Μελέτη Τηλεπικοινωνιακών Ετερογενών Αρχιτεκτονικών για Έξυπνα Ενεργειακά Δίκτυα στα πλαίσια Ανάπτυξης Επικοινωνιακών Συστημάτων 5ης Γενιάς

Transcript

1 Μελέτη Τηλεπικοινωνιακών Ετερογενών Αρχιτεκτονικών για Έξυπνα Ενεργειακά Δίκτυα στα πλαίσια Ανάπτυξης Επικοινωνιακών Συστημάτων 5ης Γενιάς Η Διπλωματική Εργασία παρουσιάστηκε ενώπιον του Διδακτικού Προσωπικού του Πανεπιστημίου Αιγαίου Σε Μερική Εκπλήρωση των Απαιτήσεων για τον Μεταπτυχιακό Τίτλο Τεχνολογίες Δικτύων Επικοινωνιών και Υπολογιστών του Αγγελή Νικολάου ΕΑΡΙΝΟ ΕΞΑΜΗΝΟ 2015

2 Η ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΔΙΔΑΣΚΟΝΤΩΝ ΕΠΙΚΥΡΩΝΕΙ ΤΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΟΥ ΑΓΓΕΛΗ ΝΙΚΟΛΑΟΥ: Βουγιούκας Δημοσθένης, Επιβλέπων, 13/3/2015 Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων Σκιάνης Χαράλαμπος, Μέλος Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων Καλλίγερος Εμμανουήλ, Μέλος Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΧΕΙΜΕΡΙΝΟ ΕΞΑΜΗΝΟ

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα διπλωματική εργασία διερευνά την υλοποίηση ενός επικοινωνιακού μοντέλου το οποίο καλείται να διασυνδέσει τις ενεργειακές διατάξεις του υπάρχοντος ηλεκτρικού δικτύου στην προσπάθεια υλοποίησης του Έξυπνου Ενεργειακού Δικτύου. Η ανάπτυξη των δικτύων 5ης γενιάς (5G) οριοθετούν ένα δίκτυο το οποίο θα είναι «έξυπνο». Το στοιχείο εκείνο που διαχωρίζει το παρόν ενεργειακό δίκτυο από το έξυπνο ενεργειακό δίκτυο είναι η αμφίδρομη λειτουργία του τόσο σε ενεργειακό όσο και επικοινωνιακό επίπεδο. Η αμφίδρομη λειτουργία ενσωματώνει πλήρως την επικοινωνία μεταξύ των διατάξεων σε κάθε επίπεδο του δικτύου. Αυτή η διεργασία απαιτεί ένα επικοινωνιακό δίκτυο με μεγάλο αριθμό πόρων ως προς την δυνατότητα μετάδοσης των δεδομένων και κατ επέκταση των εντολών ελέγχου του δικτύου. Οι παρούσες επικοινωνιακές αρχιτεκτονικές αποτελούν μία σημαντική λύση αλλά παρόλα αυτά υπάρχουν αρκετά ζητήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν όπως το γεγονός ότι το ενεργειακό δίκτυο έχει γραμμική αρχιτεκτονική. Ιδιαίτερα στο τμήμα του δικτύου που έχει να κάνει με την μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας αντιμετωπίζονται τα περισσότερα ζητήματα. Το επικοινωνιακό μοντέλο βασίζεται στις ψηφιακές επικοινωνίες και συγκεκριμένα στην τεχνική διαμόρφωσης του OFDM το οποίο ήδη συναντάται στις υπάρχουσες δικτυακές υλοποιήσεις του έξυπνου ενεργειακού δικτύου διαμέσου του PLC. Η διπλωματική εργασία χωρίζεται σε συνολικά σε πέντε κεφάλαια: Στο 1ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται από θεωρητικής πλευράς η αρχιτεκτονική του έξυπνου ενεργειακού δικτύου και τα αντίστοιχα επικοινωνιακά συστήματα που καλούνται να δημιουργήσουν την διασύνδεση μεταξύ των ενεργειακών διατάξεων. Στο 2ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται το θεωρητικό μοντέλο που αναπτύσσεται βάσει την επικοινωνιακών απαιτήσεων για την επικοινωνιακή υλοποίηση του δικτύου. Στο 3ο Κεφαλαίο παρουσιάζεται και αναπτύσσεται η υλοποίηση του επικοινωνιακού μοντέλου του ασύρματου καναλιού σε συσχετισμό με το θεωρητικό μοντέλο που έχει αναπτυχθεί στο δεύτερο κεφάλαιο Στο 4ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις και γίνεται η σύγκριση τους με τα αντίστοιχα πρότυπα του έξυπνου ενεργειακού δικτύου. Στο 5ο Κεφάλαιο γίνεται μια συνολική αποτίμηση όσον αφορά τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις όπως επίσης παρουσιάζονται και μελλοντικές προοπτικές σχετικά με την υλοποίηση του έξυπνου ενεργειακού δικτύου. Για την υλοποίηση και την προσομοίωση του συστήματος χρησιμοποιήθηκε η πλατφόρμα του LabVIEW της National Instruments του ΑΓΓΕΛΗ ΝΙΚΟΛΑΟΥ Τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ 3

4 ABSTRACT This thesis investigates the implementation of communication model that serves the purpose of interconnecting energy modules of the current electrical grid in order to satisfy the need for the legacy grid to upgrade in smart grid towards the implementation of 5G networks. The element that separates the legacy grid from smart grid is the ability for bidirectional operation in energy and communication level. Regarding the communication level all energy modules are embedded in a unified network in order to obtain the ability to interact between each other. That means that the communication network must be able to offer a large number of communication abilities in order to transmit the raw data that are produced from the energy level. Current communication systems offer a sustainable solution although there is a great deal of matters that must be dealt due to the fact that the communication architecture must be applied on the energetic architecture which has linear architecture. Especially on the field of energy transmission most matters appear. The communication model is based on digital communication and more specifically in OFDM that is already applied in current network implementations for smart grid through PLC. This thesis is separated in five chapters: On Chapter 1 it is presented current architectural development of smart energy grid from theoretical point and the corresponding communication systems that they have as purpose to implement the interconnection between energy modules. On Chapter 2 it is presented the theoretical model that is created based on communication requirements for the communication implementation of the network On Chapter 3 it is presented and developed the communication model of the wireless channel according to the theoretical model from chapter 2. On Chapter 4 it is presented the results from the simulations. The results are compared with the standards regarding the communication level of Smart Energy Grid. On Chapter 5 it is presented an overall perspective regarding the results from simulations and also presented future perspectives regarding the implementation of Smart Energy Grid. For the implementation of the model and the simulations we used LabVIEW of National Instruments ANGELIS NIKOLAOS Department of Information and Communication Systems Engineering UNIVERSITY OF THE AEGEAN 4

