2.3.1 Các mô hình kết nối:
Việc kết nối mạng truy nhập PLC đến mạng lõi có thể bằng nhiều hình thức như: -Sử dụng hạ tầng quang hoặc mạng cáp sẵn có.
-Sử dụng các mạng wireless như WIMAX, WLL,...
-ứng dụng công nghệ PLC trên mạng lưới truyền tải điện trung thế.Các mô hình kết nối mạng truy nhập đến mạng lõi
19
- Mô hình mạng (bus): Tất cả các trạm phân chia một đường truyền chung
(bus).Đường truyền chính được giới hạn hai đầu bằng hai đầu nối đặc biệt gọi là bên trong (terminator). Mỗi trạm được nối với trục chính qua một đầu nối chữ T hoặc một
thiết bị thu phát. Mô hình mạng Bus hoạt động theo các liên kết điểm đến nhiều điểm. Ưu điểm: Dễ thiết kế, chi phí thấp, khuyết điểm: Tính ổn định kém, chỉ một nút mạng
hỏng là toàn bộ mạng bị ngừng hoạt động.
-Mô hình hình sao: Mạng hình sao có tất cả các trạm được kết nối với một thiết bị trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển đến trạm đích. Tùy theo yêu cầu truyền thông trên mạng mà thiết bị trung tâm có thể là bộ chia tín hiệu (Switch,
router, hub) hay máy chủ trung tâm. Vai trò của thiết bị trung tâm là thiết lập các liên kết điểm đến điểm. ưu điểm: Thiết lập mạng đơn giản, dễ dàng cấu hình lại mạng (thêm, bớt các trạm), dễ dàng kiểm soát và khắc phục sự cố, tận dụng được tối đa tốc độ đường truyền của đường truyền vật lý. Khuyết điểm: Độ dài đường truyền nối một trạm với thiết bị trung tâm bị hạn chế (trong vùng 100m, với công nghệ hiện nay) -Mô hình mạch vòng (Ring): Trên mạng hình vòng tín hiệu được truyền đI trên vòng theo một chiều duy nhất. Mỗi trạm của mạng được nối với nhau qua bộ chuyển tiếp có nhiệm vụ nhận tín hiệu rồi chuyển tiếp đến trạm kế tiếp trên vòng.
Như vậy tín hiệu được lưu chuyển trên vòng theo một chuỗi liên tiếp các liên kết điểm đến điểm giữa các bộ lặp. Mạng hình vòng có ưu, nhược điểm tương tự như mạng hình sao, tuy nhiên mạng hình vòng đòi hỏi giao thức truy nhập mạng phức tạp hơn
mạng hình sao. Ngoài ra còn có các kết nối hỗn hợp giữa kiến trúc mạng trên như: Star Bus, Star Ring
+ Mạng bus:
20
Hình 2.7: cấu trúc mạng bus +Mạng hình sao: Hình 2.8: cấu trúc mạng hình sao +Mạng mạch vòng Ring: 21 download by : skknchat@gmail.com
Hình 2.9: cấu trúc mạng mạch vòng ring. 2.3.2 Quản lí mạng truy cập PLC:
Do đặc điểm của mạng PLC là phân bố rộng, nên việc tối ưu hệ thống quản lý mạng là vô cùng quan trọng. Quản lý mạng truy nhập PLC bao gồm việc quản lý cấu hình các phần tử mạng. Các chức năng quản lý có thể được thực hiện trên mọi vị trí hay quản lý từ xa.
Hình 2.10: Quản lý mạng PLC
22
Như vậy, việc ứng dụng công nghệ PLC vào mạng truy nhập viễn thông đem lại tiềm năng to lớn, hứa hẹn cung cấp các dịch vụ băng thông rộng, tốc độ cao, tiện dụng và chi phí hạ tầng được tiết kiệm tối đa.
2.4 Các yếu tố ảnh hưởng trong truyền thông PLC:2.4.1 Đặc tính kênh truyền đường cáp điện: 2.4.1 Đặc tính kênh truyền đường cáp điện:
Môi trường hoạt động là một vấn đề đối với bất kỳ một hệ thống thông tin nào.
