Электропроводка — наиболее распространенная сеть в мире. Так хором твердят руководители самых различных компаний, имеющих хоть малейшее отношение к разработкам технологий передачи данных по электрическим силовым линиям.
Есть два основных способа их использовать: скоростное подключение к Internet и построение домашних сетей, причем оба варианта невероятно привлекательны и сулят огромные прибыли. Но если взглянуть на это с точки зрения специалиста, то привлекательная картина моментально теряет свои яркие краски. Проложенные с нарушениями норм, плохо экранированные, разделенные трансформаторами и наполненные помехами, возникающими в результате работы многочисленных потребителей питания, силовые линии электрической проводки — одна из наихудших сред для надежной передачи данных. Что касается невозможности преодоления полезным сигналом распределительных трансформаторов, то тут Европа в силу исторических причин оказалась впереди Америки — здесь один преобразователь в среднем обслуживает сотни потребителей, в то время как в США — каждые 5 домов.
Чтобы поддержать будущих провайдеров, которые рискнут использовать возможности электропроводки, Европейская комиссия выдвинула проект PALAS в рамках программы «Information Society’s Technology 1st Programme», предусматривающий подготовку своеобразного руководства, включающего средства технической симуляции, бизнес-модели и конкретные стратегии развития. Однако до сих пор не написано каких-либо документов, регулирующих правовые вопросы нетрадиционного применения электропроводки. Не установлены даже нормы допустимого уровня излучения подобными сетями. Несмотря на все трудности, Америка не собирается сдавать позиции телекоммуникационного лидера, и уже созданы технологии передачи данных по линиям с более высоким напряжением (medium voltage). Таким образом, удалось избавиться от необходимости подводить мощные и дорогие кабельные соединения к каждой подстанции. Более того, уровень излучения в линиях высокого напряжения значительно ниже, чем в потребительских. Следовательно, они вообще не подпадают под действие подобных ограничений. Прежде чем приступать к рассмотрению конкретных предложений и реализаций, стоит изучить общую расстановку сил на этом рынке.
HomePlug и другие
10 апреля 2000 г. 13 компаний, так или иначе связанных с тематикой домашних сетей, в числе которых AMD, Cisco, Compaq, Enikia, Intel, Intellon, Motorola, S3, 3Com и Texas Instruments, объявили о создании альянса HomePlug Powerline Aliance. Данная организация призвана упорядочить процесс разработки новых технологий передачи данных по электропроводке и выработать единый набор открытых спецификаций. Главный акцент сделан на домашних, ориентированных на Internet сетях, объединяющих ПК и различную периферию. Компании добровольно разделились на три группы: спонсоры (вышеперечисленные 13 корпораций), участники и «внедренцы» (adopters). Участники (Adaptive Networks, Cogency, DS2, ITRAN Communications, Kevin Telecom, PolyTrax Information Technology, Siemens) трудятся над технологией, а «внедренцы» — разрабатывают оборудование и программное обеспечение. Поскольку даже основы будущей технологии пока не сформулированы, на роль «внедренца» желающих не нашлось, и соответствующий раздел официального сайта пустует. Тем не менее альянс установил себе конкретные и довольно сжатые сроки реализации задуманного. Согласно плану, в первом квартале текущего года (май) будет выбрана базовая технология (если это и было сделано, то достигнутое соглашение сохраняется в глубокой тайне), в сентябре — опубликована первая версия спецификации, а к концу года будут представлены первые продукты на ее основе. При этом выбранная технология должна обеспечивать передачу данных со скоростью 10 Mbps, быть надежной, не интерферировать с другими домашними сетями (Lonworks, X-10 и CEBus) и добиться благосклонности государственных регулирующих организаций всего мира (для начала — FCC). Смелые планы альянса вполне может разрушить тот факт, что HomePlug не является единственной организацией, пытающейся «спасти мир», — Consumer Electronics Association (CEA) готовит свой вариант сетевого протокола для управления бытовой техникой, передачи видео- и аудиоданных по электропроводке (группа R7.3). Некоторое удивление вызывает состав участников группы, в которой названы три фирмы, ставшие недавно членами HomePlug Alliance,— это Enikia, ITRAN и Adaptive Networks. Несмотря на то что обе организации выявили желание сотрудничать, Уильям Роуз (William Rose), один из руководителей R7.3, не преминул высказать ряд критических замечаний относительно стратегии «соперников». Он заметил, что альянс чересчур ПК-центричен, а сеть по электропроводке должна удовлетворять потребностям совершенно различных приложений, в том числе и потоковой передачи аудиовизуальной информации. Обещанная высокая пропускная способность, считает он, может обернуться высокой стоимостью оборудования и слишком большой нагрузкой на процессор компьютера. Представители HomePlug, в свою очередь, опровергают свою приверженность сетям исключительно для ПК, не раскрывая, впрочем, никаких деталей будущей технологии, и собираются впоследствии вовлечь в свою работу как CEA, так и европейский IPCF (International Power-Line Communications Forum).