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε στο Πανεπιστήμιο Αιγαίου, στο τμήμα Μηχανικών Πληροφοριακών και Επικοινωνιακών Συστημάτων και συγκεκριμένα στο Εργαστήριο Συστημάτων Υπολογιστών και Επικοινωνιών, κατά το ακαδημαϊκό έτος Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα Καθηγητή Κ. Δημοσθένη Βουγιούκα για την μοναδική ευκαιρία που μου έδωσε να μπορέσω να φοιτήσω στο συγκεκριμένο μεταπτυχιακό πρόγραμμα και εν συνεχεία να μπορέσω να ασχοληθώ και να μελετήσω το αντικείμενο των ασύρματων επικοινωνιών και πως μπορεί να εφαρμοστεί στα πλαίσια ανάπτυξης του Έξυπνου Ενεργειακού Δικτύου. Τον ευχαριστώ θερμά για την υπομονή που επέδειξε απέναντι στα σφάλματα που έκανα αλλά και στις ευκαιρίες που μου έδωσε μέχρι στιγμής κατά την διάρκεια της φοίτησης μου. Εν συνεχεία θα ήθελα να ευχαριστήσω και τους υπόλοιπους καθηγητές του τμήματος για τις γνώσεις που μου παρείχαν πάνω στο ευρύτερο αντικείμενο των Τεχνολογιών Δικτύων και Επικοινωνιών. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά και την οικογένεια μου για την στήριξη που μου παρείχε σε αυτή μου την προσπάθεια. 5

6 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - ΤΟ ΈΞΥΠΝΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΌ ΔΊΚΤΥΟ (ΕΕΔ) ΤΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΌ ΔΊΚΤΥΟ ΤΟ ΈΞΥΠΝΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΌ ΔΊΚΤΥΟ (ΕΕΔ) Η ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΉ ΤΟΥ ΈΞΥΠΝΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΎ ΔΙΚΤΎΟΥ ΔΙΑΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΌΤΗΤΑ ΣΤΟ ΕΕΔ Ο ΡΌΛΟΣ ΤΩΝ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΏΝ ΥΠΟΔΟΜΏΝ ΣΤΟ ΕΕΔ Η περιοχή του καταναλωτή Δίκτυο επικοινωνιών κορμού Δίκτυα βασιζόμενα στο πρωτόκολλο διαδικτύου (Internet Protocol IP networks) Τεχνολογία WiMAX Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων και Ενεργοποιητών (Sensor and Actuator Networks SANETs) Δορυφορικές Επικοινωνίες ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΊΕΣ ΜΗΧΑΝΉΣ-ΜΕ-ΜΗΧΑΝΉ ( MACHINE-TO-MACHINE COMMUNICATIONS, M2M) ΣΎΣΤΗΜΑ ΜΈΤΡΗΣΗΣ ΕΥΡΕΊΑΣ ΠΕΡΙΟΧΉΣ (WIDE AREA MEASUREMENT SYSTEM WAMS) Φασιθετικοί μετρητές και Διαχειριστές Φασιθετικών μετρητών (PMU και PDC)..29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - ΘΕΩΡΗΤΙΚΌ ΜΟΝΤΈΛΟ ΑΣΎΡΜΑΤΟΥ ΔΙΚΤΎΟΥ ΚΑΘΟΡΙΣΜΌΣ ΤΩΝ ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΏΝ ΔΕΔΟΜΈΝΩΝ ΑΝΆ ΔΙΆΤΑΞΗ ΓΙΑ ΤΟ ΕΕΔ (NIST, EAL6, EAL7) ΘΕΩΡΗΤΙΚΌ ΜΟΝΤΈΛΟ ΠΟΜΠΟΔΈΚΤΗ ΜΕ ΤΗΝ ΧΡΉΣΗ OFDM ΘΕΩΡΗΤΙΚΌ ΜΟΝΤΈΛΟ ΓΡΑΜΜΉΣ ΜΕΤΑΦΟΡΆΣ ΠΟΜΠΟΔΈΚΤΗΣ ΜΕ IFFT ΚΑΙ FFT ΕΚΤΊΜΗΣΗ ΕΠΊΔΟΣΗΣ ΑΣΎΡΜΑΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΎ...45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - ΣΧΕΔΊΑΣΗ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΊΗΣΗ ΜΟΝΤΈΛΟΥ ΜΕ ΤΗ ΧΡΉΣΗ ΤΗΣ ΠΛΑΤΦΌΡΜΑΣ ΤΟΥ LABVIEW ΣΎΣΤΗΜΑ ΠΟΜΠΟΎ OFDM Χαρτογραφητής συμβόλων Γεννήτρια παραγωγής συμβόλων Εκχωρητής υποφερόντων Διαμορφωτής OFDM ΣΎΣΤΗΜΑ ΔΈΚΤΗ OFDM

7 3.2.1 Αποδιαμορφωτής χρόνου συχνότητας Εκτίμηση Επίδοσης Καναλιού Ανιχνευτής σήματος ΓΕΝΝΉΤΡΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΉΣ ΘΟΡΎΒΟΥ ΓΕΝΝΉΤΡΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΉΣ BITS ΚΑΝΆΛΙ ΜΕΤΆΔΟΣΗΣ ΜΕ ΕΙΣΑΓΩΓΉ ΘΟΡΎΒΟΥ ΕΦΑΡΜΟΓΉ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΉ Πολλαπλασιαστής πινάκων...71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - ΑΠΟΤΕΛΈΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΏΣΕΩΝ ΡΥΘΜΊΣΕΙΣ ΠΡΟΣΟΜΟΊΩΣΗΣ ΓΕΝΙΚΉ ΠΕΡΙΓΡΑΦΉ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΆΤΩΝ ΑΠΌ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΜΟΊΩΣΗ ΓΡΑΦΙΚΉ ΑΝΑΠΑΡΆΣΤΑΣΗ BER ΠΡΟΣ ΤΟ SNR ΓΡΑΦΙΚΉ ΑΝΑΠΑΡΆΣΤΑΣΗ ΦΑΣΜΑΤΙΚΉΣ ΑΠΌΔΟΣΗΣ (SPECTRAL EFFICIENCY) ΠΡΟΣ ΤΟ SNR...83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 -ΣΥΜΠΕΡΆΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΉ ΠΡΟΟΠΤΙΚΉ ΣΥΜΠΕΡΆΣΜΑΤΑ ΓΙΑ ΤΟ ΜΟΝΤΈΛΟ ΠΡΟΣΟΜΟΊΩΣΗΣ ΣΥΜΠΕΡΆΣΜΑΤΑ ΕΠΊ ΤΗΣ ΣΥΝΟΛΙΚΉΣ ΕΡΓΑΣΊΑΣ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΈΣ ΠΡΟΟΠΤΙΚΈΣ...89 Βιβλιογραφία