Lưới điện là một môi trường vô cùng phức tạp với rất nhiều các loại tín hiệu khác nhau cùng tồn tại như tín hiệu xoay chiều 220V-50Hz, các loại nhiễu trên mọi dải tần,
các sóng vô tuyến, các xung điện áp xuất phát từ các thiết bị điện. Ngoài ra,không thể phản ánh một cách chính xác năng lượng trong môi trường dây điện. Trong khi đó, thực tế là điện dung của dây bị chi phối trong các trường hợp mở trở kháng lớn hơn nhiều đặc tính của dây, đường điện thường phải tải với trở kháng rõ ràng thấp hơn trở kháng của dây. Một số loại tải có tính dung kháng, tuy trở kháng đối với tín hiệu điện 50Hz lớn nhưng lại là trở kháng nhỏ so với tín hiệu truyền dẫn tần số cao, do đó làm suy giảm nghiêm trọng đến sự truyền dẫn tín hiệu của PLC.
Tải trở kháng thấp 0.1 µF
Sự phát nóng của đường dây 2KW 240VAC 30 Ohms
Bảng 2: Tải đường dây trở kháng thấp
23
Hình 2.11: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ
Hình 2.12: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lưới điện 2.4.2 Sự giới hạn băng thông:
Như mô tả ở trên, bề rộng băng thông là tỷ lệ với tốc độ bit, vì thế một băng thông lớn là cần thiết trong truyền thông với tốc độ bit cao. ở châu âu, băng thông cho phép
24
được quy định bởi tiêu chuẩn CENELEC, tiêu chuẩn này chỉ cho phép dải tần số giữa
3kHz và 148.5kHz. Điều này gây khó khăn cho PLC vì với băng thông như vậy không thể thực hiện được việc truyền những thông tin yêu cầu tốc độ mức cao như âm thanh,
hình ảnh trực tuyến Hình 10 trình bày băng thông một cách chi tiết của tiêu chuẩn CENELEC. Dải tần số của PLC được chia thành 5 băng nhỏ. Hai băng đầu (3-9 và 9- 95 kHz) làgiới hạn cho các nhà cung cấp năng lượng và 3 giới hạn kia dành cho tuỳ chọn của khách hàng cung cấp năng lượng. Trong phần ghi chú thêm, chuẩn băng tần được cho phép cũng giới hạn năng lượng tại máy phát. Như vậy, hiện tại vẫn chưa có một thống nhất cho phép về băng tần của PLC, đó là một giới hạn rất lớn ảnh hưởng đến sự phát triển của PLC.
Hình 2.13: Các băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC
Trong việc tăng thêm tốc độ bit, băng thông rộng hơn có thể là cần thiết. Các nghiên cứu gần đây đưa ra đề nghị tần số được sử dụng trong khoảng giữa 1 và 20 MHz. Nếu khoảng tần số này được sử dụng, nó có thể làm tăng thêm rất lớn băng thông và có thể cho phép các ứng dụng cần tốc độ bit cao trên đường cáp điện. Một vấn đề quan trọng là một phần của băng tần này đã được phân cho hệ thống thông tin khác. Những hệ thống thông tin khác sử dụng những băng tần cho phép này cũng gây
25
nhiễu loạn tới hệ thống thông tin trên đường điện PLC. Một ví dụ về hệ thống thông tin trong dải này là radio, radio nghiệp dư và hoa tiêu máy bay.
2.4.3 Nhiễu trên đượng cáp điện:
Nguồn gây nhiễu chính trên lưới điện xuất phát từ các thiết bị điện, chúng sử dụng nguồn điện cung cấp 50Hz và phát ra thành phần nhiễu kéo dài trên toàn bộ phổ tần của lưới điện, phần nữa chính là từ sóng radio ở khắp mọi nơi như các hệ thống thông tin di động, phát thanh, truyền hình, kiểm soát không lưu, quân sự ở mọi băng tần được sử dụng từ sóng tần số thấp vài trăm kHz đến sóng tần số siêu cao hàng GHz
mang lại. Nguồn nhiễu sơ cấp của nhiễu trong khu vực dân cư là các thiết bị điện dân dụng như là động cơ, đèn chiếu sáng, tivi. Ta có thể chia nhiễu thành các loại như sau:
2.4.4 Nhiếu tần số 50Hz:
Nhiễu này xuất hiện đồng thời với sóng mang trên lưới điện, nó bao gồm tín
hiệu tần số 50 Hz và các hài của nó. Tuy nhiên, do có tần số thấp nên nguồn nhiễu này chỉ có ảnh hưởng chút ít tới hoạt động của hệ thống. Tần số làm việc của hệ thống
càng nhỏ thì ảnh hưởng của loại nhiễu này càng lớn và ngược lại.
