Wideo HD poprzez sieć energetyczną

Domowe sieci bezprzewodowe, korzystające zwykle z Wi-Fi, do tego celu nie wystarczają. Wi-Fi nadaje się do połączeń pomiędzy komputerami, w których przepływ sygnałów jest niewielki i impulsowy. A wideo wysokiej rozdzielczości wymaga szerokiego pasma i gwarantowanej przepływności. Sprostać temu może tylko system przewodowy.

W ciągu ostatnich lat pojawiło się wiele pomysłów użycia sieci energetycznej jako medium transmisyjnego do transmisji danych cyfrowych, np. dla celów dostępu do Internetu. Problemy z kompatybilnością elektromagnetyczną, niewystarczającą szybkością transmisji ograniczaną dużym poziomem zaburzeń, odsuwają w czasie rynkowe premiery wielu technologii, jednak nie znaczy, że projekty są porzucane. Firmy przez cały czas próbują pogodzić szereg sprzecznych wymagań technicznych związanych z transmisją, jak również starają się znaleźć obszar gdzie domowe kable energetyczne okażą się w największym stopniu przydatne. Przykładem, który będzie sprawdzał swoje szanse na rynku w niedalekiej przyszłości jest sygnał wideo o wysokiej rozdzielczości i technologia Ethernet-over-Powerline, EoP.

Ethernet poprzez sieć energetyczną reklamowany jest jako wygodne i opłacalne medium szerokopasmowe, mogące doprowadzić sygnał do dowolnego urządzenia w dowolnym pomieszczeniu. Pozostaje tylko sprawdzić, czy technika ta, o szybkości 150Mb/s, może zwycięsko konkurować o dominację na rynku z innymi rozwiązaniami.

Zalety EoP

Rys. 1. Schemat blokowy cyfrowego systemu łączności

Przy instalacji sieci domowej technologia EoP okazuje się wygodna z kilku powodów (rys. 1). Przede wszystkim sieć energetyczna jest wszechobecna – każde gniazdko elektryczne w mieszkaniu staje się potencjalnym portem Ethernet. Urządzenia EoP są układami plug-and-play i nie wymagają żadnych przewodów. Umożliwiają przesyłanie danych z szybkością do 200Mb/s przy różnych poziomach QoS (gwarantowanej jakości), co pozwala na transmisję wideo zarówno standardowego jak i wysokiej rozdzielczości.

Sieć energetyczna zapewnia dwustopniowe zabezpieczenie danych. Intruz musiałby włamać się do mieszkania, żeby włączyć się do gniazdka, a następnie pokonać używany w EoP szyfr, co jest korzystne z punktu widzenia bezpieczeństwa. W końcu wymaganą szerokość pasma, wymaganą do przesyłania wideo, zapewnia stosowana w EoP technika TDMA (Time Division Multiple Access).

Zasada działania EoP

Rys. 2. Fizyczny schemat blokowy DHS

W systemach EoP miedziane przewody, służące w mieszkaniu do rozprowadzania energii elektrycznej, służą równocześnie do przesyłania sygnałów cyfrowych. Systemy te działają na zasadzie nakładania zmodulowanej wysokiej częstotliwości nośnej na stosowaną w energetyce częstotliwość 50Hz lub 60Hz. Pomysł użycia przewodów elektrycznych do przenoszenia danych zrodził się jeszcze w latach siedemdziesiątych. Ale do końca lat dziewięćdziesiątych technika ta umożliwiała przesyłanie jedynie sygnałów sterujących o małej szybkości przenoszenia. Zastosowane obecnie nowe algorytmy, przezwyciężające zakłócenia w sieci energetycznej, pozwalają przesyłać częstotliwość nośną, zmodulowaną szybkim sygnałem cyfrowym. Równocześnie moc przeliczeniowa pojedynczych układów scalonych zwiększyła się na tyle, że mogą być w nich wykorzystywane algorytmy wymagające intensywnych obliczeń i tanio i opłacalnie realizować system na masową skalę.

Układem wejściowym systemu EoP jest nadajnik, przetwarzający cyfrowe dane z komputera, czy innego urządzenia sieci, na sygnał analogowy, nakładany na napięcie zmienne zasilania 50Hz. Po stronie odbiorczej sygnał analogowy jest przetwarzany z powrotem na sygnał cyfrowy i przekazywany do odpowiedniego odbiornika (rys. 2).

Rys. 3. Wcięcia spektralne zapobiegają interferencjom z pasmami radiowymi

Wersja EoP, opracowana przez Universal Powerline Association (UPA), tzw. specyfikacja Digital Home Standard (DHS), jest przeznaczona sieci domowych (rys. 3).

Problemy łączności przez wspólną sieć

Podstawą najczęstszych zarzutów w stosunku do EoP jest przekonanie, że jakość sieci energetycznej jako środka łączności jest wprost uzależniona od jakości przemysłowego napięcia tej sieci. Jednakże fizycznie DHS działa w zakresie 2 do 32MHz, podczas gdy częstotliwość sieci energetycznej wynosi 50 lub 60Hz. Cyfrowe dane wielkiej częstotliwości są mniej podatne na skoki napięcia i fluktuacje w paśmie częstotliwości przemysłowej.

Zaburzenia w sieci energetycznej stanowią główną przeszkodę w używaniu linii elektrycznych do przesyłania danych. Urządzenia EoP muszą zapewniać pewną transmisję nawet, gdy w mieszkaniu użytkownika używa się ściemniacza światła lub suszarki do włosów. Do pokonania zakłóceń w DHS korzysta się z kilku podstawowych technik.