8 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1.1 Αρχιτεκτονική ΕΕΔ Σχήμα 1.2 Στοίβα GWAC [1] Σχήμα 1.3 Αρχιτεκτονική M2M [1] Σχήμα 1.4 Αρχιτεκτονική NASPInet [1] Σχήμα 1.5 Εσωτερική δομή του φασιθετικού μετρητή [1] Σχήμα 1.6 Αρχή λειτουργίας PDC[1] Σχήμα 1.7 Αρχιτεκτονική WAMS [1] Σχήμα 2.1 Κόμβοι επικοινωνίας στο ΕΕΔ Σχήμα 2.2 Θεωρητικό μοντέλο πομπού δέκτη Σχήμα 2.3 Δίκτυο μεταφοράς με την χρήση PMUs και PDCs [1],[2] Σχήμα 2.4 Θόρυβος στο κανάλι Σχήμα 2.5 Περιγραφή συχνότητας OFDM Σχήμα 2.6 Δομή του συμβόλου OFDM σε χρονικό πλαίσιο Σχήμα 2.7 Ορθογωνικά υποφέροντα σε σύστημα OFDM Σχήμα 2.8 Διαμόρφωση σήματος OFDM Σχήμα 3.1 Δομικό διάγραμμα πομπού Σχήμα 3.2 Δομικό διάγραμμα χαρτογραφητή για BPSK και QPSK Σχήμα 3.3 Δομικό διάγραμμα γεννήτριας παραγωγής συμβόλων Σχήμα 3.4 Δομικό διάγραμμα εκχωρητή υποφερόντων για ορθογωνική σχηματομορφή πιλότων οδηγών. Σχήμα 3.5 Δομικό διάγραμμα διαμορφωτή OFDM με την χρήση IFFT Σχήμα 3.6 Δομικό διάγραμμα δέκτη OFDM Σχήμα 3.7 Δομικό διάγραμμα αποδιαμορφωτή Σχήμα 3.9 Δομικό διάγραμμα εκτιμητή επίδοσης καναλιού Σχήμα 3.10 Δομικό διάγραμμα ανιχνευτή σήματος Σχήμα 3.11 Δομικό διάγραμμα διαφορικής μήτρας Σχήμα 3.12 Δομικό διάγραμμα αποχαρτογραφητή με διαμόρφωση BPSK και QPSK Σχήμα 3.13 Δομικό διάγραμμα γεννήτριας παραγωγής θορύβου Σχήμα 3.14 Δομικό διάγραμμα γεννήτριας παραγωγής bits Σχήμα 3.15 Δομικό διάγραμμα καναλιού Σχήμα 3.16 Δομικό διάγραμμα κεντρικού προσομοιωτή Σχήμα 3.16 Δομικό διάγραμμα πολλαπλασιαστή πινάκων Σχήμα 4.1 Πομπός OFDM Σχήμα 4.2 Κανάλι OFDM 8

9 Σχήμα 4.3 Δέκτης OFDM Σχήμα 4.4 Κεντρικός προσομοιωτής σε λειτουργία Σχήμα 4.5 Γραφική αναπαράσταση λόγου BER προς SNR με διαμόρφωση σήματος κατά BPSK με εύρος ζώνης 1.25MHz και τιμές υποφερόντων 32, 64, 128 και 256 αντίστοιχα. Σχήμα 4.6 Γραφική αναπαράσταση λόγου BER προς SNR με διαμόρφωση σήματος κατά QPSK με εύρος ζώνης 1.25MHz και τιμές υποφερόντων 32, 64, 128 και 256 αντίστοιχα. Σχήμα 4.7 Γραφική αναπαράσταση λόγου BER προς SNR με διαμόρφωση σήματος κατά BPSK με εύρος ζώνης 2.5MHz και τιμές υποφερόντων 32, 64, 128 και 256 αντίστοιχα. Σχήμα 4.8 Γραφική αναπαράσταση λόγου BER προς SNR με διαμόρφωση σήματος κατά QPSK με εύρος ζώνης 2.5MHz και τιμές υποφερόντων 32, 64, 128 και 256 αντίστοιχα. Σχήμα 4.9 Γραφική αναπαράσταση λόγου Φασματικής απόδοσης προς SNR με διαμόρφωση σήματος κατά ΒPSK με εύρος ζώνης 1.25MHz και τιμές υποφερόντων 32, 64, 128 και 256 αντίστοιχα. Σχήμα 4.10 Γραφική αναπαράσταση λόγου Φασματικής απόδοσης προς SNR με διαμόρφωση σήματος κατά QPSK με εύρος ζώνης 1.25MHz και τιμές υποφερόντων 32, 64, 128 και 256 αντίστοιχα. Σχήμα 4.11 Γραφική αναπαράσταση λόγου Φασματικής απόδοσης προς SNR με διαμόρφωση σήματος κατά BPSK με εύρος ζώνης 2.5MHz και τιμές υποφερόντων 32, 64, 128 και 256 αντίστοιχα. Σχήμα 4.12 Γραφική αναπαράσταση λόγου Φασματικής απόδοσης προς SNR με διαμόρφωση σήματος κατά QPSK με εύρος ζώνης 2.5MHz και τιμές υποφερόντων 32, 64, 128 και 256 αντίστοιχα. ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ 9

10 Πίνακας 1. Παράμετροι Προσομοίωσης ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΩΝ 10

11 Συντομογραφία Επεξήγηση 11

12 ΕΕΔ Έξυπνο Ενεργειακό Δίκτυο AMI Advanced Metering Infrastructure ΑΠΕ Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας SCADA Supervisory Control And Data Acquisition HAN Home Area Network BAN Building Area Network WAN Wide Area Network FAN Field Area Network NAN Neighborhood Area Network PMU Phasor Measurement Unit PDC Phasor Data Concentrator SPDC Super Phasor Data Concentrator OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing BPSK Binary Phase Shift Keying QPSK Quadrature Phase Shift Keying AWGN Additive White Gaussian Noise M2M Machine-to-Machine WiFi Wireless Fidelity SANET Sensor and Actuator Network DER Distributed Energy Resource DR Demand Response PDF Power Density Function BER Bit Error Rate SNR Sound-to-Noise Ratio WMN Wireless Mesh Network WSN Wireless Sensor Network FFT Fast Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform WAM Wide Area Measurement IEC International Electrotechnical Commision NIST National Institute of Standards and Technology 12

13 EPRI Electrical Power Research Institute ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - Το Έξυπνο Ενεργειακό Δίκτυο (ΕΕΔ). 1.1 Το ενεργειακό δίκτυο. Το ενεργειακό δίκτυο αποτελεί ένα δίκτυο από διασυνδεμένες διατάξεις με απώτερο σκοπό την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές. Τα βασικά τμήματα του 13