2.4.5 Nhiễu xung đột biến:
26
Hình 2.14: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn
Xuất hiện một cách bất thường trên lưới điện, mỗi khi có một thiết bị điện kết nối hoặc được ngắt khỏi lưới điện, đặc biệt là những thiết bị có công suất lớn như bếp điện, bàn là, hoặc thiết bị có sự phóng điện như đèn neon. Một thiết bị như vậy khi đóng, ngắt khỏi ổ điện tức là sẽ đóng, ngắt dòng điện lớn làm xuất hiện sự phóng tia lửa điện tại chỗ tiếp xúc, bản thân tia lửa điện này là một nhiễu dải rộng bao gồm rất nhiều tần số khác nhau, mang các mức năng lượng khác nhau.
2.4.6 Nhiễu xung tuần hoàn:
Hình 2.15: Nhiễu xung tuần hoàn
27
Hầu hết nguồn gây nhiễu kiểu này đều xuất phát từ các Triac điều khiển đèn điện tần số xuất hiện của nó bằng hai lần tần số dòng xoay chiều trên lưới, hay nói cách khác là nó sẽ lặp lại sau mỗi nửa chu kỳ.
2.4.7 Nhiễu xung kéo dài:
Hình 2.16: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó
Được gây ra bởi các loại động cơ điện, một chiều hoặc xoay chiều trong các thiết bị điện (máy khoan, động cơ truyền lực, máy hut bụi và nhiều các thiết bị ứng dụng khác). Các bộ phận tiếp xúc như cổ góp ở động, cơ điện một chiều sẽ là một trong những nguyên nhân gây nhiễu trên, xuất hiện với tần số của chuỗi xung khoảng vài kHz trở xuống.
2.4.8 Nhiễu chu kì không đồng bộ:
Kiểu nhiễu này có đường phổ không tương quan với sóng sin 50Hz. Việc khởi động thiết bị điện như tivi sẽ làm phát ra loại nhiễu này đồng thời với tần số quét mạnh 15.734 Hz trong tivi. Các thành phần của nhiễu này cần phải được loại bỏ khi thiết kế một hệ thống thu phát. Nó được thấy nhiều trong các khu dân cư và rất không ổn định, mức độ nhiễu thay đổi theo từng ngày, từng giờ tuỳ theo việc sử dụng của người dân. Loại nhiễu này có khuynh hướng giảm dần năng lượng khi mà tần số tăng
28
lên. Mật độ năng lượng nhiễu tập trung dày ở phạm vi tần số thấp. Điều đó có nghĩa là tín hiệu sóng mang trong PLC sẽ ít bị ảnh hưởng của nhiễu hơn khi tần số được tăng lên.
2.4.9 Nhiễu sóng radio:
Bản thân lưới điện chính là một anten rất lớn thu nhận, phát xạ các sóng vô tuyến từ dải tần rất thấp cho đến rất cao. Các dải sóng do các đài phát thanh, phát hình hay radio nghiệp dư phát đi được lưới điện thu được và đó chính là một nguồn gây nhiễu rất đáng kể cho hệ thống thông tin PLC. Thêm vào đó khoảng tần số sử dụng ở PLC cũng bao gồm một khoảng dải tần đã cấp phép sử dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến, chính vì thề mà các tần số cho radio đó nhiều khi rất gần tần số sử dụng của PLC.
2.4.10 Nhiễu nền:
Đây là loại nhiễu mà ta có thể thấy ở bất kì đâu trên lưới điện và đối với mọi loại
hệ thống thông tin. Nó không được gây ra bởi người sử dụng hay bởi các thiết bị điện.
2.5 Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng:
Việc phối hợp trở kháng luôn được cố gắng, như là việc sử dụng cáp 50Ohm và máy thu phát 50Ohm. Mạng lưới điện sẽ không tương thích. Cũng giống như đối với nhiễu, trở kháng của lưới điện thay đổi phụ thuộc vào lượng tải tiêu thụ và vào vị trí của các tải đó trên lưới điện. Nó có thể thấp đến cỡ mili Ohm và cao đến với ngàn
Ohm và đặc biệt là thấp tại các trạm biến áp cấp điện, ở hình trên là biểu đồ trở kháng của lưới điện đo được theo các tần số khác nhau. Ngoại trừ một vài trở kháng đầu vào, các trở kháng phối hợp khác xuất hiện trong kênh truyền lưới điện, hộp cáp điện không tương thích với các dây cáp và vì thế làm cho tín hiệu bị suy hao. Những nghiên
29
cứu gần đây đưa ra đề nghị sử dụng bộ lọc ổn định mạng. Giá thành của những bộ lọc này có thể cao và chúng cần được lắp đặt trong mỗi hộp đấu cáp.
