Cześć, od bardzo dawna sieć energetyczna służy do transmisji, miałeś szczęście że udało Ci natrafić sygnał (posiadasz niezły sprzęt), można połowę świata połączyć ze sobą przy wolnych transmisjach, im niższa częstotliwość nośnej tym dalej dotrze ze względu na transformatory, które tu akurat są jak tłumik/dławik, więcej informacji znajdziesz w sieci: https://www.google.com/search?client=firefox-b-d&q=transmisja+po+sieci+energetycznej Lub w Google wpisz transmisja po sieci energetycznej. Pozdrawiam.
Jacek STĘPIEŃ1, Jacek KOŁODZIEJ1, Witold MACHOWSKI1, Adam TARNAWSKI2
1
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza imienia Stanisława Staszica w Krakowie, Katedra Elektroniki
2
Zakład Systemów Komputerowych Sp. z o.o., Kraków
doi:10.15199/48.2017.12.56
Przegląd protokołów wąskopasmowej transmisji danych po
liniach energetycznych
Streszczenie. W artykule przedstawiono trzy podstawowe standardy wąskopasmowej transmisji danych (ang. Narrowband Transmission)
wykorzystywane do odczytu danych z inteligentnych liczników energii elektrycznej, dla których medium transmisyjnym są linie energetyczne niskiego
napięcia. Omówiono zalecenia implementacyjne warstw fizycznej i łącza danych, ze szczególnym uwzględnieniem wykorzystywanych technik
modulacji i kodowania kanałowego.
Abstract. The paper presents three fundamental standards of narrowband transmission used for smart meters readout using low voltage power
lines as a transmission medium. The recommendations for the physical layer and media access layer with a special emphasis on modulation and
channel coding techniques are discussed. A review of narrowband powerline data transmission protocols
Słowa kluczowe: Transmisja danych po liniach energetycznych, PLC, modulacja OFDM, protokół PRIME, G3-PLC, OSGP.
Keywords: Power Line Communication, OFDM modulation, PRIME protocol, G3-PLC, OSGP
Wprowadzenie
Komunikacja pomiędzy koncentratorem umiejscowionym w stacji SN/nn, a urządzeniem „końcowym”
(inteligentnym licznikiem energii elektrycznej) realizowana
może być przy wykorzystaniu różnorodnych technologii
transmisji danych. Jedną z możliwych do wykorzystania jest
technologia PLC (ang. Power Line Communications),
wykorzystująca
jako
medium
transmisyjne
linie
energetyczne. Zastosowanie tego typu technologii w
znacznym stopniu upraszcza proces wprowadzania
systemów inteligentnego opomiarowania, a wykorzystanie
już istniejącej infrastruktury kablowej dla potrzeb realizacji
transmisji, znacznie obniża koszty wdrożenia.
Wiele firm i instytucji zrzeszających producentów oferuje
obecnie urządzenia do transmisji danych po liniach
energetycznych. Należą do nich min.:
PRIME Alliance (Intelligent Metering Evolution
Powerline),
G3-PLC Alliance,
OSGP Alliance (Open Smart Grid Protocol),
Energy Services Association Network (ESNA),
Meters And More Open Technologies,
HD-PLC Alliance.
Praktycznie każda z tych firm oferuje swoje własne
urządzenia transmisyjne, niekompatybilne z urządzeniami
pozostałych producentów. Wszystkie one bazują jednak na
takich samych technikach bezpośredniego sterowania
kanałem transmisyjnym (tak zwana warstwa fizyczna
procesu transmisji) wynikających z narzuconych przez
normę europejską EN 50065 reguł. Norma zakłada, że
transmisja sygnałów po sieciach energetycznych niskiego
napięcia realizowana może być w zakresie częstotliwości
od 3kHz do 148,5kHz. Pasmo to podzielone jest na
następujące podpasma:
A (3-95kHz) - przeznaczone dla dostawców energii
elektrycznej,
B, C i D przeznaczone dla komunikacji publicznej,
zgodnie z regułami:
o B (95-125kHz) - przeznaczone dla dowolnych
protokołów,
o C (125-140 kHz), w którym wymagane są protokoły
zgodne z CSMA (ang. Carrier Sense Multiple
Access),D (140-148,5 kHz) przeznaczone dla
dowolnych protokołów. [1][2]
Oznacza to, że w systemach inteligentnego opomiarowania,
wykorzystywane jest (przez dostawców energii elektrycznej)
dla potrzeb automatycznego odczytu liczników energii
pasmo 3-95kHz. Niestety producenci sprzętu wykorzystują
do realizacji procesu transmisji różne podpasma
częstotliwościowe, zróżnicowane techniki modulacji i
niekompatybilne protokoły transmisyjne.
Protokół PRIME
Protokół PRIME (ang. PowerLine Intelligent Metering
Evolution) definiuje zalecenia implementacji warstwy
fizycznej i MAC oraz warstwy konwergencji, zapewniającej
optymalne współdziałanie aplikacji użytkownika i protokołu
transmisyjnego (Rys. 1). Jest protokołem otwartym,
umożliwiającym
współdziałanie
urządzeń
różnych
producentów. [3]
Rys.1. Struktura warstw protokołu PRIME
W warstwie fizycznej bazuje na modulacji OFDM
(ang. Orthogonal Frequency Division Multiplexing), w
paśmie zgodnym z normą CENELEC-A i pozwala na
realizację transmisji z maksymalną prędkością 10kbps.