Odporna modulacja

W transmisji przyjętej przez stowarzyszenie UPA przez sieć energetyczną używa się modulacji OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) o 1536 nośnych, z gęstością modulacji od 2 do 10 bitów na podnośną, stosowanej niezależnie do każdej podnośnej.

Zaburzenia w linii elektrycznej mają często charakter serii impulsów, przeważnie bowiem ich źródłem są sporadycznie używane urządzenia domowe, jak miksery, czy mikrofalówki. Aktualna wersja EoP dokonuje estymacji kanału komunikacyjnego, wymieniając dane treningowe pomiędzy nadajnikami i odbiornikami. Estymacja kanału informuje urządzenia EoP o najbardziej zakłóconych fragmentach pasma. Po wykryciu zakłóceń nadajniki dokonują adaptywnego wprowadzania bitów, zapewniającego optymalne wykorzystanie widma linii.

Adaptywne wprowadzanie bitów i korekcja błędów

Adaptywne wprowadzanie bitów polega na przystosowywaniu w czasie rzeczywistym parametrów modulacji każdej pary nadajnik-odbiornik do jakościowych parametrów kanału dla każdej nośnej. Dla każdej nośnej jest mierzony stosunek sygnału do szumu i wybierana optymalna modulacja, w celu osiągnięcia maksymalnej szybkości transmisji przy wymaganej stopy błędów (BER). Minimalizuje to interferencje z innymi przyłączonymi urządzeniami.

Zastosowana dodatkowo metoda wyprzedzającej korekcji błędów zapewnia wysyłanie z nadajnika dostatecznej ilości informacji, aby w przypadku spowodowanej zakłóceniami utraty danych, wysłane dane mogły zostać w odbiorniku odzyskane bez konieczności ich retransmisji. Specyfikacja DHS UPA do realizacji wyprzedzającej korekcji błędów wykorzystuje dynamiczne kody Reed-Solomona.

W szerokopasmowej łączności poprzez sieć energetyczną używa się częstotliwości 2 do 32MHz. Częstotliwości te mogą być również używane w komunikacji radiowej, także amatorskiej. Technika EoP stowarzyszenia UPA zapewnia programowalne „okna spektralne”, umożliwiające unikanie niedozwolonych przepisami częstotliwości. W DHS UPA jest stosowana technika, zwana okienkową modulacją OFDM, formująca programowalne wcięcia, z pomijalnym tłumieniem poza częstotliwościami wcięć.

Zapewnienie pasma

Telewizja HD wymaga ogromnego pasma. System musi dostarczać wideo płynnie, nawet w trudnych warunkach, przerywanych zakłóceń, interferencji z pobliskimi obwodami sieciowymi, czy nasycenia danymi niskiego priorytetu.

W DHS osiąga się to poprzez klasyfikację ruchu i scentralizowane zarządzanie pasmem. Technika ta, znana pod nazwą Advanced Dynamic Time Division MAC (ADTDM), jest zoptymalizowana do aplikacji rozprowadzania audio i wideo, w których najważniejsza jest wysoka jakość, rygorystyczne zapewnianie pasma, ścisła priorytyzacja ruchu i QoS. Wszystkie węzły sieci w linii energetycznej mają bezkolizyjny dostęp do kanału zgodnie z rozmaitymi priorytetami obsługi. Priorytety te mogą być dobierane i dopasowywane do różnych aplikacji, danych, VoIP i wideo na żądanie.

W systemie EoP UPA również stosuje się architekturę master-slave, w której jedno z urządzeń EoP w sieci zostaje wybrane nadrzędnym, a pozostałe stają się podrzędnymi. Urządzenie nadrzędne przyznaje czas dostępu do kanału dla innych urządzeń EoP w sieci. Jest to najskuteczniejszy i najprostszy sposób zapewniania przydziału pasma dla różnych rodzajów ruchu w sieci.

Inne sposoby realizacji EoP

Istnieje wiele rodzajów techniki transmisji danych cyfrowych przez sieć energetyczną. Są to na przykład UPA, HD-PLC, HomePlug 1.0, Home Plug 1.0 Turbo i Home Plug AV. Podstawowymi czynnikami, które należy brać pod uwagę przy wyborze techniki EoP są gównie parametry związane z transmisją jak też dojrzałość technologiczna rozwiązania.

Do rozprowadzania wideo w domu szybkość przenoszenia danych powinna wynosić co najmniej 150Mb/s. UPA, HD-PLC i HomePlug AV zapewniają 200Mb/s. Starsze techniki HomePlug 1.0 i HomePlug 1.0 Turbo odpowiednio 14Mb/s i 85Mb/s co może być wartością zbyt niską. Chipsety UPA 200Mb/s rozeszły się w liczbie ponad miliona sztuk od zainaugurowania tej techniki w roku 2004. Technika ta została zastosowana przez dostawców usług telekomunikacyjnych w Europie, co świadczy o jej zdolności utrzymywania się na rynku. Technika Home Plug wystartowała trzy lata po DHS UPA. Chipsety HomePlug AV są obecnie wypróbowywane w urządzeniach zapowiadanych na początek roku 2007.

Zakończenie

Przydatność techniki EoP została pomyślnie sprawdzona w masowo rozpowszechnionych produktach konsumenckich w Europie i gdzie indziej. Dla użytkownika sieć energetyczna jest zdecydowanie najtańszym i najwygodniejszym szeroko pasmowym domowym medium, dostarczającym sygnały do każdego urządzenia i każdego pomieszczenia. Pozostaje tylko obserwować, która z współzawodniczących technik, zapewniających co najmniej 150Mb/s, zwycięży w wyścigu o dominację na rynku. (KKP)