2.6 Suy hao trên lưới điện:
Một vấn đề lớn khác ảnh hưởng đến việc truyền thông trên đường cáp điện là sự suy hao. Đối với sóng tần số cao truyền trên lưới điện thì sự suy hao là rất lớn, lớn hơn so với các hệ thống thông tin khác như thông tin vô tuyến, cáp, cáp quang. Các yếu tố dẫn đến điều đó bao gồm: Thứ nhất là do các tải tiêu thụ kết nối với lưới điện, bản thân mỗi tải tiêu thụ điện thì cũng sẽ tiêu thụ tín hiệu cao tần dù nhiều hay ít, và thực tế cho thấy rằng sự suy giảm gây ra là rất đáng kể, đặc biệt là những thiết bị có tính dung kháng hoặc những thiết bị đốt nóng (có công suất lớn).
Nguyên nhân này rất khó giải quyết do không thể thay đổi toàn bộ các thiết bị điện cho phù hợp với sự truyền thông của PLC mà ngược lại, chính PLC phải tìm cách thích hợp với môi trường sẵn có như thế. Thứ hai là sự phát xạ của sóng cao tần khi chạy trên lưới điện. Bản thân lưới điện chính là một anten rất lớn, dòng điện cao tần chạy trên lưới điện sẽ phát xạ liên tục ở mọi điểm, nhất là những đoạn dây điện có điều kiện bức xạ tốt. Để hạn chế hiện tượng này thì phải sử dụng những dải tần thích hợp trong từng điều kiện cụ thể để có thể giảm bớt sự bức xạ chung.
2.7 Hiện tượng sóng dừng
Đây là hiện tượng cũng dễ xảy ra trong các hệ thống thông tin có sử dụng sóng mang truyền trên đường cáp nhất là đối với các sóng mang tần số cao. Khi sóng được phát đi từ một điểm trên lưới điện, nó sẽ truyền lan khắp lưới điện và suy hao
dần. Nếu như tại điểm phát đi không phải là mạng lưới điện mà chỉ là đôi dây dẫn dài, khi đó toàn bộ sóng phát ra sẽ truyền đi cùng một hướng trên dây dẫn đó. Xét tại một
điểm A trên đường truyền có một tải tiêu thụ công suất lớn (hoặc có dung kháng lớn)
30
cách điểm phát sóng một khoảng dài L. Tại điểm này thì sóng sẽ có biên độ rất nhỏ, hay nói cách khác thì sóng sẽ không truyền qua điểm này được và một phần sẽ phản xạ trở lại. Nếu L thoả mãn điều kiện L=k*ở/2 thì sẽ xảy ra hiện tượng sóng dừng và điểm phát và điểm A sẽ là nút sóng và có biên độ sóng nhỏ nhất, những điểm nằm trong khoảng từ máy phát đến tải và cách đến máy phát bằng n*ở/2 sẽ có biên độ sóng nhỏ nhất và những điểm cách máy phát (2n+1)*ở/4 sẽ có biên độ sóng lớn nhất. Nếu trên đoạn cáp điện đó không có tải tiêu thụ và tại điểm đầu cuối cách máy phát một khoảng L là hở mạch thì khi đến điểm này, sóng sẽ bị phản xạ trở lại. Và khi L thoả mãn điều kiện L= (2k+1)*ở/4 thì cũng sẽ xảy ra hiện tượng sóng dừng tương tự như trên. Như vậy hiện tượng sóng dừng sẽ ảnh hưởng ít nhiều đến truyền thông trên lưới điện vì nếu máy thu đặt tại nút sóng thì tín hiệu thu được sẽ rất yếu.
2.8 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu
Khi truyền tín hiệu đi trên đường điện, tín hiệu sẽ được phát xạ vào không gian. Có thể xem lưới điện là một anten khổng lồ, thu và phát các tín hiệu, vì vậy phải làm thế nào để hạn chế tín hiệu phát xạ từ lưới điện, không gây nhiễu đến các hệ thống thông tin khác. Khi sử dụng dải tần số 1-20 MHz cho truyền thông, sự phát xạ một vấn đề vô cùng quan trọng bởi vì nhiều ứng dụng Radio khác được cho phép trong
khoảng tần số này. Nó không thích hợp cho một hệ thống gây nhiễu với thông tin trên máy bay, thông tin hàng hải, và các hệ thống thông tin quảng bá khác. Những nghiên cứu gần đây về vấn đề này cố gắng cần thiết đặt mức công suất phát của sự truyền
dẫn. Điều rất quan trọng là công việc này sẽ được hoàn thành trong tương lai gần, từ đó nó giới hạn việc sử dụng băng tần này và sự phát triển của hệ thống thông tin cho