Thứ Tư, 6 tháng 11, 2013

Tìm hiểu về công nghệ PLC (Power line Communications)

- - Chào mọi người. Mình đang tìm hiều về lĩnh vực PLC và ứng dung PLC vào thiết kế nhà thông minh. Mình tìm thấy 1 số tài liệu về công nghệ này. Mình dự định dịch sang tiếng việt 1 bài khoảng 90 trang. Mình dịch tới đâu sẽ up dần. Mục đích là tự rèn luyện, học hỏi được kinh nghiệm quý báu từ đàn anh đi trước. Nếu có gì sai sót mong anh em nhiệt tình góp ý. Xin cám ơn. 

Giới thiệu về PLC .
- - Đi cùng với sự phát triển của kỹ thuật máy tính và mạng, những yêu cầu khắc khe về hệ thống mạng được đưa ra. Mạng máy tính cần đảm bảo tốc độ truyền trong những điều kiện cụ thể, ngoài ra cần đảm bảo tính linh động và cần số lượng lớn điểm truy cập. Vì thế, không cần phải lắp đặt dây dẫn; mạng cần có hệ thống quản lý đơn giản, đảm bảo độ tin cậy cao, phù hợp với mọi kiểu thiết bị mạng. Và trên hết, giá thành sản phẩm phải rẻ.
- - Một trong những phương án tổ chức hệ thống mạng đó là : hệ thống truyền dữ liệu qua mạng lưới điện.
- - Trong bài này, sẽ giới thiệu sơ đồ tổ chức hệ thống mạng truyền dữ liệu qua mạng lưới điện với ví dụ ở khu dân cư Alhan-Churt ( khoảng 2000 hộ dân) sử dụng công nghệ PLC.
- - Công nghệ PLC - đầu tiên giải quyết vấn đề “Last mile”, nhờ vào sử dụng đường dây dẫn điện bên trong ngôi nhà, theo nguyên tắc Plug&Play. Có nghĩa là : khách hàng mua adapter hoặc modem thuê bao, không cần bất kỳ cài đặt nào, khi cắm vào ổ điện, một cách tự động tạo ra kết nối với thiết bị đầu ( thiết bị đầu mỗi nhà chỉ có 1), sau đó tự động cài đặt cấu hình (configuration) và địa chỉ IP. Ưu điểm của công nghệ này là không cần người sửa điện đến tận nhà. Thêm nữa, modem có thể làm việc bất kể nơi nào trong nhà, ở đâu PLC phủ đến. Nó không cần đăng ký địa chỉ cụ thể, có thể làm việc trong 1 vùng, 1 thành phố, thậm chí thành phố khác.
- - Dù cho có những ưu điểm đó, nhưng thị trường kết nối internet đã bão hòa, và rất chậm mở rộng khách hàng sử dụng. 
- - Nếu kết nối thêm videocamera, có thể tổ chức 1 hệ thống theo dõi video tại nhà, thậm chí ko cần kết nối videocamera với máy tính. Tất cả liên lạc sẽ được truyền theo mạng lưới điện đến server của nhà cung cấp. Và người sử dụng ở bất kỳ điểm nào trên thế giới, kết nối internet, ghé vào trang cá nhân để kiểm tra tình trạng của ngôi nhà. Giải pháp tương tự dùng cho việc quản lý trẻ em, người trông trẻ và người phục vụ nhà.Ngoài ra, có thể cài đặt thêm 1 số công dụng ví dụ như : hệ thống theo dõi chuyển động (motion detection) , khi đó camera đóng vai trò 1 cảm ứng chuyển động, khi có thay đổi, tín hiệu truyền đến server, gửi SMS đến điện thoại người sử dụng – anh ta kết nối internet và kiểm tra tình trạng ngôi nhà. 
1. Phân tích.

1.1. Công nghệ PLC.

- - Công nghệ PLC (Power line Communications – liên lạc bằng đường dây điện), còn có tên khác là PLT (Power Line Telecoms), là công nghệ sử dụng đường dây điện để thực hiện truyền tốc độ cao dữ liệu và giọng nói. Phụ thuộc vào tốc độ truyền dữ liệu, nó được chia thành 2 loại : dải rộng (broadband) BPL với vận tốc hơn 1 Mb/s và dải hẹp (narrowband) NPL.