PRIME jest systemem łączącym w jedną całość podsieci,
zawierające urządzenia połączone w topologii drzewa. W
podsieci zainstalowane są dwa rodzaje węzłów:
bazowy,
serwisowe.
Węzeł bazowy jest głównym elementem podsieci.
Zarządza komunikacją z węzłami serwisowymi i stanowi
bramę wyjściową do systemu nadrzędnego. Komunikacja z
węzłami serwisowymi odbywa się w trybie Master–Slave,
węzeł bazowy inicjuje każdą transmisję. Odpowiedzialny
jest również za konstruowanie podsieci. Początkowo (po
inicjalizacji) stanowi jej jedyny element, stopniowo
rozsyłając zaproszenia i przyłączając do sieci kolejne węzły
serwisowe poszerza jej strukturę. W każdej podsieci może
funkcjonować tylko jeden węzeł bazowy.
Węzły serwisowe stanowią rozproszone zasoby sieci
i mogą znajdować się w jednym z trzech trybów pracy:
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 93 NR 12/2017
227
odłączenia – węzeł nie realizuje żadnej transmisji
danych, poszukuje sieci znajdującej się w jego zasięgu
i próbuje się do niej dołączyć,
terminala - węzeł może przekazywać swoje dane do
sieci,
przełącznika (ang. switch) – węzeł wysyła do sieci swoje
dane, ponadto przekazuje do sieci dane otrzymane od
innych węzłów.[3..5]
Warstwa fizyczna
W warstwie fizycznej protokołu, w celu uzyskania wysokiej
niezawodności transmisji a jednocześnie prostoty
implementacji i niskich kosztów wdrożenia, PRIME
posługuje się adaptacyjną modulacją ortogonalną (OFDM),
kodowaniem konwolucyjnym oraz przeplataniem bitów.
Schemat blokowy układu nadajnika warstwy fizycznej
przedstawia Rys. 2.
Bezpośrednio po preambule transmitowane są dwa
symbole OFDM (każdy kodowany na 84 podnośnych),
przenoszące informację o 13 częstotliwościach pilotowych.
Format ramki przedstawiony został na Rys. 4.
Rys.3. Struktura ramki warstwy fizycznej protokołu PRIME
Rys.4. Format nagłówka i pola danych ramki warstwy fizycznej
Rys.2. Schemat blokowy nadajnika protokołu PRIME
Pasmo częstotliwości wykorzystywane w protokole
PRIME obejmuje zakres 41992.1875 – 888867.1875Hz
(zgodne z zaleceniem normy EN 50065) i zostało
podzielone
na
97
kanałów
transmisyjnych
(96
wykorzystywane jest do transmisji danych, w jednym
transmitowana jest częstotliwość odniesienia – pilot), z
odstępem międzykanałowym równym 488.28125Hz.
Kodowanie konwolucyjne jest opcjonalne i może zostać
wyłączone z poziomu aplikacji użytkownika. Jeśli jest
włączone, wykorzystywany jest prosty (nie-rekursywny, niesystematyczny) koder splotowy o sprawności 1/2 i długości
k=7. Po zakodowaniu dane poddawane są przeplotowi
(wykorzystywane są trzy różne scenariusze przeplotu).
Niezależnie od kodowania dane poddawane są zawsze
procesowi
skramblowania
(randomizacji
strumienia
bitowego), w celu wyeliminowania sekwencji jednakowych
bitów (ma to istotne znaczenie w zmniejszeniu
maksymalnej mocy sygnału na wyjściu modulatora).[4]
Charakterystyczną cechą transmisji danych w liniach
energetycznych
jest
różnorodność
parametrów
charakteryzujących każdą linię transmisyjną (różne
charakterystyki amplitudowe i fazowe odpowiedzi
impulsowej). PRIME stara się zoptymalizować proces
transmisji, stosując adaptację procedur modulacji do
bieżących warunków transmisji. W drodze eksperymentów
z różnymi technikami modulacji wyselekcjonowano trzy,
których parametry pozwalają na bezpieczne wykorzystanie
w transmisjach po liniach energetycznych. Wszystkie trzy
wykorzystują mechanizmy różnicowe, które okazały się
efektywniejsze niż zwykłe modulacje. Parametry modulacji
przedstawia Tabela 1.
Tabela 1. Parametry warstwy fizycznej protokołu PRIME
DBPSK
DQPSK
D8PSK
Kodowanie
konwolucyjne
On
Off
On
Off
On
Off
Liczba bitów
w podpaśmie
0.5
1
1
2
1.5
3
Liczba bitów
w symbolu OFDM
48
96
96
192
144
288
21.4
42.9
42.9
85.7
64.3
128.6
Prędkość bitowa
transmisji (kbps)
Każda transmisja rozpoczyna się od preambuły
(niekodowanej), po niej transmitowana jest ramka, na którą
składają się: część nagłówkowa i pole danych (Rys. 3).
