам [но не к устройствам защиты от перенапряжения] или удлинителям) и обеспечивают один или несколько портов Ethernet. В простой домашней сети интернет-шлюз (маршрутизатор) подключается через кабель Ethernet к адаптеру линии электропередач, который, в свою очередь, подключается к ближайшей розетке. Второй адаптер, подключенный к любой другой розетке в доме, подключается через кабель Ethernet к любому устройству Ethernet (например, компьютеру, принтеру, IP-телефону, игровой консоли). Связь между маршрутизатором и устройствами Ethernet затем передается по существующей домашней электропроводке. Более сложные сети могут быть реализованы путем подключения дополнительных адаптеров по мере необходимости. Адаптер линии электропередач также может быть подключен к концентратору или коммутатору для поддержки нескольких устройств Ethernet, находящихся в одной комнате. Все чаще функциональность, присутствующая в автономных адаптерах, встраивается в конечные устройства, такие как центры управления питанием, адаптеры цифровых медиа и камеры видеонаблюдения. Ожидается, что функциональность сети по электропроводке будет встроена в телевизоры, приставки, цифровые видеорегистраторы (DVR) и другую бытовую электронику, особенно с появлением глобальных стандартов сети по электропроводке, таких как стандарт IEEE 1901, ратифицированный в сентябре 2010 года. Несколько производителей продают устройства, которые включают 802.11n, HomePlug и четыре порта Gigabit Ethernet по цене менее 100 долларов США. Несколько устройств, анонсированных в начале 2013 года, также включают поддержку 802.11ac, комбинация которой с HomePlug продается компанией Qualcomm Atheros под названием Hy Fi – технология гибридной сети, являющаяся реализацией IEEE P1905. Это позволяет устройству использовать проводную Ethernet, сеть по электропроводке или беспроводную связь, в зависимости от доступности, для обеспечения резервирования и надежного переключения при отказе, что особенно важно в потребительских приложениях, где обычно нет квалифицированных специалистов для диагностики проблем с подключением.

HomePlug 1.0 (вводится в действие 1 января 2013)

Первая спецификация HomePlug, HomePlug 1.0, обеспечивает пиковую скорость PHY в 14 Мбит/с. Она была впервые представлена в июне 2001 года и впоследствии заменена HomePlug AV. 28 мая 2008 года Ассоциация телекоммуникационной промышленности (TIA) включила технологию HomePlug 1.0 в недавно опубликованный международный стандарт TIA 1113. TIA 1113 определяет работу модемов по электрической проводке в помещениях пользователя. Этот новый стандарт является первым в мире многомегабитным стандартом связи по линиям электропередач, одобренным организацией, аккредитованной Американским национальным институтом стандартов (ANSI). MAC-уровень HomePlug 1.0 использует канал доступа на основе Carrier Sense Multiple Access с предотвращением коллизий (CSMA/CA) для передачи данных длиной от 46 до 1500 байт, заключенных в кадры IEEE 802.3 в виде MAC Service Data Units (MSDU) (и, следовательно, не поддерживает jumbo frames). Адаптеры HomePlug 1.0 Turbo соответствуют спецификации HomePlug 1.0, но используют более быстрый, проприетарный режим, который увеличивает пиковую скорость PHY до 85 Мбит/с. Модемы HomePlug 1.0 Turbo были доступны только от компании Intellon Corporation.

Домашний ПЛУГ АВ

Спецификация HomePlug AV, представленная в августе 2005 года, обеспечивает достаточную пропускную способность для приложений, таких как HDTV и VoIP. HomePlug AV предлагает пиковую скорость передачи данных 200 Мбит/с на физическом уровне и около 80 Мбит/с на уровне MAC. Устройства HomePlug AV должны обеспечивать совместную работу и, опционально, взаимодействие с устройствами HomePlug 1.0. Физический уровень использует несущие OFDM с интервалом 24,414 кГц, в диапазоне от 2 до 30 МГц. В зависимости от отношения сигнал/шум, система автоматически выбирает модуляцию BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM, 256 QAM или 1024 QAM для каждой несущей. Благодаря использованию адаптивной модуляции на базе до 1155 поднесущих OFDM, турбокодов для коррекции ошибок, двухслойной структуры MAC-кадров с ARQ и других технологий, HomePlug AV может достигать полосы пропускания, близкой к теоретическому максимуму для заданного канала передачи. Некоторые адаптеры на базе Qualcomm Atheros соответствуют спецификации HomePlug AV, но используют проприетарное расширение, которое увеличивает скорость физического уровня до 500 Мбит/с, главным образом за счет использования более широкой полосы частот.