1.1.1. Sự phát triển của công nghệ PLC

- - Ứng dụng PLC thực hiện kết nối internet bằng ổ cắm điện đã được thực hiện tại Scotland, sáng kiến của công ty Scottish Hydro Elictrics. Theo công bố của họ, việc thử nghiệm “internet từ ổ điện ” đã phục vụ cho 150 người sử dụng, mỗi người sử dụng đạt vận tốc 2 Mb/s. Nhưng giá thành lại đắt gấp đôi so với những nhà cung cấp mạng internet khác.Những công ty cung cấp điện trong nước rất hứng thú với dịch vụ mới này, kể cả những công ty ở Đức, Ý, Sweden. Tại Nga, công ty “Spark ” đã nghiên cứu và ứng dụng thành công vào tháng 10 năm 2005. Tại thời điểm đó, đã có 750 điểm kết nối, phân bổ từng hộ dân. Tất cả các điểm được kết nối bằng mạng quang chính Gigabit Ethernet
- - Giá thành kết nối internet không cao, đảm bảo tính cạnh tranh của công nghệ này, nhưng chất lượng gây phàn nàn ở khách hàng. Ví dụ , khách hàng phàn nàn về vấn đề kết nối mạng chỉ có thể trên 1 số ổ cắm nhất định trong nhà (không thuận tiện cho người sử dụng) và tốc độ truyền giảm khi bật các thiết bị điện. Điều đó phụ thuộc vào trạng thái của đường dây dẫn trong nhà, nhưng vấn đề đó sẽ được các kỹ sư giải quyết. Tuy nhiên, các chuyên gia trong ngành viễn thông đánh giá không cao khả năng phát triển của PLC. Lý do là do chính công nghệ đó. Để truyền dữ liệu từ máy tính này đến máy tính khác, đã có công nghệ Ethernet với thiết bị đầu cuối rất rẻ và chất lượng rất tốt. Bất kỳ thử nghiệm truyền dữ liệu trong đường dẫn, cái mà khi sản xuất đã không tính toán để truyền tín hiệu, đều dẫn đến chất lượng rất kém ( Nói về dây dẫn đồng trong ADSL và dây dẫn điện trog nhà. )
Nhắc lại về vấn đề “Last mile”, vấn đề được nói nhiều trong thời gian gần đây, và đã có rất nhiều hướng giải quyết. Nhưng ở hầu hết các hướng giải quyết đều có 1 trở ngại : tất cả đều yêu cầu lắp đặt đường dây dẫn. Dừơng như là không cần phải nói nhiều về sự khó khăn này, thường xuyên xảy ra việc chi phí đường dây chiếm phần lớn chi phí lắp đặt mạng. 
- - Vì vậy, các công nghệ không cần lắp đặt dây dẫn được ưu tiên. Hiện tại có 2 giải pháp đó là : Wi-Fivà PLC. Về Wi-Fi đã có rất nhiều nghiên cứu, còn công nghệ PLC rất ít thông tin.
- - Công nghệ PLC cho phép xây dựng một hệ thống mạng máy tính nội bộ trên cơ sở sử dụng hệ thống dây tải điện, đã được lắp đặt sẵn tại nhà. 
- - Cơ sở của những công nghệ khác nhau đều theo một ý tưởng đơn giản về chia tín hiệu – nếu bằng cách nào đó , đồng thời truyền được nhiều tín hiệu trên cùng 1 kênh truyền vật lý, thì có thể tăng được tốc độ truyền dữ liệu. Điều đó có thể thực hiện được bằng cách điều chế tín hiệu.
- - Trên cái nhìn đầu tiên, toa thuốc cho sự thành công của công nghệ PLC là lựa chọn 1 phương án điều chế, cái mà có thể đảm bảo tốc độ truyền nhanh nhất. Tuy nhiên, những phương pháp điều chế đảm bảo sự đóng gói tín hiệu dày đặt, thì yêu cầu những thao tác phức tạp. Để có thể ứng dụng cho công nghệ PLC, cần phải sử dụng DSP ( Digital signal processor) với tốc độ nhanh. 
- - DSP ( Digital signal processor) – đó là vi xử lý dùng để “manipulation” luồng dữ liệu số trong tỉ lệ thời gian thực. DSP được sử dụng rộng rãi trong xử lý luồng thông tin đồ họa, âm thanh hoặc tín hiệu hình ảnh.
Như vậy, sự phát triển của công nghệ PLC đã dựa vào sự phát triển của vi xử lý DSP, cho đến khi nào có một phương án hiệu quả về điều chế. Hiện nay, công nghệ PLC sử dụng điều chế OFDM, cho phép đạt được tốc độ truyền dữ liệu cao và ổn định với nhiễu.