14 ενεργειακού δικτύου είναι η παραγωγή, η μεταφορά και η διανομή ηλεκτρικής ενέργειας. Σύμφωνα με την μέχρι τώρα αρχιτεκτονική οι γραμμές παραγωγής πρέπει να εδράζονται κοντά σε σημεία όπου υπάρχουν διαθέσιμες συμβατικές μορφές ενέργειας όπως είναι καύσιμη ύλη, υδατοπτώσεις. Επίσης στο ενεργειακό δίκτυο εντάσσονται και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι γραμμές μεταφοράς, μεταφέρουν την ενέργεια σε μεγάλες αποστάσεις καλύπτοντας από δεκάδες μέχρι και εκατοντάδες χιλιόμετρα σε εθνικό αλλά και σε διακρατικό επίπεδο όπου αυτό απαιτείται. Τα κομβικά σημεία στο συμβατικό δίκτυο ορίζονται στα σημεία όπου υπάρχουν οι μετασχηματιστές. Συγκεκριμένα το ενεργειακό δίκτυο που υπάρχει εγκατεστημένο σε παγκόσμία κλίμακα λειτουργεί υπό εναλλασσόμενη τριφασική τάση. Η τριφασική τάση ανυψώνεται σε ειδικό μετασχηματιστή ανύψωσης καθώς εξέρχεται από την γραμμή παραγωγής. Η διαδικασία της ανύψωσης αυξάνει κατά πολύ την τάση μειώνει και αντίστοιχα μειώνει την ένταση. Ο λόγος που γίνεται αυτό είναι γιατί έχει διαπιστωθεί ότι η ένταση κατά την μεταφορά παρουσιάζει μεγάλες μειώσεις καθώς διέρχεται από την γραμμή μεταφοράς ενώ αντίθετα η τάση δεν παρουσιάζει απώλειες. Συνεπώς με την διαδικασία της ανύψωσης εξασφαλίζεται η επιτυχημένη μεταφορά. Ως επιτυχημένη μεταφορά μπορεί να χαρακτηριστεί η απαιτούμενη τιμή της ισχύος που απαιτείται για ηλεκτροδότηση. Ανύψωση έχουμε μόνο σε ένα σημείο της γραμμής μεταφοράς και αυτό είναι ακριβώς μετά τον σταθμό παραγωγής. Από εκεί και μετά ακολουθείται μία διαδικασία συνεχόμενων υποβιβασμών μέχρις ότου η ισχύς να φτάσει τα επίπεδα μίας απλής κατανάλωσης είτε αυτή είναι τριφασική είτε μονοφασική. Η αρχιτεκτονική που ακολουθείται στα ενεργειακά δίκτυα είναι ως επί το πλείστον γραμμική. Η γραμμική αρχιτεκτονική αλλάζει αισθητά με την εισαγωγή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο δίκτυο παραγωγής δημιουργώντας με αυτό τον τρόπο μία πλεγματοειδή αρχιτεκτονική. Πρέπει να αναφερθεί πως οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σε αντίθεση με την συμβατική παραγωγή έχουν διαβαθμίσεις παραγωγής ανάλογα με την γραμμή ισχύος. Έτσι μία ανανεώσιμη πηγή όπως είναι τα φωτοβολταϊκά μπορούν να εγκατασταθούν σε μικρή κλίμακα πάνω σε μία στέγη για να ικανοποιήσουν τις ενεργειακές απαιτήσεις μίας οικιακής εγκατάστασης ή και να εγκατασταθούν σε μεγάλη κλίμακα με την μορφή ενός φωτοβολταϊκού πάρκου. Ο εκσυγχρονισμός των ενεργειακών δικτύων σε συνάρτηση με τις ενεργειακές ανάγκες από πλευράς καταναλωτών έχει επιβάλλει και την εισαγωγή μίας νέας τεχνικής έννοιας, αυτής της αποθήκευσης συνεπώς στα νέα ενεργειακά δίκτυα μπορούμε να μιλάμε για: «Παραγωγή, Μεταφορά, Διανομή και Αποθήκευση Ηλεκτρικής Ενέργειας». Όλες οι παραπάνω λειτουργίες που περιγράφηκαν πολύ επιγραμματικά έχουν άμεση απόρροια την δημιουργία ενός μεγάλου όγκου δεδομένων τα οποία πρέπει να είναι διαθέσιμα από πλευράς διαχείρισης. 1.2 Το Έξυπνο Ενεργειακό Δίκτυο (ΕΕΔ). Οι ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις οδήγησαν στην πρωτοβουλία για αντικατάσταση του υπάρχοντος ενεργειακού δικτύου (ή αλλιώς και συμβατικό όπως πλέον χαρακτηρίζεται) με ένα καινούργιο δίκτυο το οποίο θα μπορεί να διαχειριστεί όλα τα δεδομένα που παράγονται ενώ ταυτόχρονα θα πρέπει να εισάγει λειτουργίες όπως αυτή του τηλεχειρισμού, της διάγνωσης και πρόληψης πιθανών βλαβών, την δημιουργία σεναρίων λειτουργίας όπου το κάθε σενάριο θα ανταποκρίνεται δυναμικά στην 14

15 εκάστοτε ενεργειακή απαίτηση. Επίσης διαμέσου του ενεργειακού σεναρίου θα υπάρχει αυτοματοποιημένη δυνατότητα ενεργοποίησης των αντίστοιχων διατάξεων. Όλα τα παραπάνω οδήγησαν στην δημιουργία του Έξυπνου Ενεργειακού Δικτύου (ΕΕΔ). Το ΕΕΔ είναι κατ ουσία ένα ενεργειακό δίκτυο το οποίο χρησιμοποιεί αναλογικές ή ψηφιακές τεχνικές τηλεπικοινωνιακών συστημάτων σε συνδυασμό με πληροφοριακά συστήματα προκειμένου να συλλέξει πληροφορίες και δεδομένα από την πλευρά των καταναλωτών αλλά και των παρόχων. Με την συλλογή αυτών των δεδομένων πληροφοριών και χρησιμοποιώντας αυτοματοποιημένες τεχνικές είναι εφικτό να αυξηθεί η απόδοση, η αξιοπιστία και διαχείριση του δικτύου σε όλα τα τμήματα του, που αναφέρθηκαν παραπάνω. Θεμελιώδες χαρακτηριστικό του ΕΕΔ είναι η χρήση ηλεκτρονικών ισχύος για την αντιστάθμιση, την εξομάλυνση και τον έλεγχο της παραγόμενης ενεργειακής ισχύος. Τα γενικά χαρακτηριστικά του ΕΕΔ [1], [2], [3], [5], [6] έχουν ως εξής: Αξιοπιστία: Το ΕΕΔ χρησιμοποιεί τεχνολογίες όπως είναι η εξακρίβωση της ορθής κατάστασης λειτουργίας η οποία βελτιώνει την ανίχνευση σφαλμάτων (fault detection) και κατ επέκταση επιτρέπει την αυτόματη αποσφαλμάτωση του δικτύου χωρίς την επέμβαση τεχνικού προσωπικού. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την εξασφάλιση μεγαλύτερου βαθμού αξιοπιστίας παροχής ηλεκτρικής ενέργειας και την άμεση ανταπόκριση του δικτύου. Παρόλο που οι πολλαπλές διαδρομές δρομολόγησης παρουσιάζονται ως χαρακτηριστικό του έξυπνου δικτύου πρέπει να αναφερθεί ότι και στο συμβατικό δίκτυο υπήρχε η δυνατότητα ανάπτυξης και αυτής της τεχνικής με την δημιουργία ενός δικτύου με κυκλική δομή οδηγώντας με αυτό τον τρόπο στην δημιουργία μίας δικτυακής δομής όπως αυτής που αναπτύσσεται και δίκτυα επικοινωνιών. Από ενεργειακής πλευράς όμως αυτό δημιουργεί ένα πρόβλημα. Εάν το ρεύμα που διαρρέει την γραμμή ξεπεράσει τα όρια ανοχής του δικτύου τότε μπορεί να υπάρξει διαρροή και η ένταση του ρεύματος να μεταφερθεί και σε άλλα τμήματα του δικτύου ως παρασιτικό στοιχείο προκαλώντας με αυτό τον τρόπο την διακοπή λειτουργίας και αυτών των στοιχείων. Στο ΕΕΔ η χρήση διατάξεων αυτοματοποιημένων ηλεκτρονικών σε συνδυασμό με τηλεπικοινωνιακά συστήματα μπορεί να αντιμετωπίσει επιτυχώς το παραπάνω πρόβλημα. Ευελιξία στην τοπολογία του δικτύου: Η αμφίδρομη μεταφορά ενέργειας είναι ένα ακόμα βασικό χαρακτηριστικό του ΕΕΔ. Και εδώ με την συνδυασμένη χρήση ηλεκτρονικών ισχύος και δομών δικτύων και επικοινωνιών μπορεί να επιτευχθεί η αμφίδρομη μεταφορά σε συνδυασμό με την κατανεμημένη παραγωγή που προσφέρουν οι ΑΠΕ. Αποδοτικότητα: 15