Европейский форум сегодня представляет собой объединение немецкой организации PTF и международной IPF. Среди многочисленных его членов (более 100) крупные корпорации Alcatel, Lucent Technologies, AT&T, Bosch Telecom, Siemens, Cisco, France Telecom, Ericsson, TI, Sun Microsystems, S3/Diamond, Russian Power System Company и многие другие, а также некоторые американские технологические компании — Intellon, Enikia.
Рынок и технологии
Одной из наиболее перспективных методик повышения пропускной способности физических сред, зашумленных динамически возникающими помехами (различные включающиеся и выключающиеся потребители энергии, например электродвигатели), являются системы передачи данных с расширением спектра (spread spectrum). Дело в том, что в реальной электрической сети наблюдается очень сильная зависимость коэффициента затухания от частоты, а также от режима нагрузки линии, которая изменяется со временем. Поэтому узкополосный сигнал вполне может периодически существенно ослабляться, что недопустимо при высоком уровне шумов. Впрочем, и широкополосный сигнал будет изменяться до неузнаваемости вследствие наличия частотной зависимости. На первый план выходит проблема синхронизации. В таких сетях можно использовать только небольшие по размеру пакеты, поскольку условия передачи изменяются очень быстро, а количество конкурирующих приложений будет весьма велико. В связи с этим потребуется также эффективный механизм изменения параметров установленного соединения. Крайне необходимы средства обеспечения гарантированного качества обслуживания (QoS), поскольку такие типичные домашние применения сети, как передача видео-, аудиопотоков, Internet-телефония, крайне чувствительны к задержкам в поступлении данных. Проще говоря, телефонный разговор не должен прерываться из-за того, что кто-то копирует файл из Internet.
X-10 и CEBus
Образование HomePlug явилось, по сути, запоздалой реакцией крупных корпораций на изменение рыночной ситуации. Ведь небольшие гибкие компании уже несколько лет совершенствуют и выпускают реально функционирующее оборудование. Рассмотрим вначале две технологии, появившиеся довольно давно и уже признанные рынком как стандарты де-факто.
X-10 — одна из наиболее ранних разработок с более чем двадцатилетней историей — использует амплитудно-частотную модуляцию. Передача ведется только в моменты нулевого значения напряжения по одному биту за раз. Таким образом, максимальная скорость определяется частотой переменного тока. Данные оформляются в пакеты длиной 11 бит. Область использования X-10 ограничивается функциями управления приборами и бытовой техникой.
Ассоциация CEA продвигает стандарт для реализации физического уровня сети на базе электропроводки под названием CEBus. Продукты на основе этих спецификаций проектировала в свое время компания Intellon. Доступ к сетевым ресурсам осуществляется по протоколу разрешения коллизий CSMA/CDCR (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection and Resolution), который был вполне обоснованно раскритикован специалистами Adaptive Networks. В результате компания, как несогласная, присоединилась к новому альянсу HomePlug. В соответствии с CEBus, соединение устанавливается между любыми двумя устройствами, в то время как остальные узлы вынуждены прослушивать сеть, ожидая паузы в их взаимодействии. Основным предметом «диалога» являются объекты языка CAL (Common Application Language), каждый из которых характеризуется контекстом и набором переменных. Контекст описывает тип сетевого устройства, а набор переменных определяет его функциональность. Например, объект, описывающий телевизор, может иметь переменные, отвечающие за уровень громкости, номер канала и т. д.