1.2. Lĩnh vực ứng dụng PLC.
- Kết nối internet.

- Mạng nội bộ tại nhà hoặc văn phòng.
- VoIP – IP-telephone
- Truyền âm thanh và video ở tốc độ cao.
- Hệ thống theo dõi từ xa.
- Xây dựng những kênh truyền dữ liệu số trong công nghiệp.
- Hệ thống an toàn ( báo cháy, chống trộm… ).

1.3. Những tiền đề kỹ thuật để phổ biến công nghệ PLC. 
- - Sự thành công về kinh tế của nhà mạng viễn thông phụ thuộc vào quyết định công nghệ ứng dụng để xây dựng mạng lưới kết nối.
- - Mạng dây dẫn quang đảm bảo việc truyền dữ liệu với vận tốc lớn, nhưng nó vẫn chưa đạt đến số lượng lớn người sử dụng. 
- - Trên thị trường hiện nay, hầu hết phải kể đến kỹ thuật xDSL đảm bảo cho người sử dụng kết nối internet và những dịch vụ thông tin số khác bằng đường điện thoại sẵn có. Trong số đó là những công nghệ như : wide-band wireless access(BWA), truy cập qua vệ tinh ( satellite access) , truy cập qua đường dây dẫn truyền hình, truyền dữ liệu đóng gói trong mạng 2.5G/ 3G (GPRS/EDGE/UMTS,CDMA 2000 1X/ EV-DO) .
- - Thiết bị PLC thế hệ thứ nhất và thứ 2 đảm bảo vận tốc truyền tối đa 10-14 Mb/s. Nhưng chi phí sản xuất cao và có hiện tượng phát xạ cao trên đường dây tải điện. Vì thế công nghệ PLC đã ít được ứng dụng vào thị trường thương mại.
- - Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ vi điện tử, hiện nay đã có thể sản xuất thiết bị PLC thế hệ thứ 3 với vận tốc truyền tin lên đến 200 Mb/s, khi sử dụng đúng chuẩn dây điện, mở ra khả năng mới để phát triển PLC.