16 Η ανάπτυξη του ΕΕΔ αναμένεται να αποδώσει στο δίκτυο ενέργειας την δυνατότητα της διαχείρισης με βάση τις ενεργειακές απαιτήσεις των καταναλωτών (demand-side management). Για παράδειγμα η απενεργοποίηση κάποιων ηλεκτρικών διατάξεων κατά την διάρκεια της ημέρας έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της απαιτούμενης τάσης που υπάρχει πάνω στην γραμμή. Η έξυπνη διαχείριση του δικτύου έχει επίσης ως αποτέλεσμα την μείωση της ανθρώπινης επέμβασης στο δίκτυο αφού επιτυγχάνεται διαχείριση των διακοπών (outage management) διαμέσου των δεδομένων που προκύπτουν από τα προηγμένα συστήματα μετρήσεων (Advanced Metering Infrastructure AMI). Το συνολικό αποτέλεσμα είναι η μείωση της πλεονάζουσας χρήσης των γραμμών μεταφοράς και διανομής και συνεπώς βελτιστοποιημένη χρήση των γεννητριών που οδηγεί σε περαιτέρω μείωση των τιμών χρέωσης της ενέργειας. Ρύθμιση και εξισορρόπηση φορτίου: Το συνολικό φορτίο πάνω στην γραμμή παρουσιάζει σημαντικές διακυμάνσεις σε συνάρτηση με τον χρόνο. Το συνολικό φορτίο προκύπτει από τις ενεργειακές απαιτήσεις των καταναλωτών, και γι αυτό τον λόγο δεν είναι σταθερό. Παραδοσιακά προκειμένου να ικανοποιηθεί η ενεργειακή απαίτηση (Demand Energy Response DER) οι γραμμές παραγωγής διαθέτουν επιπλέον συστοιχίες γεννητριών οι οποίες βρίσκονται σε κατάσταση αναμονής και ενεργοποιούνται ανάλογα με την ζήτηση. Στο ΕΕΔ αναπτύσσονται αλγόριθμοι πρόβλεψης προκειμένου να υπάρξει πρόβλεψη όσον αφορά τον αριθμό των γεννητριών που βρίσκονται σε αναμονή και πρέπει να τεθούν σε λειτουργία χωρίς να δημιουργηθεί υπερφόρτωση στο δίκτυο. Περικοπή φορτίου: Προκειμένου να μειωθεί η επιπλέον ενεργειακή ζήτηση κατά την περίοδο που υπάρχει ήδη αυξημένη ζήτηση, τα συστήματα επικοινωνιών και τα συστήματα μετρήσεων ενημερώνουν τις «έξυπνες διατάξεις» που υπάρχουν στο δίκτυο για την αυξημένη ζήτηση και πως είναι διαχειρισίμη αυτή η ενεργειακή ζήτηση. Επίσης δίνεται η δυνατότητα στους παρόχους ενέργειας η δυνατότητα να μειώσουν την κατανάλωση διαμέσου άμεσης επικοινωνίας με τις διατάξεις με απώτερο στόχο να μειώσουν την υπερφόρτωση του συστήματος. Για παράδειγμα θα μπορούσαμε να έχουμε μία διάταξη η οποία θα μειώνει τον αριθμό των σταθμών φόρτισης για ηλεκτρικά αυτοκίνητα και την διοχέτευση αυτής της ηλεκτρικής ενέργειας σε άλλο δίκτυο όπου υπάρχει ζήτηση. Προκειμένου να υπάρχουν κίνητρα για καλύτερη διαχείριση ενέργειας και κατ επέκταση για την εφαρμογή του μέτρου της περικοπής φορτίου (peak curtailment ή peak leveling) οι τιμές της ηλεκτρικής ενέργειας είναι αυξημένες κατά την περίοδο υψηλής ζήτησης και μειωμένες κατά την περίοδο χαμηλής ζήτησης. Βιωσιμότητα: Η ευελιξία που προσφέρει το ΕΕΔ επιτρέπει την εισαγωγή ΑΠΕ σε ένα πολύ μεγάλο βαθμό ακριβώς γιατί έχει την δυνατότητα αμφίδρομης λειτουργίας. Η παρούσα κατάσταση σχεδιασμού του δικτύου υποδεικνύει ότι δεν είναι σχεδιασμένο κατάλληλα για να επιτρέπει την τροφοδότηση από κατανεμημένα σημεία πηγών ενέργειας και ακόμα και αν το επιτρέπει αυτό μπορεί να είναι εφικτό μόνο στο τμήμα της διανομής ηλεκτρικής ενέργειας ενώ στο επίπεδο της μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας η 16

