Помехи в компьютерной сети

Аннотация
В статье рассмотрены помехи в узкополосных системах связи PLC. Скорость передачи данных измерялась и оценивалась с использованием различных средств со специальными узкополосными модемами для передачи данных. Показан спектр сигналов, измеренных для искусственного источника помех, что позволяет сделать вывод о потенциальных проблемах связи и сосредоточить внимание на возможностях улучшения передачи данных в данной области PLC.

Библиографическая ссылка на статью:
Сагун И.В. Влияние помех на передачу данных через PLC (Power Line Communication) // Современные научные исследования и инновации. 2021. № 2 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2021/02/94505 (дата обращения: 13.07.2023).

Возможности использования каналов передачи данных для нужд энергетики многочисленны; применение линий электропередач низкого и высокого напряжения можно рассматривать как альтернативу другим технологиям связи, используемым в настоящее время. Услуги, которые могут быть предоставлены с использованием PLC, делятся на две категории в зависимости от используемой полосы пропускания. Узкополосные системы PLC в основном используются в автоматизированном удаленном сборе данных, удаленном измерении, удаленном управлении, передаче от средств безопасности и т.д. Они работают со скоростями передачи от 1 до 100 кбит/с. Соответствующий диапазон составляет от 9 до 148,5 кГц и определен стандартом CENELEC. Основная проблема заключается в изменении во времени помех в энергораспределительных сетях в упомянутой выше полосе частот. Уровни затухания и помех частично зависят от подключенных нагрузок, которые меняются со временем, а частично от длины линии.

Исходя из этого, очевидно, что необходимо будет больше сосредоточиться на предложении подходящих математических моделей линий электропередачи с точки зрения передачи данных. Тогда станет возможным компьютерное моделирование явлений на линиях электропередач и, таким образом, улучшение свойств этой технологии.

Сигнал/шум. Это важный параметр системы связи. Шум в системах распределения электроэнергии определяется как сумма множества различных типов помех. Нагрузки, подключенные к электросети, телевизоры, компьютеры, пылесосы, и т. д., передают помехи в линии электропередачи, которые затем появляются в приемнике PLC.

Сигнал затухания. Относительно высок в линиях электропередачи (до 100 дБ) и заметно ограничивает реально достижимый диапазон.

На рисунке 1 представлена упрощенная блок-схема модели канала связи PLC, в которой заключены все вышеперечисленные свойства. За исключением шума, параметры помех показаны как изменяющийся во времени линейный фильтр, характеризующийся импульсной характеристикой. Шум показан как случайный процесс, создающий дополнительные помехи.

Рисунок 1 – Общая модель канала.

Несмотря на то, что модель канала значительно упрощена, она отражает весь спектр свойств, описывающих модель системы связи PLC с соответствующими характеристиками. Таким образом, передаточную функцию и шум можно оценить по фактическим измерениям или получить из теоретического анализа.

Основное влияние на передачу данных по линии электропередач, оказывают в основном негативные характеристики различных видов шумов:

Фоновый шум. Этот вид шума постоянно присутствует в канале связи; его спектр однороден в рассматриваемой полосе. Шум носит стохастический характер и имеет сравнительно низкую спектральную плотность мощности (СПМ). Этот тип шума в основном создается коллекторными двигателями.

Асинхронный импульсный шум. Этот тип помех характеризуется высокими и короткими пиками напряжения длиной 10–100 мкс, уровень напряжения может достигать 2 кВ. Этот тип шума обычно возникает спорадически и при переключениях контактов на нагрузках.

Синхронный импульсный шум. Этот вид помех обычно вызывается тиристорами в цепях управления силовых элементов. Тиристоры подключаются, когда напряжение достигает определенного уровня и генерируют высшие гармоники основной частоты сети, амплитуда которых зависит от нагрузки. Уровень помех в большинстве случаев не превышает 70 дБ/Вт на каждую гармонику.

Узкополосный шум Частота этих помех никоим образом не связана с частотой сети или ее высшими гармониками. Он содержит импульсы, которые повторяются между 50 и 200 кГц. Этот тип помех в основном создается переключаемыми источниками питания. Из-за высокой частоты эти помехи влияют на частоты, которые близки друг к другу и порождают частотные группы, которые аппроксимируются узкими полосами. Также характерны помехи известной частоты; он появляется в телевизорах с европейской системой PAL, с частотой 15,625 кГц.

Для измерения оценки возможностей передачи данных по линиям электропередач использовался модем серии MT23R. Модемы предназначены для передачи данных по низковольтной сети 230В в промышленных условиях. Максимальная длина блока данных, которая может быть передана этими модемами за один раз, составляет 520 байт (320 байт для модели MT23R1). Модемы MT23R могут передавать любой полудуплексный протокол; протокол не имеет решающего значения для времени ответа, а максимальная длина дейтаграммы составляет 520 байт.

Рисунок 2 – Схема модема MT23R.

Также в измерении помех применялся цифровой осциллограф в сочетании с высоковольтным дифференциальным пробником Tektronix P5205. Подключение измерительной системы показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема подключения.

Результат измерения, представленный на рисунке 4, показывает ход связи в полосах 80 кГц и высших гармониках 160 кГц. Видно, что без помех уровень шума самый низкий. При включении искусственных помех в линию передачи уровень шума увеличивался прим. 10 дБ. Когда ПК был включен, была обнаружена огибающая, которая снова указывала на повышенный уровень около 80 кГц и 160 кГц. Очевидно, это связано с тем, что на COM-порт компьютера было подано напряжение, которое было передано в виде логического уровня по сети PLC.

Рисунок 4 – Спектр помех в линии электропередачи.

Таким образом, видно, что при определенных условиях эта технология может быть использована для удаленного сбора данных и управления элементами электросетей. Основная проблема будет заключаться в реальном диапазоне передачи данных. Поэтому в упомянутых выше измерениях было выбрано расстояние примерно 100–150 м, следовательно, затухание не сильно влияло на измерения. Очевидно, что необходимо будет больше сосредоточиться на предложении подходящих математических моделей линий электропередачи с точки зрения передачи данных. Тогда станет возможным компьютерное моделирование явлений на линиях электропередач и улучшение свойств этой технологии.

Компьютерные сети от простого к сложному, Технология PLC (Power Line Communication) // Network. URL: http://network.xsp.ru/5_5.php (дата обращения: 21.03.2019).
Компания «ПиЭлСи Технолоджи»,Оборудование систем телемеханики, типовое решение PLC сети // PLC Technology. URL: http://www.plctech.ru/avtomatica/typical_solution_plc_networks.php (дата обращения: 26.04.2019).
Power-line communication [Электронный ресурс] // wikipedia [Сайт]. URL https://ru.wikipedia.org/wiki/Power-line_communication

Источник