1.4 Giới thiệu kỹ thuật truy cập băng thông rộng trên hệ thống PLC. 
- - Hệ thống PLC hiện đại được định hướng để giải quyết kỹ thuật truy cập băng thông rộng, chủ yếu trên 2 công nghệ sau :
- - Đầu tiên là ứng dụng “tín hiệu mở rộng phổ ” (spread spectrum - SS), giảm đáng kể nhiễu khi truyền tin. Khi sử dụng điều chế SS, công suất của tín hiệu trải đều trên dải tầng số rộng, và tín hiệu trở nên “khó nhận thấy ” trên nền nhiễu. Bên phía nhận tin, lượng lớn thông tin được tách ra từ tín hiệu trên nền nhiễu ( noise-like signal) bằng cách sử dụng một dãy mã hóa duy nhất. Khi sử dụng nhiều mã hóa khác nhau, có thể truyền 1 lúc nhiều tin nhắn trên một dãy tầng số rộng. Phương thức kể trên dựa trên cơ sở kỹ thuật CDMA. Cần nhấn mạnh là ngoài khả năng chống nhiễu cao, điều chế SS còn đảm bảo độ an toàn thông tin rất cao.
- - Thứ hai là công nghệ dựa trên OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex ), đồng thời truyền tín hiệu trên vài tầng số sóng mang. Phương pháp này cũng đảm bảo độ chính xác cao truyền tin và chống nhiễu. 
Phát triển thêm theo công nghệ thứ hai được nghiên cứu bởi công ty USA Intellon. Ứng dụng OFDM mở rộng – luồng dữ liệu ban đầu được chia nhỏ thành những gói nhỏ, mỗi gói đó sẽ được truyền đi trong vùng tầng số 4,3-20,9 MHz bằng cách sử dụng điều chế pha tương đối trên từng sóng mang (DBPSK hoặc DQPSK – Differential Quadrature Phase Shift Keying) . Vận tốc truyền tín hiệu đạt vài chục Mb/s.
- - Kỹ thuật PLC thực hiện theo phương pháp đa truy cập “điểm – tập hợp điểm”. Phân trạm trung chuyển cục bộ (local substation) đảm bảo cho người sử dụng kết nối với các dịch vụ truyền dữ liệu, IP-telephone… 
Thiết bị đầu cuối là PLC-modem, thường thực hiện vai trò cổng giao tiếp (interface) với máy tính cá nhân hoặc Ethernet. Modem kết nối với cổng thông tin (ổ cắm điện 220V) và đầu ra là cổng giao tiếp với máy tính, hoặc có thể kết nối thêm điện thoại, đảm bảo hoạt động IP-telephone. 
- - Kết nối với internet bằng kỹ thuật này gọi là Broadband over power lines (BPL). 
- - Sự khác biệt với kết nối DSL, bằng mạng lưới nội bộ, kỹ thuật cho phép số lượng lớn người truy cập băng thông rộng vào internet.
- - Như vậy, công nghệ PLC – phương pháp rẻ nhất để xây dựng 1 mạng nội bộ, nó không đòi hỏi kéo thêm dây điện( cho modem) và cho phép truy cập cho người dân cả 1 khu phố. Một thiết bị đầu có khả năng đảm bảo truy cập mạng PLC cho 500 người sử dụng.
- - PLC mở ra thời kỳ mới, đưa internet đến tận những nơi xa xôi nhất, nơi tạm thời chỉ có những đường dây tải điện có thể điến được.

1.5 Những khó khăn khi phát triển công nghệ PLC. 
- - Đa số những hệ thống PLC được phân loại theo hiệu điện thế của mạng điện dùng để truyền dẫn.
- - Khi truyền dẫn tín hiệu theo đường dây điện bình thường, hay xuất hiện sự suy giảm trong hàm truyền ở những tần số nhất định, dẫn đến mất tín hiệu. Công nghệ PLC sử dụng phương pháp đặc biệt để giải quyết vấn đề đó – luân phiên bật và tắt truyền tín hiệu (dynamically turning off and on data-carrying signals). Bản chất của phương pháp này là : thiết bị thực hiện việc theo dõi liên tục kênh truyền để phát hiện đoạn phổ nào bị suy giảm quá mức cho phép. Khi phát hiện lỗi, tần số bị suy giảm sẽ tạm thời dừng sử dụng đến khi nào đường truyền trở lại bình thường. 
- - Ngoài ra, còn xuất hiện nhiễu xung (khoảng 1 micro giây) , gây ra từ các nguồn như : đèn halogen, bật và tắt các thiết bị điện công suất lớn…
- - Đường dây điện không theo chuẩn cũng gây sự suy giảm mạnh tín hiệu.
- - Nhân tố chính cản trở sự phát triển hệ thống PLC vận tốc cao là chưa có chuẩn dành cho hệ thống PLC dải phổ rộng, dẫn đến khó khăn tương thích có dịch vụ sử dụng những vùng tần số gần nhau. 
- - Năm 2001, tập đoàn quốc tế HomePlug Powerline Alliance đưa ra chuẩn dành cho xây dựng mạng gia đình bằng đường dây điện – gọi là HomePlug 1.0 . Đó chỉ là chuẩn để xây dựng mạng gia đình, còn chuẩn đầy đủ của kỹ thuật PLC dải phổ rộng tạm thời vẫn chưa có. 
1.6. Giới thiệu các chuẩn hiện có 
- -Hiện nay có các chuẩn về công nghệ này như : IEEE, ETSI, CENELEC, OPERA, UPA và HomePlug Powerline Alliance. 
1.6.1. Chuẩn IEEE
Tổ chức IEEE đã thông báo việc xây dựng một nhóm về chuẩn làm việc với BPL. Dự án mang tên IEEE P1675, <Standard for Broadband over Powerline Hardware>. 
Bên cạnh chuẩn IEEE P1675 còn có thêm 3 hướng khác :
- -IEEE P1755, xây dựng nhằm quy định tiêu chuẩn cho các thiết bị PLC, yêu cầu theo tính tương thích điện từ, phương pháp kiểm tra và đo lường. 
- -IEEE P1901, <Standard for Broadband over Powerline Networds : Medium Access Control anh Physical Layer Specifications>, mô tả tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu. 
- -IEEE BPL Study Group, <Standardization of Broadband over Powerline Technologies > đảm bảo việc xây dựng các nhóm mới có liên quan với BPL. 
1.6.2 Chuẩn ETSI 
- Được xây dựng bởi trường đại học ở châu Âu nhằm quy định chuẩn trong mảng viễn thông của PLC.
1.6.3 Chuẩn CENELEC
- -CENELEC – tổ chức phi thương mại của ủy ban kỹ thuật điện EC, là một trong nhưng tổ chức lớn nhất về quy định chuẩn của trường điện từ. Đối với PLC, CENELEC xây dựng phân loại PLC cho tầng vật lý và tầng trao đổi dữ liệu với môi trường dẫn. Chuẩn này mang tên EN55022. 
1.6.4. OPERA 
- -Tập đoàn Open PLC European Research Alliance (OPERA) thành lập năm 2004 trong khuôn khổ của chương trình châu Âu Broadband for All, hướng tới phát triển công nghệ truy cập internet tốc độ cao. Hội đồng châu Âu đã khởi xướng và cung cấp tài chính. Tổng ngân sách hơn 20 triệu euro, phần lớn trong số đó được dùng cho xây dựng chương trình FP6. Dự án hoàn thành năm 2006, với sự tham gia của hơn 30 công ty và các trường nghiên cứu từ 12 quốc gia. 
- -Đến nay, quy định của OPERA đã dùng cho tầng PHY, MAC và các thiết bị truyền dữ liệu trong mạng điện.
1.6.5 Chuẩn UPA
1.6.6 Chuẩn HomePlug Powerline Alliance