Теперь, когда «старейшим» отдано должное, бросим взгляд на молодую поросль конкурентов, которая готовится бурно «расцвести» уже в ближайшие годы.
Enikia
Американская фирма с греческим названием (Enikia от греческого «дома» или «на дому»), созданная в 1997 г., изначально направила все свои усилия на развитие домашних сетей. По мнению ее специалистов, они будут, в первую очередь, предназначены для разделения одного канала доступа в Internet различными интеллектуальными устройствами (ПК, цифровыми телевизорами, Internet-телефонами и т. д.). Главная задача Enikia, как говорится в ее пресс-релизах, это, соединив плоды усилий Internet-провайдеров и разработчиков «умной» бытовой техники, реализовать оригинальную стратегию «последнего дюйма», т. е. обеспечить скоростное сетевое соединение для распределенных по всему дому встроенных компьютеров. И эта компания, не желающая раскрывать детали своих технологий якобы по причине их «революционности», действительно достигла определенных успехов. Немецкая корпорация Veba образовала в марте этого года фирму Oneline AG для предоставления услуг доступа к Internet через провода электросети на основе разработок Enikia. Многие аналитики скептически относятся к этому решению, к тому же похоже, что оно противоречит главной стратегии компании. Во всех официальных презентациях говорится об ориентации на небольшие домашние сети, как о главном отличии и преимуществе. Еще в 1997 г. Nortel совместно с британской компанией United Utilities сделала попытку реализовать подобный проект, однако они не смогли справиться со множеством проблем. Наиболее досадным оказался тот факт, что фонарные столбы, лампы которых использовали общую с системой сеть питания, начали работать как радиоретрансляторы, переизлучая весь Internet-трафик в эфир. Образованное совместное предприятие Nor.Web бесславно закрылось в прошлом году, хотя его руководство и немецкая сторона были готовы продолжать борьбу. Они считают, что технология вполне жизнеспособна, и причины такого решения кроются в смене коммерческих приоритетов Nortel. С другой стороны, уже довольно давно и успешно функционируют системы передачи данных через электропроводку узкоспециального назначения. Например, на севере Испании в Баскском районе создана сеть из 50 концентраторов, находящихся на трансформаторных подстанциях, и 1500 интеллектуальных счетчиков электричества, фиксирующих потребление электроэнергии в режиме реального времени. В проекте, реализованном силами местных энергокомпаний, было использовано оборудование Adaptive Networks, обеспечивающее передачу данных со скоростью 19,2 Kbps.
Enikia обещает даже в своих первых чипсетах предложить обмен данными на скорости 10 Mbps, причем утверждается, что технология позволяет свободно масштабировать уровень производительности. Поддерживается адресация до 256 устройств. Чтобы обеспечить приемлемый уровень безопасности, предусмотрено шифрование данных, а каждое устройство в сети снабжено идентификационным кодом. Разработанные маршрутизаторы поддерживают методики распределения адресов DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) и NAT (Network Address Translation), что делает этот процесс прозрачным для пользователя. Мощность передатчиков подбирается таким образом, чтобы удовлетворять нужды дома общей площадью 465 кв. м, но не давать сигналу покинуть его пределы. Обещана плавная регулировка скорости соединения в зависимости от уровня помех. Не все так гладко с многоквартирными домами, где в случае взаимодействия сигналов между различными квартирами пропускная способность сети будет пропорционально разделена между ними. Новая технология должна мирно сосуществовать с CEBus и X-10. Сетевые адаптеры будут выпускаться как для подключения через USB, так и через параллельный порт. Необходимо заметить, что собственно Enikia не производит ни оборудования (только образцы), ни чипсетов. Для работы не потребуется нового ПО, поскольку декларируется полная совместимость с Ethernet. Основу сети составляет маршрутизатор, через который происходит подключение к Internet. Все клиентские устройства работают с адаптерами двух типов: для подсоединения компьютеров и для IP-телефонов. Маршрутизатор выполняет необходимые для функционирования сети программы: удаленного управления (обеспечивает дистанционное конфигурирование домашней сети сотрудниками провайдера), Internet-телефонии, вспомогательное ПО (Web-серверы, автоматизация дома и т. д.), прокси-сервер, системное ПО для конфигурирования сети.