228
Nagłówek rozpoczyna pole protokołu (Prot), w którym
zawarta jest informacja o wykorzystywanym mechanizmie
kodowania i modulacji. Warto nadmienić, iż mechanizmy
kodowania adaptowane są dynamicznie do aktualnego
stanu kanału transmisyjnego (opisywanego przez poziom
stopy błędu). Pole długości (LEN) zwiera informację o
liczbie symboli OFDM transmitowanych w ramce
(maksymalnie wynosić ona może 63 symbole). PAD_LEN
informuje o długości pola PAD, wykorzystywanego do
uzupełnienia ramki, jeśli ostatni kodowany symbol OFDM
jest niepełny. W polu MPDU transmitowana jest pierwsza
część danych. Nagłówek uzupełnia suma kontrolna
nagłówka,
liczona
przy
wykorzystaniu
algorytmu
wielomianowego (CRC), pole FL_1 zawierające bity
wykorzystywane przy dekodowaniu splotowym oraz pole
PAD_H będące uzupełnieniem nagłówka o sekwencję bitów
niezbędną dla poprawnego zakodowania w symbolu
OFDM. Pole danych, poza samymi danymi użytkownika
(MSDU) zawiera bity FL_2 wykorzystywane przy
dekodowaniu konwolucyjnym oraz bity uzupełnienia
(PAD).[5]
Warstwa MAC
W warstwie drugiej zdefiniowane zostały zasady
komunikacji bezpośredniej pomiędzy urządzeniami sieci.
Każdy z węzłów rozpoznawany jest przez unikalny
48 bitowy adres fizyczny (MAC). Adres ten jest jednakże
wykorzystywany wyłącznie podczas procesu rejestracji
węzła w sieci. W trakcie procesu rejestracji węzeł
przyłączany otrzymuje od węzła bazowego 14 bitowy
identyfikator (ang. Local Node Identifier – LNID), który
wykorzystywany jest do komunikacji gdy węzeł pracuje w
trybie terminala. Węzłom pracującym w trybie przełącznika
zostaje nadany (przez węzeł bazowy) dodatkowy 8 bitowy
identyfikator switcha (SID).
Ponieważ w każdej sieci występuje jeden węzeł bazowy,
jego adres MAC jest jednocześnie identyfikatorem danej
podsieci (ang. Subnetwork Address – SNA).
Ponadto po ustanowieniu połączenia, ustalany jest jego
9 bitowy identyfikator (ang. Local Connection Identifier –
LCID). Strukturę systemu adresowania przedstawia Rys. 5.
Połączenie identyfikatorów SID i LNID jednoznacznie
identyfikuje węzeł w strukturze podsieci (a właściwie węzeł i
przełącznik pośredniczący w transmisji, czyli ścieżkę
dostępu do węzła bazowego), podobnie jak kombinacja
SID+LNID+LCID identyfikuje sesję komunikacyjną węzła
bazowego i serwisowego. W sieci wykorzystywane są
ponadto adresowanie grupowe i rozgłoszeniowe.
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 93 NR 12/2017
Rys.5. Adresowanie w protokole PRIME
Do każdego węzła serwisowego przypisany jest
zdefiniowany poziom w topologii sieci. Poziom zerowy
zarezerwowany jest dla urządzeń komunikujących się
bezpośrednio z węzłem bazowym, poziom 1 dla węzłów
które komunikują się z węzłem bazowym za pośrednictwem
jednego przełącznika itd.
Węzeł bazowy odpowiedzialny jest za ukonstytuowanie
struktury sieciowej oraz nadzorowanie poprawności jej
pracy. Do jego zadań należą:
realizacja transmisji rozgłoszeniowych, do których
należy przede wszystkim rozgłaszanie ramki Beacon,
zarządzanie procesami zmiany trybu pracy węzłów
serwisowych (z terminala na przełącznik i odwrotnie),
przeprowadzanie procesu rejestracji nowych węzłów
serwisowych,
zarządzanie dostępem do kanału transmisyjnego,
dystrybucja
sekwencji
kodującej
dla
procesu
szyfrowania,
zarządzanie grupami multicast.
Proces transmisji danych w protokole PRIME
realizowany jest w inicjowanych ramką Beacon szczelinach
czasowych (Rys. 6). Beacon generowany jest przez węzeł
bazowy i rozsyłany rozgłoszeniowo do wszystkich węzłów
serwisowych w sieci. Po jego odebraniu stacje mogą
przystąpić do rywalizacji o dostęp do kanału transmisyjnego
(zgodnie z mechanizmem CSMA/CA) w okresie SCP (ang.
Shared Contention Period), w którym wszystkie węzły mają
równe prawo do nadawania. Po okresie SCP może (ale nie
musi) wystąpić okres CFP (ang. Cotention Free Period) w
którym nadawać może wyłącznie jeden węzeł serwisowy,
pod warunkiem, że we wcześniejszych ramkach
zarezerwował w węźle bazowym prawo do transmisji
bezkolizyjnej. Informacje o długości poszczególnych
okresów transmisyjnych przekazywane są do wszystkich
węzłów sieci w ramce Beacon.
Rys. 6. Struktura szczeliny czasowej w warstwie MAC
Struktura sieci PRIME jest strukturą drzewiastą,
transmisja pomiędzy węzłem serwisowym a węzłem
bazowym może być realizowana za pośrednictwem węzłów
pośredniczących – przełączników. Każdy z nich poza
przekazywaniem danych z/do węzłów serwisowych
realizuje ponadto dodatkowe funkcje utrzymaniowe,
polegające na cyklicznym rozsyłaniu ramek Beacon w celu
zainicjowanie procesu rejestracji węzłów oczekujących na
przyłączenie, zapewnienia synchronizacji węzłom już
przyłączonym oraz transmisji informacji kontrolnosterujących do węzłów.