- -Năm 2000, tập đoàn công nghiệp quốc tế Homeplug Powerline đã thông báo chuẩn kết nối HomePlug. Đến nay đã có hơn 80 công ty lớn sử dụng chuẩn này, trong số đó : Motorola, France Telecom, Philips, Samsung, Sony, Matsushita, Sharp … Nếu trên thiết bị có dấu hiệu <Homeplug Certified > có nghĩa là thiết bị đó thỏa mãn có yêu cầu của chuẩn mà tập đoàn Homeplug Powerline quy định và hoàn toàn tương hợp với các thiết bị của các nhà sản xuất khác. 
- -Dựa vào chuẩn đầu tiên Homeplug Powerline Specification 1.0 , công ty Intellon (USA) đã phát triển công nghệ Power Package TM . Hiện nay đã có các chuẩn sau : 
- + HomePlug 1.0 ( tháng 6-2001) quy định công nghệ đảm bảo truyền dữ liệu với vận tốc lên đến 14 Mbit/s. 
- + HomePlug 1.0 Turbo (tháng 12-2004) phát triển trên chuẩn 1.0 với vận tốc tăng lên đến 84 Mbit/s. 
- + HomePlug AV (tháng 8-2005) quy định công nghệ PLC với vận tốc truyền đến 200 Mbit/s , đảm bảo đường truyền chất lượng cho âm thanh và video. 
- + HomePlug Command and Control (tháng 9-2005) quy định về điều khiển các thiết bị HomePlug.
- + HomePlug BPL : đang trong quá trình phát triển.

1.7 Các phương án sử dụng PLC. 












Các hình minh họa đã cho thấy những khả năng sử dụng mạng PLC hiện nay. Điều khiển mạng PLC có thể được thực hiện nhờ các hệ thống của nhà sản suất, ví dụ HP OpenView.
Thành phần chính của mạng PLC bao gồm : 
- Thành phần làm việc của người sử dụng (workstation): PC, notebook, PDA… Ngoài ra, có thể kết nối những thiết bị khác nhau tùy trường hợp cụ thể. 
- User PLC device (adapter) với interface Ethernet, USB, Wi-Fi. 
- PLC- modem : với nhiệm vụ routing, authentication, ADSL-access. 
- Đường dây dẫn điện.

 

0 nhận xét:

Đăng nhận xét