Интеллектуальные сети для «умных» домов

Тема интеллектуальных сетей и инфраструктур в зданиях уже давно актуальна как для предприятий, так и для частных домов, однако соответствующие концепции до сих пор развивались очень медленно. Важным этапом на пути к достижению поставленной цели — появлению «умных» домов (Smart Home) и сетей (Smart Grid) — стало активное распространение технологии широкополосной передачи по электросетям (Broadband over Powerline, BPL). Ратификация соответствующего стандарта IEEE 1901 в конце 2010 года задала направление для дальнейшего развития высокоскоростной передачи данных по электрическим проводам.

BPL способна стать ключевой технологией для решения множества различных задач, включая создание интеллектуальных энергетических и локальных сетей.

С помощью модема для передачи данных, генерирующего несущие сигналы с частотой менее 100 МГц, решения на базе IEEE 1901 могут передавать данные по стандартной электропроводке со скоростями до 500 Мбит/с, причем величина напряжения в этих проводах не имеет значения. Такая пропускная способность, вполне достаточная для передачи, к примеру, видеофайлов, превышает скорость передачи большинства беспроводных сетевых технологий. Дальность передачи сигналов по стандарту IEEE 1901 тоже превосходит показатели альтернативных беспроводных технологий, причем значительно. Радиус действия устройств, соответствующих этому стандарту, может достигать полутора километров. Кроме того, установка дополнительных усилителей позволяет увеличить дальность действия решений для сетей Smart Grid до нескольких километров.

ГИБРИДНЫЕ СЕТЕВЫЕ АРХИТЕКТУРЫ С BPL

Появление стабильной и стандартизированной технологии BPL создает условия для внедрения новых — более производительных и выгодных — гибридных сетевых архитектур, позволяющих комбинировать различные технологии, такие как волоконно-оптические линии, Powerline и беспроводные локальные сети (WLAN), и использовать преимущества каждой из них. Беспроводные сети следует применять в первую очередь на последних метрах, разделяющих точку доступа (Access Point) и конечные устройства — ПК, телевизор или мобильный телефон. Больше не нужно протягивать волоконно-оптические кабели сквозь стены домов, магазинов и школ — их можно использовать только для обеспечения высокоскоростных соединений между главным распределительным устройством, установленным у провайдера, и домовыми ответвлениями.

Передача данных со скоростями до 500 Мбит/с на расстояние до 1,5 км с помощью устройств стандарта IEEE 1901 по тем же самым электрическим проводам, которые используются для подачи электроэнергии на предприятия, в общественные учреждения или частные домовладения, открывает множество новых возможностей. Теперь при необходимости любая розетка будет одновременно служить в качестве сетевого узла и поддерживать базовые технологии сетей Smart Grid (см. Рисунок 1). К примеру, при автоматизации зданий электросеть может использоваться для управления освещением или электрическими приборами — причем без подключения к инфраструктуре дополнительных компонентов. Кроме того, посредством адаптера Powerline Ethernet домашние компьютеры смогут взаимодействовать с периферийными устройствами и системами для домашних развлечений (Home Entertainment). В результате обмен данными не потребует прокладки дополнительных сетевых кабелей — к примеру, для потоковой передачи видео высокого разрешения (High-Definition Video Streaming), игр по IP, упрощенного распределения видео- и аудиоданных или для расширенных систем обеспечения безопасности для дома.

Рисунок 1. Общепризнанные стандарты технических союзов и организаций по стандартизации, таких как IEEE Standards Association, формируют основу для реализации «умных» домов и интеллектуальных сетей Smart Grid.

С точки зрения предприятий к числу важнейших функций технологии BPL принадлежат и такие корпоративные сервисы, как цифровые вывески (Digital Signage) или телекоммуникационные услуги Triple Play.

ЛЮБАЯ РОЗЕТКА — ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ СЕТЕВОЙ УЗЕЛ

В отличие от некоторых закрытых технологий передачи данных по сети электропитания, стандарт BPL IEEE 1901 поддерживает существующие протоколы IP и совместим, в числе прочего, с IPv6. Теперь каждая штепсельная розетка является потенциальным сетевым узлом, причем, в отличие от беспроводных технологий, BPL стандарта IEEE 1901 практически невосприимчива к помехам и барьерам, препятствующим передаче радиочастотных сигналов (толстые стены, противопожарные двери и т. д.). Кроме того, ожидается, что в дополнении к стандарту IEEE 1901.2 появится спецификация для передачи данных в сетях Smart Grid для реализации таких функций, как дистанционное считывание показаний счетчиков расхода электроэнергии, газа или воды, а также создания сетей для автоматизации домов.

Поскольку затраты на внедрение BPL незначительны и ограничиваются в основном стоимостью соответствующего модема, эта технология предоставляет экономичный способ «удлинения» подключений FTTx в зданиях, ведь прокладка оптического волокна внутри зданий или на отдельных участках всегда была сопряжена с высокими финансовыми затратами. Наконец, следует отметить еще одну особенность: IEEE 1901 BPL — что весьма необычно для совсем недавно ратифицированного стандарта — уже может похвастаться развитой экосистемой продвижения соответствующих решений, включая различные программы для тестирования и сертификации, которые часто используются производителями и способствуют появлению множества новых продуктов.