Protokół oferuje również możliwość retransmisji
utraconych ramek. Nie jest to wymagane obligatoryjnie ale
w węzłach może zostać zaimplementowany mechanizm
selektywnego powtarzania (ang. Selective Repeat ARQ). W
warstwie danych wykorzystywane są ramki różnego
formatu, zależnego od ich przeznaczenia. Należą do nich:
ramka ogólnego przeznaczenia (ang. Generic MAC
PDU) – wykorzystywana zarówno do transmisji
kontrolnych jak i transmisji danych; może składać się z
pojedynczego
nagłówka
i
sekwencji
pakietów
(agregacja),
ramka Beacon - inicjująca każdą szczelinę transmisyjną,
ramka „promująca” (ang. promotion) – generowana
przez węzeł serwisowy w trybie rozgłoszeniowym, w
momencie gdy utraci synchronizację z siecią (nie
odbierze w określonym interwale czasowym ramki
Beacon). [5][9][10]
Protokół G3-PLC
Standard G3-PLC podobnie jak protokół PRIME
definiuje zalecenia dotyczące implementacji warstw:
fizycznej, MAC i konwergencji. Ponadto, ponieważ należy
do grupy protokołów wykorzystywanych przy zdalnym
odczycie liczników energii, musi spełniać również dyrektywy
zawarte w normie CENELEC A. Schemat blokowy układu
nadajnika protokołu G3-PLC przedstawia Rys. 7. [6]
Rys.7. Struktura warstwy fizycznej protokołu G3-PLC
Warstwa fizyczna
W warstwie fizycznej protokołu implementowane są dwa
bloki funkcjonalne:
Koder FEC – obejmujący kilkuetapowe kodowanie
nadmiarowe zabezpieczające transmitowane dane,
Modulator OFDM – który wykorzystując różne
mechanizmy kodowania kanałowego, realizuje proces
modulacji ortogonalnej nadawanego sygnału.
Proces kodowanie nadmiarowego rozpoczyna się od
operacji skramblowania (randomizacji) strumienia bitowego,
pozwalającej nadać sekwencji transmisyjnej pseudolosowy
charakter, eliminujący ciągi jednakowych symboli w
strumieniu danych. Dane kodowane są następnie przy
wykorzystaniu kolejno:
kodera Reed-Solomona - koder systematyczny
wykorzystujący pole Galiosa (GF=28), o całkowitej
liczbie transmitowanych symboli N=255 i zróżnicowanej
w zależności od trybu pracy liczbie symboli danych K i
symboli korekcyjnych T (K=239, T=8 dla trybu
normalnego; K=247, T=4 dla trybu ‘robust’).
kodera splotowego (identyczny jak w poprzednio
omawianym protokole PRIME).
Przed operacją przeplotu część danych poddawana jest
dodatkowemu procesowi kodowania, zależnemu od trybu
pracy:
w trybie stabilnym (‘robust’) – bity pola danych ramki
powielane są czterokrotnie,
w trybie super stabilnym (‘super robust’) - bity kontrolne
nagłówka ramki powielane są sześciokrotnie.
W protokole wykorzystywany jest przeplot blokowy,
zaprojektowany tak, aby stanowić ochronę zarówno przed
zakłóceniami impulsowymi, uszkadzającymi pojedyncze
symbole OFDM jak również „zanikaniem częstotliwości”
powodującym uszkodzenie dużej sekwencji symboli.
Proces modulacji OFDM jest kilkuetapowy. Pierwszą
operacją jest mapowanie. Dla każdej nośnej dane modulowane są za pomocą modulacji DBPSK, DQPSK lub
D8PSK. W procesie modulacji wykorzystywane są ponadto
informacje o możliwościach transmisji w każdym z sub-
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 93 NR 12/2017
229
kanałów częstotliwościowych, dostarczane z warstwy MAC.
Definiują one zakres i liczbę częstotliwości nośnych wykorzystywanych w systemie - statyczne parametry kanałów
transmisyjnych (ang. Tone Map) oraz parametry adaptacyjne (ang. Tone Mask), definiujące które nośne wykorzystane maja być na potrzeby danej komunikacji między dwoma modemami. Dzięki temu można np. wyłączyć z transmisji kanały, w których występują głębokie zaniki sygnału.
Po zmodulowaniu, dane poddawane są preemfazie,
realizującej
kształtowanie
sygnału
w
dziedzinie
częstotliwości, za pomocą rzeczywistego filtru (128
adaptacyjnie określonych współczynników). Ma to
zapewnić kompensację tłumienia sygnału podczas
transmisji przez linię elektroenergetyczną.
Sygnał wyjściowy z modulatora OFDM generowany jest
za pomocą 256-punktowej odwrotnej transformaty Fouriera
(ang. Inverse Fast Fourier Transform - IFFT). Generowany
jest
na
bazie
części
rzeczywistej
obliczonych
współczynników transformacji, uzupełnionych 30 bitami
prefiksu cyklicznego (ostatnie 30 wartości współczynników
IFFT jest kopiowane i umieszczane na początku symbolu)
(Rys. 8).
