Лекция. Сети коллективного доступа

Цель лекции: изучение студентами сетей коллективного доступа.

Содержание:

- основные понятия сетей коллективного доступа;

- связь через линии электропередач (ЛЭП).

Основные понятия сетей коллективного доступа

Сети коллективного доступа (СКД) предназначены для организации относительно недорогого доступа в Интернет индивидуальных пользователей, проживающих в многоквартирных домах [2, 11]. Идея коллективного доступа состоит в использовании существующей в домах кабельной инфраструктуры (витая медная пара, радиотрансляционные сети, электрическая проводка). В подключаемом к Интернету доме устанавливается концентратор трафика. Для подключения концентратора к узлу служб транспортной сети могут использоваться разные технологии (PON, FWA, спутниковые и др). Таким образом, сети коллективного доступа являются гибридными, объединяющими в себе как собственно сети коллективного доступа, так и сети, обеспечивающие транспортировку трафика.

К основным технологиям коллективного доступа относятся HPNA, PLC, EFM.

Серия стандартов HPNA

Стандарты HPNA появились в результате деятельности альянса Ноmе Phoneline Networking Alliance, созданного в 1996 г. для разработки технологии, которая на основе существующей в домах кабельной сети должна была обеспечить относительно недорогой доступ в Интернет. Технология НРNА стандартизована в ITU-T (Рек. G.989.1 и G.989.2).

HPNA 1.x.Стандарт HPNA 1.0 создан в 1998 г. Для передачи сигналов используется полоса частот 4…10 МГц, поэтому системы HPNA не оказывают влияния па телефонные и другие системы, работающие по тому же кабелю.

Системы доступа HPNA 1.0 обеспечивают коллективный доступ к каналу с пропускной способностью 1 Мбит/с на расстояние до 150 м. В качестве метода доступа к среде передачи применяется CSMA/CD (IEЕE 802.3). Для передачи информации используется модуляция DMT. Типовая топология сети – "звезда".

Ядро сети - коммутатор HPNA, порты которого подключаются к соответствующей абонентской линии. Максимальное количество абонентов в сети - 32.

В стандарте HPNA 1.1 дальность действия оборудования увеличена до 300 м.

HPNA 2.0.В сетях данного стандарта, появившегося в 2000 г., пропускная способность коллективного канала увеличена до 10 Мбит/с при дальности действия системы до 350 м. Типовая топология сети – "шина". Работа такой сети не требует применения коммутаторов и других активных

устройств.

HPNA 3.0.В настоящее время ведется разработка нового стандарта HPNA 3.0, по которому пропускная способность домашней сети должна достигнуть 100 Мбит/с.

Технология PLC

Разработкой стандартов технологии PLC (Power Line Communications), реализуемой на базе инфраструктуры сетей электропитания, занимаются различные международные организации такие, как PLC Forum. Powerline World и Home Plug Powerline Alliance. Последняя из них приняла в 2001 г. Единый стандарт HomePlug 1.0 specification, в котором определены скорости передачи данных до 14 Мбит/с, методы доступа к среде передачи CSMA/CD или CSMA/CA и модуляции OFDM. Стандартизация PLC-технологии ведется также и в ETSI (TS 101 867, TS 101 896, TR 102 049).

Технология EFM

Технология EFM (Ethernet in the First Mile – Ethernet на первой миле) требует создания в доме инфраструктуры на базе оптоволоконного кабеля или витой медной пары категории 3 и выше. EFM разрабатывался рабочей группой IEEE802.3ah, в которой для определения сети доступа предпочитают использовать выражение "первая миля" вместо общепринятого термина "последняя миля". Были выработаны требования к функциям сети коллективного абонентского доступа на базе Ethernet. В стандарте представлены различные сетевые архитектуры, предусмотрено использование различных сред передачи информации.

Связь через ЛЭП

PLC (Power line communication) - термин, описывающий несколько разных систем для использования линий электропередачи (ЛЭП) для передачи голосовой информации или данных [11]. Сеть может передавать голос и данные, накладывая аналоговый сигнал поверх стандартного переменного тока частотой 50 Гц или 60 Гц. PLC включает BPL (Broadband over Power Lines - широкополосная передача через линии электропередачи), обеспечивающий передачу данных со скоростью более 1 Мбит/с, и NPL (Narrowband over Power Lines - узкополосная передача через линии электропередачи) со значительно меньшими скоростями передачи данных.

При развитии энергосетей встал вопрос о передаче диспетчерской информации от одного энергоузла к другому. Использование для этих целей телефонных и телеграфных линий, прокладываемых параллельно ЛЭП, считалось нерациональным, поэтому уже в начале 20-го века в сетях постоянного тока в США применялась передача телеграфных сигналов непосредственно по проводам ЛЭП. Позже, с развитием средств радиосвязи, подобная методика стала применима и для сетей переменного тока.