СТАНДАРТИЗАЦИЯ ОБЕСПЕЧИВАЕТ СОВМЕСТИМОСТЬ

Разговоры о перспективности технологии распространения информации по электрическим проводам ведутся на протяжении уже нескольких десятилетий, однако до сих пор существенную проблему представляли радиочастотные помехи на линии. К ним добавлялись ограничения по пропускной способности, разница напряжения в электросетях и другие обстоятельства, которые могут значительно варьироваться в зависимости от региона. Невозможность передачи данных через трансформаторы, используемые для регулирования напряжения, тоже долгое время служила серьезным препятствием для развития технологий Powerline.

В рамках стандартизации IEEE 1901 удалось решить все эти проблемы. Причина успеха кроется в появлении новых, более развитых методов и алгоритмов модуляции, а также в доступности высокопроизводительных интегральных схем, способных в реальном времени выполнять используемые в этом стандарте алгоритмы на базе модуляции Wavelet-OFDM.

Помимо всего прочего, международное признание стандарта способствует обеспечению совместимости устройств от различных производителей. При решении этой задачи рабочая группа BPL IEEE 1901 приняла во внимание особые требования, предъявляемые разработчиками и производителями соответствующих продуктов к их совместимости, и в результате была разработана спецификация, определяющая сосуществование различных устройств.

На развитие этого стандарта оказала влияние и концепция Smart Grid. Хотя информация о потреблении электроэнергии отдельными домами или предприятиями составляет лишь незначительную часть нагрузки на сеть и ее пропускную способность, тем не менее, с точки зрения поставщиков электроэнергии, эти данные сливаются в мощный поток, нуждающийся в широкополосном соединении вроде IEEE 1901 с пропускной способностью 500 Мбит/с.

В перспективе интеллектуальные электросети должны будут осуществлять поддержку децентрализованной выработки и подачи электроэнергии (полученной, к примеру, в результате преобразования солнечной энергии), включая ее локальное хранение. BPL стандарта IEEE 1901 позволяет управлять двунаправленным током в реальном времени и тем самым добиться баланса между производством и расходом энергии. Кроме того, на основе стандарта BPL IEEE 1901 можно создать надежную сеть, способную обеспечить с помощью современных методов шифрования данных и других технологий уровень защиты, необходимый для передачи таких сведений, как информация о счетах или кредитных картах.

СВЯЗЬ С ПОСТАВЩИКАМИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Коммуникация между домашними приборами и поставщиками электроэнергии, а также другими сегментами инфраструктуры играет особую роль при построении интеллектуальных сетей. Именно эта возможность позволяет воплотить в жизнь концепцию «умного дома» (Smart Home) и вносит решающий вклад в создание сетей Smart Grid. Именно благодаря современным коммуникационным возможностям, «интеллектуальные» дома могут реализовать значительный потенциал энергосбережения путем управления работой бытовой техники и устройствами по выработке электроэнергии.

Развитие этих концепций будет происходить по мере строительства сетей Smart Grid. Так, поставщики электроэнергии смогут перестроить свою деятельность таким образом, чтобы обеспечить более равномерную подачу энергии и избежать возникновения пиковых нагрузок. Потребление можно будет регулировать с помощью введения льготных тарифов на электроэнергию в периоды с небольшой нагрузкой. Познакомиться с практическим внедрением таких технологий можно на примере экспериментального дома, созданного в Японии компанией HD-PLC Alliance совместно с Panasonic и оснащенного интеллектуальной сетью (http://www.lanl.in/xfhrvN, видео по адресу http://www.lanl.in/wR4QhE) (cм. Рисунок 2).

С 2005 года более 90 организаций приняли участие в разработке стандарта BPL IEEE 1901, при подготовке которого учитывается реальный опыт различных производителей. Существует множество решений на базе IEEE 1901, уже реализованных и представленных на рынке. В настоящее время более 30 компаний предлагают оборудование с поддержкой IEEE 1901, сертифицированное организациями HD-PLC Alliance (http://www.hd-plc.org/modules/products/) или Homeplug Powerline Alliance (http://www.homeplug.org/certified_products).

Технология передачи данных по электрическим проводам предоставляет ряд привлекательных возможностей для реализации «умных» домов будущего и способствует развитию рынка недвижимости. Гибкость и универсальная доступность лишь открывают список важнейших преимуществ этой технологии. BPL может использоваться во всех средах со стандартным напряжением в сети и способна поддерживать такие функции, как передача видеофайлов на большие расстояния или подключение беспроводных сетей к Интернету. Помимо этого, технология BPL стандарта IEEE 1901 обладает необходимыми характеристиками для обеспечения безопасности передаваемых данных, что позволяет применять ее для выполнения целого ряда задач в сетях Smart Grid.

Жан-Филипп Фаре — председатель рабочей группы IEEE 1901, руководитель французской компании Progilon.