HomePlug AV2 (включатель AV2)

Спецификация HomePlug AV2 была представлена в январе 2012 года. Она совместима с устройствами HomePlug AV и HomePlug GreenPHY и соответствует стандарту IEEE 1901. Она обеспечивает гигабитные скорости PHY, поддержку MIMO PHY, функции повторителя и режимы энергосбережения. Дополнительно может использоваться диапазон частот от 30 до 86 МГц. Первое поколение обычно считается на 20% быстрее, чем HomePlug AV 500, и часто продается как HomePlug 600. Оно не поддерживает MIMO, а только однопотоковую передачу данных из-за архитектуры чипсетов Atheros (QCA7450/AR1540). В октябре 2013 года Qualcomm анонсировала QCA7500 с поддержкой 2x2 MIMO, что, как предполагается, должно удвоить скорость передачи данных. В 2014 году Qualcomm начала производство QCA7500. Это устройство обеспечивало необработанные скорости PHY 1300 Мбит/с, что давало скорости передачи данных 550 Мбит/с UDP и 500 Мбит/с TCP при полной реализации MIMO. Коммуникация осуществляется по обеим парам линий электропередач: фаза-нейтраль и фаза-земля. Компания Devolo из Германии внесла в стандарт собственные улучшения, используя заземляющий провод в дополнение к фазе (также известной как "горячий" или "живой") и нейтрали. Эта технология доступна во всем мире, но может использоваться только в регионах, где в правилах электропроводки зданий предусмотрено использование заземления.

Доступ к HomePlug BPL

Широкополосная линия электропередач (BPL) – это технология широкополосного доступа в дом. HomePlug Alliance создала рабочую группу HomePlug Access BPL, первым заданием которой было разработать документ о рыночных требованиях (MRD) для спецификации HomePlug Access BPL. Альянс направил открытое приглашение индустрии BPL принять участие в разработке или предоставить информацию для рассмотрения при создании MRD. После нескольких месяцев сотрудничества между энергетическими компаниями, интернет-провайдерами и другими группами индустрии BPL, MRD был завершен в июне 2005 года. Работа HomePlug над Access BPL впоследствии была передана и объединена со стандартом IEEE 1901. Устройства HomePlug не будут взаимодействовать с устройствами, использующими другие технологии передачи данных по электросети, такие как Universal Powerline Association (UPA), HD PLC или G. hn. В случае G. hn, внедрение как турбо-кодирования с прямой коррекцией ошибок HomePlug, так и кода проверки четности с низкой плотностью G. hn было признано неоправданно дорогостоящим. Однако IEEE 1901 позволяет совместное использование HomePlug AV и HD PLC в рамках одного развертывания посредством межсистемного протокола (ISP). G. hn также поддерживает ISP. Устройства HomePlug несовместимы с определенными удлинителями, сетевыми фильтрами и источниками бесперебойного питания, содержащими фильтры, блокирующие высокочастотный сигнал. В таких случаях установщик должен подключать устройства непосредственно к электрическим розеткам здания. Если запасная розетка недоступна, во многих случаях можно использовать двойной адаптер, подключив к одной стороне несовместимое устройство, а к другой – устройство HomePlug.

Проблемы с ЕМИ

Одной из проблем всех систем передачи данных по электросетям, в отличие от выделенных каналов передачи данных, является то, что траектория проводки неизвестна заранее и, как правило, уже оптимизирована для передачи электроэнергии. Это означает, что в некоторых случаях система будет излучать значительную часть энергии в виде радиочастотных помех или быть уязвимой к проникновению внешних сигналов. Учитывая, что коротковолновый диапазон используется как для маломощной телеметрии большой дальности, так и для мощных вещательных сигналов, это может быть серьезным недостатком. Чтобы минимизировать влияние входящих помех и частотных потерь, стандарт HomePlug требует от каждого узла поддерживать обновление "тоновых карт" в процессе работы, чтобы оборудование "обучалось" избегать определенных проблемных частот и передавать больше данных на частотах с низкими потерями. Однако, хотя это снижает вероятность проникновения помех, если поблизости находится чувствительное приемное оборудование, нет простого способа заставить устройство HomePlug "уменьшить" излучаемые помехи. По сравнению с уровнями принимаемых сигналов в оборудовании радиосвязи, уровни сигнала в системе передачи данных по электросетям достаточно высоки. Обычно плотность мощности составляет 10 нВт/Гц, поскольку каждый несущий сигнал занимает канал шириной 24 кГц, и каждый несущий сигнал вводится на уровне -6,6 дБм (220 микроватт), что обеспечивает общую мощность всего канала 24 дБм (250 милливатт). В Великобритании высказывались предложения о привлечении к ответственности пользователей оборудования передачи данных по электросетям в соответствии с Законом о беспроводной телеграфии, если они создают помехи для официальных радиосистем. Кроме того, GCHQ выразил обеспокоенность тем, что такие помехи влияют на его способность отслеживать радиоактивность в Великобритании.