Передача диспетчерской информации по проводам линий электропередач широко применяется как один из основных видов связи. Приемопередатчик подключается к ЛЭП через фильтр присоединения, образованный из конденсатора малой емкости (4700 - 6800 пикофарад) и высокочастотного трансформатора (автотрансформатора). Подобная система позволяет передавать как голосовую информацию, так и данные телеметрии и телеуправления.

Технология PLC базируется на использовании силовых электросетей для высокоскоростного информационного обмена. Эксперименты по передаче данных по электросети велись достаточно давно, но низкая скорость передачи и слабая помехозащищенность были наиболее узким местом данной технологии. Но появление более мощных DSP-процессоров (цифровые сигнальные процессоры) дали возможность использовать более сложные способы модуляции сигнала такие, как OFDM-модуляция, что позволило значительно продвинуться вперед в реализации технологии PLC.

В 2000 году несколько крупных лидеров на рынке телекоммуникаций объединились в HomePlug Powerline Alliance с целью совместного проведения научных исследований и практических испытаний, а также принятия единого стандарта на передачу данных по системам электропитания. Прототипом PowerLine является технология PowerPacket фирмы Intellon, положенная в основу для создания единого стандарта HomePlug1.0 (принят альянсом HomePlug 26 июня 2001 года), в котором определена скорость передачи данных до 14 Мб/сек.

Основой технологии PowerLine является использование частотного разделения сигнала, при котором высокоскоростной поток данных разбирается на несколько относительно низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей частоте с последующим их объединением в один сигнал. Реально в технологии PowerLine используются 84 поднесущие частоты в диапазоне 4 - 21 МГц.

При передаче сигналов по бытовой электросети могут возникать большие затухания в передающей функции на определенных частотах, что может привести к потере данных. В технологии PowerLine предусмотрен специальный метод решения этой проблемы - динамическое включение и выключение передачи сигнала (dynamically turning off and on data-carrying signals). Суть данного метода заключается в том, что устройство осуществляет постоянный мониторинг канала передачи с целью выявления участка спектра с превышением определенного порогового значения затухания. В случае обнаружения данного факта, использование этих частот на время прекращается до восстановления нормального значения затухания.

Существует также проблема возникновения импульсных помех (до 1 микросекунды), источниками которых могут быть галогенные лампы, а также включение и выключение мощных бытовых электроприборов, оборудованных электрическими двигателями.

Применение PLC-технологии:

- Подключение к Интернету. В настоящее время подавляющее большинство конечных подключений осуществляется посредством прокладки кабеля от высокоскоростной линии до квартиры или офиса пользователя. Это наиболее дешевое и надежное решение, но если прокладка кабеля невозможна, то можно воспользоваться имеющейся в каждом здании системой силовых электрических коммуникаций. При этом любая электрическая розетка в здании может стать точкой выхода в Интернет. От пользователя требуется только наличие PowerLine-модема для связи с аналогичным устройством, установленным, как правило, в электрощитовой здания и подключенным к высокоскоростному каналу. Однако нужно быть готовым к нестабильности и низкому качеству работы сети.

- Малый офис (SOHO). PowerLine-технология может быть использована при создании локальной сети в небольших офисах (до 10 компьютеров), где основными требованиями к сети являются простота реализации, мобильность устройств и легкая расширяемость. При этом как вся офисная сеть, так и отдельные ее сегменты могут быть построены с помощью PowerLine-адаптеров. Часто встречается ситуация, когда необходимо включить в уже существующую сеть удаленный компьютер или сетевой принтер, расположенный в другой комнате или в другом конце здания. Такая проблема легко решается с помощью PowerLine-адаптеров.

- Домашние коммуникации. PowerLine-технология может быть использована при реализации идеи «умного дома», где вся бытовая электроника связана в единую информационную сеть с возможностью централизованного управления.

Преимущества:

- Простота использования.

- Не требуется прокладка отдельного кабеля.

Недостатки:

- Крайне уязвима со стороны радиопередающих устройств коротковолнового диапазона.

- Пропускная способность сети по электропроводке делится между всеми ее участниками.

- Требуются специальные совместимые сетевые фильтры и ИБП. Через обычные не работает.

- Нарушается радиоприём, особенно на средних и коротких волнах.

- На качество связи оказывают отрицательное влияние энергосберегающие лампы, импульсные блоки питания, зарядные устройства, выключатели освещения и т.п. и т.д.(снижение скорости около от 5 до 50%).

- На качество и скорость связи оказывает отрицательное влияние исполнения/топология/качество электропроводки, тип/режим/мощность бытовых электроприборов и устройств, наличие скруток (снижение скорости до полного пропадания).

- Монтаж требует работы под напряжением. Поскольку стандарт пересекается с коротковолновым диапазоном частот, то создаются взаимные помехи для связной и радиовещательной аппаратуры. Повсеместное распространение стандарта делает невозможным прием коротковолновых передач на расстоянии от сотен метров до километров от зданий и вблизи ЛЭП, где применяется данная технология.