Adaptive Networks
Эта компания, один из старожилов рынка, начала свою работу в 1989 г., предложив чипсет, реализующий передачу данных по электропроводке со скоростью 19,2 Kbps. В 1995 г. им удалось повысить скорость до 100 Kbps, а до конца 2000 г. Adaptive Networks обещает представить мегабитовую технологию. Область интересов компании не ограничивается домашними сетями, как в случае с Enikia, а распространяется на промышленные системы контроля, информационные сети для транспорта, управления торговыми автоматами. Успехи компании в этой области столь значительны, что ISO даже выбрала ее технологию мониторинга корабельных рефрижераторов в качестве стандарта. 26 января 2000 г. после выступления президента Майкла Проппа (Michael Propp) на Первой международной конференции по цифровым коммуникациям на основе электропроводки в Лондоне (First International Conference on Digital Powerline Communications), где он обрисовал широкие перспективы, открывающиеся перед этим видом сетевых технологий (в 35 млн. американских домов в следующем году будет установлено более одного компьютера), фирма присоединилась к сообществу разработчиков Jini-совместимых устройств, что свидетельствует о повышении ее интереса к домашним сетям.
В отличие от принципов, применяемых для DSL-линий, когда в любой момент времени взаимодействуют только два узла — один приемник и один передатчик, специалисты Adaptive Networks считают, что для сетей на основе электропроводки больше подходит схема, когда передаваемую информацию получают все приемники, подстраиваясь под текущие условия в линии, в то время как передатчик не заботится о создании «тепличных» условий для какого-либо одного текущего получателя. Наиболее подходящим методом доступа к среде они считают схему с передачей маркера (token passing MAC), так как при высоком уровне шумов некоторые узлы могут и не услышать чужую передачу. Соответственно вводятся понятия Token Rotation Time (TRT) и Token Hold Time (THT). Первое устанавливает максимальное время ожидания получения маркера, а второе — максимальное время удержания маркера узлом. Вместе они гарантируют получение доступа к сети всем узлам. Тут приобретает особое значение размер пакета — он должен быть невелик, так как передача одной, но очень большой порции данных может привести к нежелательным задержкам. Помимо этого, очень малые пакеты позволяют эффективно бороться с импульсными помехами. Конечно, уделяется большое внимание схемам обнаружения и коррекции ошибок. В результате разработчикам удалось достичь значения BER (Bit Error Rate) в 10-9. Как и специалисты Enikia, разработчики Adaptive Networks пришли к схеме широкополосной модуляции с расширением спектра (wideband spread spectrum modulation). Чтобы избежать проблем с частотно-зависимым затуханием и, следовательно, искажениями формы сигнала, используется фирменная схема адаптивной компенсации (adaptive equalization). Кроме разработки оригинального физического уровня, компания создала протокол для коррекции и обнаружения ошибок Reliable Low Level Link Protocol и уровень MAC (Media Access Control), обеспечивающий стандартный интерфейс для вышележащих слоев модели спецификации 802 LAN.
На данный момент Adaptive Networks предлагает три серии комплектов: AN48, AN192 и AN1000. Они доступны в различных конструктивных исполнениях в виде отдельных модулей или чипсетов. Первый из них обеспечивает передачу данных со скоростью 4,8 Kbps, второй — 19,2 Kbps, третий — 100 Kbps. AN192 и AN1000 используют частоты до 450 kHz, как это предписано FCC, а AN48 функционирует в рамках полосы от 9 до 95 kHz и соответствует требованиям европейского стандарта CENELEC. AN1000 Chip Set состоит из трех независимых чипов: PLC1000A и PLC1000D — аналоговый и цифровой чипы, реализующие протоколы физического уровня, и DLP (Data Link Layer and Applications Processor), который отвечает за выполнение программ, записанных в 12 KB ROM. Полная пропускная способность достигает 268 Kbps, следовательно, на один бит полезной информации приходится примерно два с половиной бита избыточной. Связь с ПК может осуществляться по стандартным последовательному (RS-232) и параллельному интерфейсам. Используемая архитектура поддерживает адресацию до 65534 узлов.