Rys.8. Mechanizm wyznaczania współczynników transformacji
IFFT
Ostatnim procesem realizowanym w bloku modulatora
jest okienkowanie. W celu zminimalizowania emisji
zewnątrzkanałowej i zmniejszenia amplitudy prążków
bocznych
każdy symbol OFDM kształtowany jest za
pomocą funkcji okienkowej (ang. Raised Cosine Window).
W zależności od typu modulacji możliwe jest uzyskanie
różnych przepustowości systemu. Tabela 2 zawiera
zebrane informacje dotyczące parametrów wersji fizycznej
protokołu.[7]
Tabela 2. Prędkości transmisji danych protokołu G3-PLC
Liczba symboli
OFDM
12
20
32
40
52
56
112
DBPSK
DQPSK
D8PSK
4,6
8,6
12,3
14,0
15,9
16,4
20,4
13,5
20,6
27,3
30,4
33,9
34,7
-
23,2
33,7
43,5
-
Warstwa MAC
Specyfikacja warstwy MAC dla protokołu G3-PLC oparta
jest na zaleceniach zawartych w standardzie IEEE
802.15.4-2006, zdefiniowanych dla bezprzewodowych sieci
personalnych (ang. Wireless Personal Area Networks WPAN). Standard ten zakłada możliwość transmisji danych
w dwóch trybach: bez rywalizacji, w dedykowanych
szczelinach czasowych inicjowanych przesłaniem ramki
Becon oraz rywalizacyjnym, w którym stacje we wspólnym
okresie czasu rywalizują o prawo transmisji. W protokole
G3-PLC wykorzystywany jest wyłącznie rywalizacyjny tryb
transmisji
danych,
w
szczególnych
przypadkach
(wyszukiwania węzłów sąsiednich), na żądanie rozsyłana
jest ramka Beacon, traktowana w tym przypadku jak ramka
informacyjna, dostarczająca informacji o identyfikatorze
sieci, adresie koordynatora sieci itp.
Najprostsza sieć ma strukturę gwiazdy (ang. star
topology), w której centralnym elementem jest urządzenie
koordynujące (ang. coordinator), zarządzające pracą sieci i
nadzorujące proces dołączania/odłączania nowych urządzeń. W bardziej złożonych strukturach sieć ma topologię
drzewa (ang. star tree). Poza węzłem koordynującym i
urządzeniami końcowymi występują wtedy w niej również
rutery realizujące proces retransmisji danych.
Urządzenia mogą transmitować dane w trybie z
potwierdzeniami lub bez potwierdzeń. Jeśli wybrany jest
tryb transmisji z potwierdzeniami urządzenie odbiorcze
zobowiązane jest do wysłania specjalnej ramki
pozytywnego potwierdzenia (ACK) jeśli odebrało poprawne
dane lub potwierdzenia negatywnego (NACK), w momencie
gdy odebrało dane ale były one uszkodzone.
Metoda dostępu do kanału bazuje na mechanizmie
CSMA/CA (ang. Carrier Sense Multiple Access wit Collision
Avoidance) z wykorzystaniem losowego opóźniania
transmisji (ang. Back-off), minimalizującym prawdopodobieństwo kolizji pomiędzy wytransmitowanymi w tym samym okresie czasu ramkami. Węzeł przed rozpoczęciem
transmisji sprawdza stan zajętości kanału. Jeśli kanał jest
zajęty (trwa transmisja), czeka na jego zwolnienie. Rywalizacja o prawo do transmisji rozpoczyna się po wykryciu
zwolnienia kanału i upływie zdefiniowanego w protokole
interwału czasowego (ang. Contention Inter-Frame Space CIFS). Węzeł losuje czas opóźnienia i sprawdza czy przed
jego upływem jakiś inny węzeł nie rozpoczął transmisji. Jeśli
nie, rozpoczyna nadawanie. W celu zapewnienia
natychmiastowego dostarczenia potwierdzeń (w trybie
transmisji z potwierdzeniami) węzeł, który odebrał dane
(odbiorca) wysyła potwierdzenie po czasie RIFS (ang.
Response Inter-Frame Space), krótszym od CIFS.
Mechanizmy dostępu do kanału przedstawiono na Rys. 10.
Transmitowane dane formowane są w ramki warstwy
fizycznej, których strukturę pokazano na Rys. 9.
Rys. 9. Struktura ramki warstwy fizycznej protokołu G3-PLC
Rys.10. Proces transmisji w sieci G3-PLC:
a) w trybie bez potwierdzeń; b) z potwierdzeniami
Każda ramka rozpoczyna się od preambuły,
wykorzystywanej do synchronizacji urządzeń oraz
dopasowania poziomu wzmocnienia sygnału (ang.
Automatic Gain Control). Kolejno transmitowane są
sekwencje informacyjne FChn (ang. Frame Control
Header), zawierające informacje niezbędne w procesie
demodulacji ramki (dla każdej nośnej oddzielnie),
przedzielone sekwencjami ochronnymi (ang. Guard Interval
- GI) zawierającymi prefiks cykliczny.
Dodatkowo w protokole wprowadzono system
priorytetyzacji, pozwalający na transmisję danych w trybie
uprzywilejowanym (Rys. 11). Okno transmisyjne podzielone
zostało na trzy części:
bez rywalizacji (ang. Contention Free Slot), w którym
stacja przesyłająca dane w trybie uprzywielejowanym
we wcześniejszej ramce, wysyła drugą ich część
dla transmisji z wysokim priorytetem (ang. High Priority),
dla transmisji standardowych (ang. Normal Priority).
