Электричество есть практически везде. И хотя традиционные электросети работают на частоте 50 Гц, в то же время, по современным силовым проводам токи могут передаваться и на более высоких частотах. Таким образом, электросети отлично подходят для передачи не только электроэнергии, но и информации. Но это в теории. На практике все гораздо сложнее. Идея использовать электрические сети для передачи данных была выдвинута еще в начале прошлого века, однако только в 90-х она получила практическое воплощение в виде серии продуктов, обеспечивающих полноценную связь по линиям электропитания. Подобные системы связи стали называться PLC (Power Line Communication).

«Мечта» связиста

Итак, выше мы уже сказали, что у электросетей есть два серьезных преимущества, позволяющих рассматривать их как средство передачи данных – повсеместная распространенность и возможность работать на нужной частоте. Но насколько хорошо кабельные линии защищены от искажений? На первый взгляд, потери информации должны быть минимальны, ведь электропровода защищены достаточно толстой изоляционной оболочкой с большим сопротивлением. Однако на деле все далеко не так просто.

Перечислим основные проблемы, с которыми мы можем столкнуться:

1. Кроме рабочей частоты 50 Гц, в спектре есть еще и высшие гармонические составляющие. Конечно, чем выше порядок гармоники, тем меньше ее мощность. Но сигнал, который мы собираемся передавать по электросети, имеет в десятки раз меньшую мощность, чем мощность тока. Соответственно, гармоники частоты 50 Гц могут иметь сопоставимую с телекоммуникационным сигналом мощность и поэтому служить источником помех.
   
   
2. Многие электроприборы являются мощным генератором помех в диапазоне единиц — десятков кГц.
   
   
3. Линия электропередачи «впитывает» в себя все наводки, например, от находящейся поблизости радиостанции.
   
   
4. Вне зависимости от технического совершенства используемого оборудования дальность связи все равно ограничивается границами района, обслуживаемого одной питающей подстанцией.
5. Топология электросетей изначально не была рассчитана на то, чтобы по ним передавали информацию. Поэтому сигнал порой может идти по неоптимальному маршруту. В этом случае могут возникать странные ситуации, когда для передачи информации в соседнюю комнату необходимо более «дальнобойное» оборудование, зато в здание неподалеку сигнал передается без всяких проблем.
   
   Изменять топологию сети, пусть даже и частично, только ради оптимизации передачи телекоммуникационного сигнала нецелесообразно. Дешевле и проще проложить отдельную линию связи.

Фильтры и цифра

Передачу данных по электросети, как правило, ограничивают пределами одного офиса или одного здания. По сути, это аналог локальной компьютерной сети, только для передачи сигнала используется другая технология. А для обмена данными между различными ЛКС, которые расположены в разных зданиях, используют другие системы связи.

Если вы не хотите, чтобы передаваемые данные утекали из офиса, то обойтись без внесения изменений в сеть электропитания вам не удастся. На кабель, по которому в офис подается ток, устанавливается фильтр, подавляющий телекоммуникационные сигналы. Точно такие же фильтры устанавливаются и на проводку внутри офиса, например, если требуется исключить возможность утечки информации из определенной комнаты.

Для передачи информации по электросетям сейчас используются исключительно цифровые системы.

Через годы и расстояния

Первые эксперименты по передаче данных по электросетям проводились в США в начале прошлого века. Сначала была организована телеграфная связь в сетях постоянного тока, а затем - и в сетях переменного тока.

Позже, уже в 50-х годах, для организации диспетчерской связи по линиям электропередач стали применять аналоговые системы многоканальной электросвязи. Они работают в частотном диапазоне от 1 МГц и выше, из которого исключены отдельные полосы, зарезервированные для других устройств. Для передачи телеметрической и управляющей информации использовались модемы.

В наше время диспетчерская связь по линиям электропередач осуществляется с использованием цифровых систем, работающих в том же диапазоне частот. По сути, такая система представляет собой модем для передачи цифрового сигнала, который затем мультиплексируется с временным разделением каналов для передачи телеметрической, голосовой и управляющей информации.

Однако такая система имеет малую пропускную способность, что вкупе с низким качеством связи стало причиной того, что связь по ЛЭП используется только для собственных потребностей энергетиков. Для организации магистральной связи более целесообразным оказалось использование отдельных ВОЛС, подвешенных к опорам ЛЭП.

Зато технологии передачи информации по электросетям на близкие расстояния оказались более подходящими для коммерческого использования. В 1975 году британская компания Pico Electronics разработала технологию X10, предназначенную для передачи управляющей информации. Согласно ей информация передается с помощью цифрового сигнала на частоте 120 кГц, длительность передачи одного бита - 1 мс. Однако передается он только в момент прохождения синусоиды 50 Гц через ноль, а это существенно ограничивает скорость передачи. В одном пакете находится 12 бит информации, из которых по 4 бита зарезервировано на код дома, код модуля и код команды. При этом «дом» необязательно означает одно отдельно стоящее здание, просто в пределах одного «дома» передаются широковещательные команды. Стандарт X10 до сих пор применяется для управления несложными бытовыми приборами, такими как светильники, вентиляторы, рольставни и т.п.