Intellon
Вот уже в течение 10 лет Intellon претворяет в жизнь свой лозунг: «No New Wires». Не владея производственными мощностями, она занимается только проектированием чипсетов на основе собственных технологий. Работа ведется сразу в двух областях: беспроводных коммуникаций (Spread Spectrum Carrier) и домашних сетей на базе электропроводки (Power Packet).
Power Packet основывается на модифицированном методе модуляции OFDM (Оrthogonal Frequency Division Multiplexing), представляющем собой, в самом общем виде, мультиплексирование с разделением по частотам сигналов с фазовой модуляцией. Одним из его преимуществ является высокая устойчивость к провалам в спектре, возникающим вследствие многопутевого (multipath) затухания. Узкополосное затухание может исключить одну или более несущих. Надежное соединение достигается благодаря распределению энергии символа данных по нескольким частотам. Модуляция обеспечивает наименьшую интерференцию и спектр, похожий на спектр «белого шума». Поскольку скорость модуляции каждой из несущих невысока, ослабление сигнала в среде с многими путями невелико. Это облегчает компенсацию, а если вдобавок использовать разностную схему модуляции, например квадратурную фазовую модуляцию DQPSK, то необходимость в компенсации отпадает вовсе. Если для одной из несущих складывается неблагоприятная ситуация с высоким уровнем шумов и сильным затуханием (неприемлемое соотношение сигнал/шум), то ее можно просто временно исключить из списка используемых. Это позволяет технологии соответствовать самым различным государственным стандартам и требованиям без каких-либо модификаций, достаточно просто исключить спорные частоты. Кроме того, вместо коротких модуляционных символов, состоящих из нескольких бит, специалисты компании используют модуляционные символы, содержащие сотни бит.
В ходе многочисленных экспериментов в «полевых условиях» они рассчитали, что в электропроводке типичного дома максимальная задержка между приемом первичного сигнала и его отражением будет лежать в пределах 1 мс. При использовании частоты 1 MHz длительность сигнала, соответствующего одному символу данных, составит 1 мс, следовательно, каждый последующий символ будет интерферировать с предыдущим. Увеличив длину символа и введя микросекундное поле преамбулы, удается исключить межсимвольную интерференцию (ISI). Остается, однако, нерешенной проблема затухания, вызванная все теми же многопутевыми отражениями, попадающими на вход приемника в противофазе по отношению к оригинальному сигналу. Было выяснено, что в такой ситуации чаще всего происходит «выпадение» лишь на отдельных частотах, что легко исправляется с помощью стандартных схем коррекции ошибок. Разложение символа данных по несущим выполняется путем прямого быстрого преобразования Фурье (БПФ), а приемник восстанавливает исходные данные с помощью обратного БПФ. Широкое внедрение технологии, созданной еще в 70-х гг., стало возможным только благодаря стремительной эволюции микроэлектроники, а именно, появлению дешевых и мощных однокристальных DSP-процессоров.
В 1998 г. фирма провела широкие полевые испытания модифицированной модуляции OFDM в реальных домах в трех географических регионах. Максимальная достигнутая скорость передачи полезных данных составляла 11 Mbps, а средняя — 8 Mbps с показателем BER ниже чем 10-7. При этом была доказана полная совместимость технологии с правилами FCC Part 15.
Свидетельством успеха стали не только инвестиции, пришедшие от корпорации S3 в начале этого месяца. Буквально на прошлой неделе появилась информация о том, что HomePlug Alliance будет разрабатывать стандарт на базе технологии, предложенной Intellon. Ожидается, что полупроводниковые компании анонсируют чипы, соответствующие этому стандарту, уже в текущем году, а продукты появятся на рынке в начале 2001 г. Однако ряд организаций по стандартизации, образованных в рамках ассоциации Electronics Industries Association/Consumer Electronics Association, заявили, что выбор с ними не согласовали и группа R7.3 будет разрабатывать свой собственный стандарт.