230
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 93 NR 12/2017
Urządzenia nadające w trybie uprzywilejowanym
rywalizują o prawo transmisji (z wykorzystaniem
standardowego algorytmu back-off) po skończeniu czasu
CFP, pozostałe rozpoczynają proces rywalizacji dopiero po
zakończeniu okresu uprzywilejowanego.
Rys.11. System priorytetów protokołu G3-PLC
Urządzenia przesyłają ramki przy wykorzystaniu
64 bitowego adresu rozszerzonego (ang. Extended
Address),
który
jest
rozszerzeniem
unikatowego
48 bitowego identyfikatora urządzenia (EUI-48), nadanego
przez producenta lub krótkiego 16 bitowego, który może
być nadany przez operatora. Dane formowane są w ramki,
których format przedstawia Rys. 12.
Rys.12. Ramka MAC protokołu G3-PLC
Ramkę rozpoczyna segment kontrolny zawierający
informacje o priorytecie oraz dane kontrolne dla warstwy
fizycznej (żądanie parametrów Tone Map). W polu
kontrolnym ramki przesyłana jest informacja o jej typie
(dane, żądanie Beacon’a, Tone Map). Numer zawiera
kolejny numer sekwencyjny, wykorzystywany przy
składaniu dłuższych wiadomości oraz w procedurach
potwierdzeń. Identyfikator PAN i adres jednoznacznie
identyfikują węzeł docelowy i źródłowy. Nagłówek
pomocniczy zawiera dane wykorzystywane w procesie
szyfrowania. Ramka zabezpieczona jest wielomianową
sumą kontrolną CRC. [6—10]
Protokół OSGP
OSGP (ang. Open Smart Grid Protocol) należy do grupy
protokołów
otwartych,
definiujących
mechanizmy
powalające na implementację nie tylko procesów zdalnego
odczytu wskazań liczników energii elektrycznej (ang. Smart
Metering) ale również stworzenie całej gamy innych multiaplikacji przeznaczonych dla infrastruktury Smart Grid. Z
założenia standard w zupełnie inny sposób niż poprzednio
omawiane protokoły podchodzi do definicji " inteligentnego
opomiarowania " , zakładając, że nie chodzi w nim wyłącznie
o odczyt liczników energii. Smart Grid to infrastruktura
energetyczna, która może zawierać tysiące urządzeń i
systemów, komunikujących się ze sobą i wykorzystujących
w różnorodnych celach wskazania liczników energii.
Inteligentny system wspierający zarządzanie siecią
energetyczną,
oferujący szczegółowe informacje o
użytkowniku, zapotrzebowaniu na energię, czy jej zużyciu
ma pozwolić na precyzyjne zarządzania zasobami
energetycznymi całej infrastruktury, minimalizując np. skutki
awarii czy równoważąc obciążenie źródeł energetycznych.
Z tego powodu standard bardzo rozlegle i szczegółowo
definiuje najnowocześniejsze mechanizmy wsparcia dla
warstwy
aplikacji,
systemów
zarządzania
czy
bezpieczeństwa transmisji. Procedury i zasady realizacji
transmisji bezpośredniej (warstwy I i II) są znacznie mniej
rozbudowane, zakładając zdefiniowanie podstawowych
założeń i stawiając na elastyczność protokołu warstw
wyższych, który powinien działać niezależnie od wyboru
protokołu warstwy fizycznej i MAC.
Założenia standardu w zakresie realizacji transmisji po
liniach
energetycznych
bazują
na
wieloletnich
doświadczeniach firmy Echelon (przede wszystkim w
zakresie automatyki domowej). W warstwie MAC protokół
opiera się na niezależnej od medium transmisyjnego normie
ISO/IEC 14908. W warstwie fizycznej w chwili obecnej
bazuje na normie ETSI TS103908 opracowanej dla potrzeb
transmisji „użytkownika” (czyli w pasmach CENELEC
B,C,D) i zaadaptowanej do pasma przeznaczonego dla
inteligentnych systemów pomiarowych (CENELEC A). [11]
Warstwa fizyczna
W odróżnieniu od poprzednio przedstawianych
standardów protokół OSGP (w obecnej chwili) wykorzystuje
do transmisji w warstwie fizycznej znacznie prostszą
metodę modulacji. Dane kodowane są wstępnie przy
wykorzystaniu opatentowanego algorytmu kodowania
nadmiarowego,
charakteryzującego
się
wysoką
efektywnością eliminacji skutków zakłóceń impulsowych, a
jednocześnie niewielką nadmiarowością (maksymalnie 30%
bitów nadmiarowych), zwiększającą efektywną prędkość
transmisji danych użytkowych (ang. Low-Overhead FEC).
W procesie kodowania wykorzystywane są zaawansowane
algorytmy cyfrowego przetwarzania sygnałów, redukcji
szumów i korekcji zniekształceń. Dzięki nim system
charakteryzuje się wysoką odpornością na zakłócenia
impulsowe i ciągłe oraz zniekształcenia fazowe.