17 λειτουργία αυτή δεν υποστηρίζεται. Οι μεγάλες διακυμάνσεις στο επίπεδο της διανομής οι οποίες μπορεί να οφείλονται σε καιρικές συνθήκες αποτελούν μεγάλη πρόκληση στην υλοποίηση του ΕΕΔ. Η εξασφάλιση της ενεργειακής σταθερότητας πραγματοποιείται με την ελεγχόμενη παραγωγή αλλά και την εισαγωγή μεγάλης ενεργειακής ισχύος με την χρήση ΑΠΕ. Δεδομένα: Το σύνολο των δεδομένων που απαιτούνται για την παρακολούθηση του δικτύου και κατ επέκταση τον έλεγχο σε σύγκριση με τα δεδομένα που αποστέλλονται στα δίκτυα επικοινωνιών όπως τα γνωρίζουμε ως τώρα είναι πολύ μικρός. Το εύρος ζώνης στο ΕΕΔ ικανοποιείται με υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης κατά την διάρκεια των ωρών ενεργειακής αιχμής. Σε επίπεδο μεταφοράς η διαδικασία αυτή γίνεται αρκετά πιο περίπλοκη και απαιτητική μίας και είναι απαραίτητο να εξασφαλίζεται η ενεργειακή μεταφορά αμφίδρομα, η μεταφορά των δεδομένων αμφίδρομα και αυτή ενώ παράλληλα θα πρέπει να ενημερώνεται συνεχώς το δίκτυο για τις ενεργειακές απαιτήσεις που θα πρέπει να διαβιβάσει προς τους καταναλωτές. Τα παραπάνω χαρακτηριστικά αποτυπώνουν την γενική εικόνα του ΕΕΔ που θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη για τον περαιτέρω σχεδιασμό του επικοινωνιακού δικτύου το οποίο καλείται να ικανοποιήσει τα παραπάνω χαρακτηριστικά. Η τεχνολογία του ΕΕΔ ενσωματώνει μία φιλοσοφία ολοκληρωμένων συστημάτων επικοινωνιών. Αυτό σημαίνει ότι ένα πολύ βασικό χαρακτηριστικό είναι η διαλειτουργικότητα μεταξύ συστημάτων σε όλα τα επίπεδα του ΕΕΔ που περιλαμβάνουν αυτοματισμούς υποσταθμών, αυτοματισμούς διανομής, εποπτικά συστήματα ελέγχου και λήψης δεδομένων (Supervisory Control And Data Acquisition SCADA), συστήματα ενεργειακής διαχείρισης, ασύρματα πλεγματοειδή δίκτυα (Wireless Mesh Networks WMN). Στις τεχνολογίες του ΕΕΔ εντάσσονται και ζητήματα όπως η σταθερότητα του δικτύου, η αδιάλειπτη παρακολούθηση της βέλτιστης λειτουργίας του εξοπλισμού. Η τεχνολογική έννοια του ΕΕΔ επιτάσσει την αντικατάσταση των αναλογικών ηλεκτρομηχανικών μετρητών με ψηφιακούς που μετρούν την κατανάλωση σε πραγματικό χρόνο. Η τεχνολογική έννοια αυτή συναντάται στο ΕΕΔ ως προηγμένη υποδομή μέτρησης (Advanced Metering Infrastructure AMI). Η ορολογία αυτή προκύπτει από το γεγονός ότι ένας έξυπνος μετρητής από μόνος του δεν επιφέρει καμία ουσιαστική αλλαγή σε σύγκριση με τον ηλεκτρομηχανικό μετρητή όμως εάν εγκατασταθεί σε συνδυασμό με άλλους μετρητές και υποστηρίζονται από κάποια τηλεπικοινωνιακή υποδομή τότε μπορούμε να συζητήσουμε για ένα ολοκληρωμένο δίκτυο υποδομής μετρήσεων. Τα AMI ως συστήματα με την ευρύτερη έννοια παρέχουν το «τηλεπικοινωνιακό μονοπάτι» από τις μονάδες παραγωγής μέχρι τον απλό καταναλωτή. Μία σημαντική τεχνολογική καινοτομία του ΕΕΔ είναι οι «συγχρονισμένοι φασιθετικοί μετρητές» (Phasor Measurement Units PMU) οι οποίοι είναι αισθητήρες υψηλής ταχύτητας κατανεμημένοι κατά μήκος όλου του δικτύου που ανήκει στο επίπεδο της μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Τα PMUs έχουν την δυνατότητα να λαμβάνουν μετρήσεις με ρυθμό μέχρι 30 μετρήσεις ανά δευτερόλεπτο. Οι φασιθέτες από ηλεκτρολογικής πλευράς αναπαριστούν το μέγεθος και την φάση του εναλλασσόμενου ρεύματος στο σημείο του δικτύου στο οποίο είναι εγκατεστημένοι. Το σύστημα του PMU βασίζεται στην λειτουργία του GPS το οποίο παρέχει συγχρονισμό με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να μπορεί το PMU να λάβει μετρήσεις διαφοράς γωνιακής φάσης της 17

18 τάσης σε μεγάλες αποστάσεις. Όπως το AMI έτσι και εδώ η σύνθεση πολλών PMU δημιουργεί το σύστημα μέτρησης ευρείας περιοχής (Wide Area Measurement System WAMS). 1.3 Η αρχιτεκτονική του Έξυπνου Ενεργειακού Δικτύου. Η σύνθεση ανάμεσα σε ενεργειακές τεχνολογίες και τεχνολογίες επικοινωνιών έχουν ως αποτέλεσμα την δημιουργία του ΕΕΔ. Από την στιγμή που συζητάμε για ένα ενιαίο δίκτυο σίγουρα συζητάμε και για μία ενιαία αρχιτεκτονική. Αρχικά έχουμε την ενεργειακή αρχιτεκτονική. Η ενεργειακή αρχιτεκτονική χωρίζει το δίκτυο σε: Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Μεταφορά Ηλεκτρικής Ενέργειας Διανομή Ηλεκτρικής Ενέργειας Πρέπει να αναφερθεί ότι στα πλαίσια ανάπτυξης του ΕΕΔ εισέρχεται και ο όρος της αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας ο οποίος μπορεί να τοποθετηθεί και στο επίπεδο της μεταφοράς και στο επίπεδο της διανομής. Το δίκτυο αυτό έχει γραμμική δομή ενώ η πλήρη αναβάθμιση του σε πλεγματοειδή δομή θεωρείται ότι μπορεί να πραγματοποιηθεί σε μεταγενέστερο χρόνο (τόσο ερευνητικά όσο και τεχνολογικά) με την εισαγωγή των ΑΠΕ οι οποίες απαριθμώντας τις σύμφωνα με την παρούσα τεχνολογική κατάσταση είναι τα Φωτοβολταϊκά Συστήματα, οι Ανεμογεννήτριες, οι Υδρογεννήτριες παλιρροιακής ροής (Tidal Energy), οι Υδρογεννήτριες θαλάσσιας κυματικής ροής, Γεωθερμικά Συστήματα. Αυτή την στιγμή οι επικρατέστερες μορφές που χρησιμοποιούνται είναι τα Φ/Β και οι ανεμογεννήτριες και εντοπίζονται στο επίπεδο της διανομής και στο επίπεδο της οικιακής παραγωγής (για τα φωτοβολταϊκά). Οι μέχρι τώρα σχεδιασμοί που έχουν γίνει για το ΕΕΔ υιοθετούν την γραμμική δομή γιατί θεωρείται ότι ακόμα και με την υλοποίηση της πλεγματοειδούς αρχιτεκτονικής η γραμμική δομή θα παραμένει η κεντρική ραχοκοκαλιά του δικτύου. Εν συνεχεία έχουμε την τηλεπικοινωνιακή αρχιτεκτονική η οποία διαχωρίζει το δίκτυο ως εξής [5], [6], [7]: Οικιακό Δίκτυο (Home Area Network HAN) Γειτονικό Δίκτυο (Neighborhood Area Network NAN). Επίσης μπορούμε να δούμε και το αντίστοιχο κτιριακό δίκτυο (για μεγάλες κτιριακές εγκαταστάσεις) (Building Area Network BAN). Δίκτυο Ευρείας Περιοχής (Wide Area Network WAN). Επίσης μπορούμε να δούμε και το αντίστοιχο μητροπολιτικό δίκτυο (για τις πόλεις) (Metropolitan Area Network MAN). Τέλος μπορούμε να το δούμε και με την ονομασία Field Area Network FAN. Και οι τρεις εκδοχές αφορούν γενικότερα το δίκτυο ευρείας περιοχής. Το κάθε ένα από τα παραπάνω τηλεπικοινωνιακά δίκτυα τοποθετείται σε ένα η περισσότερα από τα ενεργειακά δίκτυα προκειμένου να ικανοποιήσει τις ανάγκες επικοινωνίας. Συγκεκριμένα το HAN, το NAN εντοπίζονται στο τμήμα της διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. To WAN εντοπίζεται στο επίπεδο της παραγωγής και της μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας. Σε τελικό επίπεδο το ΕΕΔ διαχωρίζεται σε δύο διαφορετικά δίκτυα: Micro Grid. Macro Grid. 18