Media Fusion
Даллаская компания, основанная в 1995 г., похоже, собирается совершить революцию в области сетей на базе электропроводки, да и коммуникаций вообще. Если верить их словам, разработанная Уильямом Стюартом (William ‘Luke’ Stewart) технология PAN (Powerline Area Network) позволит получать из электророзетки до 2,5 GBps (!). Интерфейсный контроллер должен будет предусматривать подключение разъемов коаксиального (видео) и RJ-11, а в качестве «клиентов» сети могут выступать телевизоры, телефоны, компьютеры, «умные» бытовые приборы. И, о чудо, Стюарт сумел решить проблему трансформаторов, т. е. теперь распределительные подстанции перестали являться препятствием на пути потока данных.
В роли носителя информации в этой технологии выступает магнитное поле, которое генерируется переменным током, протекающим в электропроводке. В качестве передатчика применяется мазер. Это устройство, аналогичное лазеру, но действующее в высокочастотном радиодиапазоне, генерирует когерентное электромагнитное излучение. Оно модулируется данными, а электромагнитная линза концентрирует полученные колебания на линию электропроводки. Используется диапазон частот 30—300 GHz. Сигналы мазера транслируются в промежутках между максимумами напряженности магнитного поля, порожденного переменным током. Электропроводка играет роль волновода, по которому сигнал мазера распространяется практически на неограниченные расстояния без существенного ослабления. Прием, т. е. преобразование возмущений магнитного поля в электрические сигналы, осуществляется с помощью обычного керамического индуктивного контура.
Планы компании обширны. На данный момент собрано около 10 млн. долл. от более чем 200 инвесторов. К осени они надеются представить работающую демонстрационную установку, а следующим летом заняться коммерческим внедрением своего изобретения. Президент Media Fusion Эдвин Блейр (Edwin Blair) сулит невиданные блага, которые должна принести PAN. Стоимость построения гигантской сети, охватывающей все Соединенные Штаты, оценивается им всего в 65 млн. долл., при этом абонплата за ее использование может быть установлена на уровне 5 долл. в месяц. И потребитель должен быть заинтересован в скорейшем подключении к сервису, поскольку благодаря невероятной пропускной способности становится возможной интеграция всех видов связи — от дешевого и быстрого соединения с Internet до обслуживания локальных, междугородных и международных телефонных вызовов по единым фиксированным тарифам. Блейр также видит большие перспективы на рынках развивающихся стран (Греция, Китай, Южная Корея и т. д.), так как 85% домов в мире имеют доступ к электрической сети, а к телефонной — всего около двенадцати. Обещанная стоимость комплекта оборудования для обслуживания одного дома весьма привлекательна — около 60 долл.
Долго «сказка сказывалась», но 9 декабря прошлого года компания объявила о регистрации патента на технологию, которая наконец-то обрела свое название Advanced Sub-Carrier ModulationTM и довольно туманное разъяснение базовых принципов. Тем не менее нет никаких подтверждений, что все описанное на бумаге сработает на практике.
Подведем краткий итог. Множество компаний соревнуется за право предложить свою технологию провайдерам доступа к Internet и домовладельцам. Рынок унифицированных коммуникаций, объединяющих разрозненные сети, передающие голос, видео и данные в один мощный поток информации, стремительно растет и требует к себе особого внимания. Критическая ситуация, когда «низы» уже не могут удовлетворить свою информационную «жажду» из тонкого ручейка телефонных линий, а «верхи» не в состоянии предложить им более производительное решение за приемлемую цену, приближается к своему апофеозу. И в первую очередь такая ситуация должна обеспокоить телефонные компании, поскольку их инертность может привести к моментальному переразделу рынка. Что ж, хотя Media Fusion ничего, кроме обещаний, пока представить нам не может, тем не менее это уже первый звонок…