W procesie bezpośredniej transmisji dane kodowane są
wstępnie koderem NRZ (ang. Non-Return to Zero) a
następnie modulowane przy wykorzystaniu modulacji BPSK
i nadawane na jednej z dwóch częstotliwości nośnych:
podstawowej, dla której fn=86kHz,
dodatkowej o fn=75kHz.
Jeśli transmisja przebiega w sposób niezakłócony (np. w
trybie z potwierdzeniami odbierane są poprawne ramki
ACK) wykorzystywana jest wyłącznie częstotliwość
podstawowa. Jeśli dane nie zostaną dostarczone
poprawnie możliwe jest wykorzystanie częstotliwości
dodatkowej. Standard ogranicza liczbę powtórzeń do trzech
(czyli w sumie urządzenie może czterokrotnie próbować
nadać ramkę), przy czym pierwsza retransmisja powinna
zostać przeprowadzona z wykorzystaniem częstotliwości
podstawowej a dopiero ostatnie dwie przy wykorzystaniu
częstotliwości dodatkowej.
Osiągana prędkość bitowa transmisji wynosi 3,24kbps,
co przy uwzględnieniu narzutu protokołowego pozwala na
uzyskanie efektywnej prędkości transmisji danych użytkownika równej 2,36kbps (około 15ramek/sekundę). [11][12].
Warstwa MAC
W warstwie MAC protokół OSGP wykorzystuje
mechanizmy zdefiniowane w protokole LonWorks, który
posługuje się algorytmem CSMA z dostępem do kanału
transmisyjnego z naleganiem typu p (ang. p-persistent
CSMA).
Urządzenie
transmisyjne,
które
wykryło
zakończenie
wcześniejszej
transmisji,
rozpoczyna
nadawanie po losowe wybranym przedziale czasu, co
zmniejsza liczbę kolizji w systemie (Rys. 13). W protokole
wykorzystuje się co najmniej 16 różnych czasów opóźnień
(Beta 2). Liczba wykorzystywanych w procesie randomizacji
wartości Beta 2 jest dynamicznie dopasowywana do
aktualnych parametrów linii transmisyjnej (może zmieniać
się w zakresie 16-1008), dzięki temu minimalizowane są
opóźnienia procesu transmisji danych.
W
celu
zapewnienia
minimalnego
odstępu
międzyramkowego (ang. Inter Frame Gap – IFG) dla każdej
sieci definiowany jest odcinek czasu Beta 1, którego
wartość zależna jest od liczby węzłów i rozpiętości sieci.
Protokół zakłada ponadto możliwość wprowadzenia
systemu priorytetów (poziom priorytetu wybierany jest z
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 93 NR 12/2017
231
zakresu 0-127). Jeśli urządzenie ma przydzielony
niezerowy priorytet może (ale nie musi) rozpocząć
transmisję bez procedury pseudolosowego opóźnienia, w
przydzielonym slocie czasowym.
Beta 1 Priorytetyzacja
Beta 2
(losowy)
Ramka
1
2
3
n
16-1008
Ramka
Rys.13. Mechanizm dostępu do kanału w protokole OSGP
Dane transmitowane są do indywidualnego odbiorcy,
grupy urządzeń lub rozgłoszeniowo do wszystkich. Każde
urządzenie posiada:
adres fizyczny - unikatowy, 48 bitowy identyfikator
przypisany przez producenta (Neuron ID),
adres
urządzenia
–
przydzielany
każdemu
użytkownikowi w momencie rejestracji w sieci,
zawierający identyfikator domeny, identyfikator podsieci
i identyfikator węzła.
Ponadto urządzenie powinno rozpoznawać i odbierać dane
przesłane z wykorzystaniem adresacji rozgłoszeniowej
(wszystkie urządzenia w sieci lub domenie), oraz grupowej
(do 64 zgrupowanych użytkowników w jednej domenie).
Protokół umożliwia przesłanie ramek w trzech trybach:
z potwierdzeniami – dane wysyłane są do jednego lub
grupy węzłów, kolejna transmisja możliwa jest po
odebraniu potwierdzenia od wszystkich adresatów,
z powtórzeniami - ramka nie jest potwierdzana ale
węzeł
źródłowy
w
celu
zwiększenia
prawdopodobieństwa
poprawnego
dostarczenia
wiadomości wywyła ja kilkukrotnie (najczęściej
wykorzystywany tryb),
bez potwierdzeń – ramka wysyłana jest raz i węzeł
źródłowy nie oczekuje na potwierdzenia.
Struktura sieci może być bardzo rozbudowana. Pojedyncza
domena może zawierać do 32385 urządzeń podzielonych
na 256 grup, z których każda może zawierać do 64 urządzeń lub zostać podzielona na maksymalnie 255 podsieci,
w każdej z nich może pracować do 127 urządzeń. [13,14]
Podsumowanie
Linie energetyczne są bardzo specyficznymi kanałami
transmisyjnymi. Charakterystyka kanału i jego bieżące
parametry zależą w istotny spośób od wykorzystywanego
pasma częstotliwości, zmieniających się w czasie
właściwości linii i typu urządzeń nadawczo/odbiorczych.
Ponadto linia energetyczna jest bardzo selektywnym
kanałem częstotliwościowym. Oprócz szumu tła, często
występują w niej zakłócenia impulsowe (będące pochodną
częstotliwości podstawowej 50Hz „sygnału” energetycznego
lub pochodzące z odbiorników energii elektrycznej
podłączonych do linii) oraz stosunkowo duże opóźnienia
grupowe, sięgające kilkuset mikrosekund.