19 Στο Micro Grid έχουμε την διανομή και την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και τα HAN και NAN. Στο Macro Grid έχουμε την παραγωγή και την μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και το WAN. Η παραπάνω αρχιτεκτονική θεωρείται ότι θα είναι και η τελική μορφή που θα έχει το ΕΕΔ. Η αρχιτεκτονική σχεδίαση του ΕΕΔ στην παρούσα κατάσταση έχει οριστεί αρχικά από Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (National Institute of Standards and Technology NIST) η οποία έχει υιοθετηθεί από το Ινστιτούτο Ερευνών Ηλεκτρικής Ενέργειας (Electrical Power Research Institute EPRI), την Ευρωπαϊκή Επιτροπή Ενέργειας (European Commission Research ECR) καθώς και την Διεθνή Ηλεκτροτεχνική Επιτροπή (International Electrotechnical Commission IEC). Η παρούσα αρχιτεκτονική αποτελεί τη βάση για την υλοποίηση της τελικής αρχιτεκτονικής του ΕΕΔ. Σύμφωνα λοιπόν με τα παραπάνω πρότυπα το ΕΕΔ [8], [9], [10] μπορεί να θεωρηθεί ως ένα δίκτυο αποτελούμενο από συστήματα και υποσυστήματα τα οποία διασυνδέονται ευφυώς προκειμένου να παραχθεί και να μεταφερθεί αξιόπιστα ηλεκτρική ενέργεια σύμφωνα με την αυξανόμενη ζήτηση που υπάρχει (Demand Response). Στο παρακάτω σχήμα μπορούμε να δούμε την αρχιτεκτονική μορφή που έχει το ΕΕΔ. Σχήμα 1.1 Αρχιτεκτονική ΕΕΔ Η διασύνδεση μεταξύ των επιπέδων πραγματοποιείται με την χρήση AMI. Το κάθε AMI μπορεί να αποτελέσει στην ουσία το σημείο πρόσβασης (Gateway) όπου μία διάταξη μπορεί να εισέλθει στο δίκτυο και να διοχετεύσει πληροφορίες ή να πραγματοποιήσει έλεγχο. Διαμέσου αυτής της διαδικασίας επιτυγχάνεται η διαχείριση κατανεμημένων ενεργειακών πόρων (Distributed Energy Resource DER management) ή η κατανεμημένη παραγωγή (Distributed Generation DG). Για τα AMI δεν υπάρχει 19

20 ακόμα κάποιο θεσμοθετημένο πρότυπο συνεπώς υπάρχει η δυνατότητα περαιτέρω έρευνας και ανάπτυξης. Η πιο βασική προϋπόθεση για το AMI είναι να παρέχει πραγματικού χρόνου δεδομένα μέτρησης ηλεκτρικών μεγεθών συμπεριλαμβανομένου την ανίχνευση βλαβών και την πρόβλεψη διακοπών ηλεκτροδότησης. Συνεπώς ο έξυπνος μετρητής στο ΕΕΔ θα πρέπει να αποτελεί ένα ολοκληρωμένο τμήμα για το AMI το οποίο θα πρέπει να υποστηρίζει δυναμική διαχείριση διακοπών καθώς και απόκριση ζήτησης για τον έλεγχο του φορτίου. Περαιτέρω τα AMI θα περιλαμβάνουν ένα ιεραρχικό δίκτυο ή μία αρχιτεκτονική πολλαπλών βαθμίδων με μικρότερες πλεγματοειδείς τοπολογίες ή τοπολογίες αστέρα καθώς και μία σειρά από τηλεπικοινωνιακές τεχνολογίες όπως είναι το Power Line Communication (PLC), Κυψελωτά δίκτυα, ασύρματα συστήματα επικοινωνιών όπως είναι το Wi-Fi, το ZigBee, το WiMAX καθώς και τα δίκτυα IP. Το AMI περιλαμβάνει τοπικά σημεία συλλογής δεδομένων (Data Aggregation Points DAP) τα οποία συλλέγουν τα δεδομένα και τα αναμεταδίδουν από τον έξυπνο μετρητή στο σύστημα διαχείρισης δεδομένων μετρητών (Meter Data Management System MSDS). Το MSDS θα πρέπει να παρέχει αποθήκευση, διαχείριση και επεξεργασία των δεδομένων που προκύπτουν. 1.4 Διαλειτουργικότητα στο ΕΕΔ. Η διαλειτουργικότητα είναι ένα μείζον ζήτημα για το ΕΕΔ διότι διαμέσου αυτού οι πληροφορίες και η υποδομή συνενώνονται σε ένα διαλειτουργικό και ολοκληρωμένο σύστημα χωρίς την παρέμβαση άλλων συστημάτων [11]. Ο αντικειμενικός στόχος της διαλειτουργικότητας είναι η δυνατότητα δημιουργίας συστημάτων και διατάξεων τα οποία όταν τοποθετούνται στο δίκτυο θα μπορούν να αναγνωρίσουν τον ρόλο τους και να αρχίσουν να λειτουργούν. Η βελτίωση της διαλειτουργικότητας μειώνει το λειτουργικό κόστος εγκατάστασης όπως επίσης επιτρέπει την δημιουργία «καλά καθορισμένων (well defined) σημείων στα οποία μπορούν αντίστοιχα να εγκατασταθούν διατάξεις αυτοματισμού. Επίσης είναι εφικτό το σύστημα να χαρακτηρίζεται και από δυνατότητα «υποκατάστασης». Αυτό σημαίνει ότι σε περίπτωση βλάβης μίας διάταξης υπάρχει δυνατότητα εύρεσης άλλης διάταξης ή ομάδας διατάξεων που θα επιτελεί το ίδιο έργο μέχρι να πραγματοποιηθεί αποσφαλμάτωση. Το χαρακτηριστικό της υποκατάστασης θα παρέχει περαιτέρω ολοκλήρωση στο σύστημα όσον αφορά τις ηλεκτρικές διατάξεις. Η αποσαφήνιση της διαλειτουργικότητας στο ΕΕΔ υιοθετεί την προσέγγιση του GridWise Architecture Council (GWAC) [12]. Σύμφωνα με την δικτυακή «στοίβα» του GWAC η διαλειτουργικότητα έχει ένα πλαίσιο από οκτώ διαφορετικά επίπεδα που σχετίζονται με το ΕΕΔ. Τα οκτώ επίπεδα συνδέονται σε τρεις διευρυμένες κατηγορίες: Οργάνωση. Εδώ δίνεται έμφαση στα διοικητικά κομμάτια του ΕΕΔ δηλαδή το επιχειρησιακό και το τμήμα πολιτικής που ακολουθείται από τον εκάστοτε πάροχο. Πληροφοριακό σύστημα. Εδώ δίνεται έμφαση στις πληροφορίες που ανταλλάσσονται και την βαρύτητα που έχουν στην λειτουργία του δικτύου. Τεχνολογία. Εδώ δίνεται έμφαση στον τρόπο διαμόρφωσης των πληροφοριών και συγκεκριμένα εστιάζεται το πώς αναπαριστώνται οι πληροφορίες κατά την ανταλλαγή μηνυμάτων στο τηλεπικοινωνιακό μέσο. 20