HomePlug Powerline и UPA

Впервые о возможности передавать информацию по линиям электропитания неспециалисты узнали лишь в 2000 году. Тогда в СМИ широко освещалось появление HomePlug Powerline – организации, объединившей крупных производителей телеком- и электротехнического оборудования с целью разработать единый для всех игроков рынка стандарт передачи информации. В то время беспроводные технологии передачи данных казались дорогостоящей игрушкой, которая слишком дорога для широкого применения. Поэтому PLC-системы представлялись как некоторое средство от монополизма лидеров телекоммуникационного рынка, установивших явно завышенные цены на доступ к Сети.

В 2001 году HomePlug Powerline разработала первый вариант стандарта - HomePlug 1.0. В основе лежит принцип передачи сигнала на 84 поднесущих в частотном диапазоне 4–21 МГц. Аппаратура производит непрерывный мониторинг линии и определяет, на каких частотах в данный момент времени уровень затуханий ниже допустимого предела, а также нет помех. Соответственно, именно эти частоты и используются для передачи данных. Максимальная скорость составляла 14 Мбит/с, тогда как по Wi-Fi в то время скорость передачи данных не превышала 11 Мбит/с. Затем был разработан стандарт HomePlug 1.0 Turbo, в котором частотный диапазон был расширен до 1,8-30 МГц, а количество поднесущих частот было увеличено до 1155. Это позволило повысить максимальную скорость передачи до 85 Мбит/с. В 2005 г. был разработан стандарт HomePlug AV, который был приспособлен под передачу HD аудио-видео данных.

Параллельно с альянсом HomePlug Powerline в 2004-2010 гг. вела деятельность ассоциация Universal Powerline Association. В 2006 году она выпустила стандарт UPA Digital Home Specification v1.0. По своим техническим характеристикам оборудование совместимое с UPA мало чем отличалось от оборудования HomePlug, но UPA всегда была на шаг позади своего конкурента и внедряла новую разработку с некоторой задержкой, что, скорее всего, и стало основной причиной закрытия этого проекта.

Тесный рынок

Закрытие UPA показало, что рынок PLC настолько тесен, что даже двум организациям там не выжить. Тогда Wi-Fi уже превратился из дорогостоящей игрушки в серьезного конкурента HomePlug. В 2009 году принят стандарт IEEE 802.11n, согласно которому максимальная скорость передачи информации составляла 300 Мбит/с, при этом дальность связи достигала нескольких сотен метров. Дальность связи для оборудования HomePlug AV не превышала 300 метров. Ведущий производитель телеком-оборудования Zyxel опубликовал на своем сайте о результатах проведенного в его лаборатории тестирования модема HomePlug AV на бухте кабеля длиной 300 м: средняя скорость передачи информации составила 40 Мбит/с.

Единственный серьезный плюс HomePlug AV по сравнению с технологией Wi-Fi — возможность связи через стены или межэтажные перекрытия, сквозь которые не проходят волны с частотами 2,4 и 5 ГГц. Но, опять-таки, на пути связи с другим этажом может встать неподходящая топология проводки.

Все это, вместе с быстрым развитием 4G сетей, стало причиной того, что PLC так и осталось «нишевым» решением.

Однако это совершенно не означает, что идея передавать информацию по сетям электропитания не имеет будущего. На самом деле в скором времени PLC ожидает новый подъем, но уже в другом — «умном» качестве.

Концепция Smart Grid

На протяжении многих лет энергосети работали по принципу, когда передача энергии была односторонней — от производителя к потребителю. Но широкое распространение малой и альтернативной энергетики, например, солнечных батарей, ветряков и др., установленных у самих потребителей, привело к необходимости организовать двустороннюю передачу электроэнергии. Если у потребителя установлена солнечная батарея, которая в данный конкретный момент дает избыточное количество энергии, то почему бы не поделиться лишней электроэнергии с другими потребителями, тем самым подзаработав и при этом уменьшив проблемы, связанные с пиковыми нагрузками?

Организация обмена электричеством между производителем и потребителем становится возможной при использовании концепции Smart Grid (англ. – «умная энергосистема»). В ее основе лежит сбор информации в реальном времени о производстве и потреблении электроэнергии потребителями и динамическом ее распределении в зависимости от текущих нужд каждого потребителя.

Пока Smart Grid находится на начальной ступени своего развития и внедряется в передовых странах (США и некоторых странах Европы). В соответствии с концепцией потребитель при пиковых нагрузках не может заряжать электромобиль, включать бытовую технику, которую можно использовать и в другое время. За это он платит за электроэнергию по льготному тарифу.

Для Smart Grid был разработан стандарт HomePlug Green PHY 1.1., который при сравнительно низкой скорости передачи данных - 10 Мбит/с - отличается компактностью, экономичностью и дешевизной необходимого оборудования. Также за счет снижения скорости была увеличена надежность системы при сохранении количества поднесущих частот равного 1155.

Бытовая техника, которую потребитель не имеет права включать при пиковой нагрузке энергосети, оснащена датчиками энергопотребления и адаптерами HomePlug Green PHY. Технология HomePlug Green PHY позволяет организовать связь внутри квартиры или дома. Затем сигнал проходит через обычные проводные или беспроводные средства связи, шлюз между HomePlug Green PHY и внешней телекоммуникационной сетью конструктивно объединен со счетчиком электроэнергии. Технология HomePlug Green PHY избавляет от необходимости прокладывать кабель внутри дома или беспокоиться о том, пройдет ли радиосигнал через толстые стены и межэтажные перекрытия. Внесенные в технологию HomePlug улучшения позволили улучшить надежность связи при сохранении достаточной скорости.