Aby podwyższyć odporność systemu transmisyjnego na
zakłócenia,
większość
protokołów
inteligentnego
opomiarowania wykorzystuje do transmisji modulację
OFDM. Dzięki zaawansowanym technikom modulacji i
kodowania kanałowego możliwe jest efektywniejsze
wykorzystanie
ograniczonej
przepustowości
kanału
(narzucone przez normę CENELEC A) i realizacja stabilnej
i niezwodnej transmisji danych w linii elektroenergetycznej.
Główną zaletą modulacji OFDM w stosunku do
systemów wykorzystujących modulacje z pojedynczą nośną
jest jej zdolność do realizacji procesu transmisji
adaptującego się do zmiennych parametrów kanału
transmisyjnego (w zmiennych warunkach zaszumienia
kanału transmisyjnego). Wykorzystanie tej techniki
modulacji pozwala na rozwiązanie kilku podstawowych
232
problemów transmisji po liniach energetycznych:
uproszczenie procedur synchronizacji odbiornika,
podwyższenie odporności na szumy impulsowe,
wynikające z wydłużenia czasu trwania symbolu OFDM,
(szum może uszkodzić jedynie część symbolu w
dziedzinie czasu),
zoptymalizowanie wykorzystania dostępnego kanału
częstotliwościowego.
Protokół OSGP, nie wykorzystujący modulacji OFDM
wywodzi się z systemów automatyki domowej, w których ze
względu na inne pasmo transmisji oraz odmienną specyfikę
toru transmisyjnego, zakłócenia wewnątrzkanałowe są
znacznie mniej istotne. Fakt dostrzegania słabości
wykorzystywanych obecnie technik oraz otwarcia na inne
niż aktualnie stosowane mechanizmy modulacji potwierdza
przyłączenie się organizacji Networked Energy Services,
promującej standard OSGP, do grupy G3-PLC Alliance.
Sugeruje to próbę dążenie do zmiany protokołu warstwy
fizycznej i połączenie zaawansowanych mechanizmów
transmisyjnych
zdefiniowanych
dla
G3-PLC
z
rozbudowanymi mechanizmami warstwy aplikacyjnej
protokołu OSGP.
Podziękowania
Publikacja współfinansowana ze środków przyznanych
na działalność statutową Katedry Elektroniki AGH.
1
1
Autorzy: dr hab. inż. Witold Machowski ; dr inż. Jacek Kołodziej ;
1
2
dr inż. Jacek Stępień , mgr inż. Adam Tarnawski
1
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza imienia Stanisława Staszica w
Krakowie, Katedra Elektroniki, al. Adama Mickiewicza 30, 30-059
Kraków;
e-mail:
Witold.Machowsk@agh.edu.pl;
Jacek.Kolodziej@agh.edu.pl; Jacek.Stepien@agh.edu.pl;
2
Zakład Systemów Komputerowych Sp. z o.o., 30-415 Kraków, ul.
Wadowicka 12; e-mail: Adam.Tarnawski@zsk.krakow.pl
LITERATURA
[1] CENELEC - EN 50065-1, “Signalling on low-voltage electrical
installations in the frequency range 3kHz to 148,5kHz - part 1:
general requirements, frequency bands and electromagnetic
disturbances”
[2] S. Galli and O. Logvinov, “Recent Developments in the
Standardization of Power Line Communications within the
IEEE,” Communications Magazine, IEEE, vol. 46, no. 7, pp.
64–71, July 2008.
[3] PRIME Aliance Technical Working Group, “Draft Specification
for PoweRline Intelligent Metering Evolution (PRIME) rev. 1.4.,
2014, [Online] http://www.prime-alliance.org
[4] ITU-T G.9904, “Narrowband orthogonal frequency division
multiplexing power line communication transceivers for PRIME
networks”, 2012
[5] PRIME Project, “PRIME Technology Whitepaper PHY, MAC
and Convergence layers”, 2008, [Online] http://www.primealliance.org
[6] Lower layer profile using OFDM modulation type 2, ERDF,
[Online]: http://www.erdf.fr
[7] PLC G3 Physical Layer Specification, ERDF, [Online]:
http://www.erdfdistribution.fr
[8] ITU-T G.9903, “Narrowband orthogonal frequency division
multiplexing power line communication transceivers for G3-PLC
networks, 2014
[9] M. Hoch, “Comparison of PLC G3 and PRIME, IEEE
International Symposium on Power Line Communications and
Its Applications, 2011
[10] Z. Sadowski, “Comparison of PLC-PRIME and PLC-G3
protocols”, XII International School on Nonsinusoidal Currents
and Compensation, ISNC 2015
[11] ETSI GS OSG 001 V1.1.1, “Open Smart Grid Protocol
(OSGP)”, 2012
[12] L. Colton, M. Ossel - OSGP Alliance, “OSGP overview”, ICSG,
2014
[13] LonTalk® Protocol Specification ver. 3.0, Echelon Corporation,
[Online]: http://www.enerlon.com
[14] Introduction to the LONWORKS® System ver. 1.0, Echelon
Corporation, [Online]: http://www.enerlon.com
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 93 NR 12/2017