21 Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό της στοίβας του GWAC είναι ότι κάθε στρώμα καθορίζει ένα συγκεκριμένο ζήτημα διαλειτουργικότητας το οποίο όμως επηρεάζει και τα άλλα στρώματα. Αυτό σημαίνει ότι κάθε στρώμα εξαρτάται από το προηγούμενο στρώμα. Το πρότυπο του GWAC ενσωματώνει το πρότυπο του OSI για να περιγράψει λειτουργίες του ΕΕΔ. Σχήμα 1.2 Στοίβα GWAC [1] Σύμφωνα με το πλαίσιο διαλειτουργικότητας υπάρχουν τα εξής παρακάτω σημαντικά ζητήματα από επικοινωνιακής πλευράς [12]: Διαμοιραζόμενο περιεχόμενο (Shared meaning of content). Προκειμένου να έχουμε αποτελεσματική επικοινωνία σε όλα τα επίπεδα το περιεχόμενο θα πρέπει να ερμηνεύεται σωστά και με καθαρότητα. Αναγνώριση πόρων (Resource identification). Το περιεχόμενο εδώ έχει να κάνει με την αναγνώριση ενεργειακών στοιχείων όπως είναι οι γεννήτριες, μετασχηματιστές, Φ/Β συστοιχίες και γενικά κάθε λειτουργικός κόμβος έτσι ώστε να είναι δυνατή η αναγνώριση από τις άλλες διατάξεις του δικτύου με τις οποίες θα πρέπει να συνεργαστούν. Η αναγνώριση κρίνεται ως μία πολύ σημαντική διαδικασία αφού πάνω σε αυτή βασίζεται το ΕΕΔ για να ρυθμίζει την απόδοση του και να παρέχει ευφυή έλεγχο όπου αυτό κρίνεται απαραίτητο. Συγχρονισμός και χρονική ακολουθία (Time Synchronization and Sequence). Το ηλεκτρικό δίκτυο είναι ένα σύστημα υψηλής ταχύτητας πραγματικού χρόνου το οποίο αντιδρά πολύ γρήγορα στις διακυμάνσεις και τις διαταραχές φορτίων. Συνεπώς συστήματα που παρέχουν συνεχή παρακολούθηση και έλεγχο (όπως π.χ. WAMS) πρέπει να διατηρούν μία συγκεκριμένη χρονική ακρίβεια και συγχρονισμό για να λαμβάνουν σε πραγματικό χρόνο αναφορές σφαλμάτων. Η αποτυχία συγχρονισμού και χρονικής ακολουθίας μπορεί να οδηγήσει σε «καταστροφικά» αποτελέσματα για το δίκτυο. 21

22 Ασφάλεια και Ιδιωτικότητα (Security and Privacy). Το ΕΕΔ αποτελείται από μία σειρά από διατάξεις και συστήματα τα οποία συνδέονται πάνω στο δίκτυο σε κομβικά σημεία. Τα σημεία αυτά μπορούν να χαρακτηριστούν ως τρωτά απέναντι σε επιθέσεις όσον αφορά την ασφάλεια. Συνεπώς το ΕΕΔ θα πρέπει να έχει πολιτική ασφαλείας όπως είναι η ελεγχόμενη προσβασιμότητα και η αυθεντικοποίηση των στοιχείων. Ποιότητα της υπηρεσίας (Quality of Service QoS). Για κάθε υπηρεσία του ΕΕΔ το QoS καταδεικνύει την απόδοση και την αξιοπιστία των απαιτήσεων πάνω σε ζητήματα όπως άμεση απόκριση, μείωση καθυστερήσεων, ικανότητα διαβίβασης δεδομένων κ.α. Αντίστοιχα κάθε τμήμα αυτοματισμού του ΕΕΔ καθώς και η αντίστοιχη τηλεπικοινωνιακή υποδομή που το συνοδεύει θα πρέπει να είναι εναρμονισμένα με το αντίστοιχο QoS. Τεχνολογική προσαρμογή (Scalability). Στο ηλεκτρικό δίκτυο κάθε αναβάθμιση ή συντήρηση δεν θα πρέπει να διαταράσσει την φυσική λειτουργία του συστήματος. Με αυτή την λογική κάθε αναβάθμιση θα πρέπει να επιτρέπει την συνεργασία ενός παλαιότερου συστήματος με ένα νεώτερο (μία αναδυόμενη τεχνολογία) σύστημα. Επιπλέον καθώς το σύστημα εξελίσσεται θα πρέπει να έχει την ικανότητα να προσαρμόζεται στις νέες απαιτήσεις που δημιουργούνται. 1.5 Ο ρόλος των τηλεπικοινωνιακών υποδομών στο ΕΕΔ. Το ΕΕΔ έχει ως χαρακτηριστικά την προηγμένη αρχιτεκτονική, έξυπνους αλγορίθμους και αποδοτικούς μηχανισμούς έτσι ώστε να μπορέσει να καλύψει τις αντίστοιχες προδιαγραφές. Γι αυτό τον λόγο υπάρχει ένα μεγάλο εύρος από τεχνολογίες όπως είναι οι ολοκληρωμένες επικοινωνίες, αισθητήρες και συστήματα μετρήσεων, προηγμένος έλεγχος κ.α. Από αυτές τις περιοχές οι ολοκληρωμένες επικοινωνίες αποτελούν και τον κύριο παράγοντα οι οποίες θα δημιουργήσουν μία υποδομή στην οποία η ροή των πληροφοριών θα είναι αμφίδρομη. Στην αμφίδρομη ροή έχουμε το ανοδικό ρεύμα (upstream) το οποίο περιγράφει την ροή των δεδομένων προς την παραγωγή και το καθοδικό ρεύμα (downstream) το οποίο περιγράφει την ροή δεδομένων προς την κατανάλωση Η περιοχή του καταναλωτή Βασικός στόχος στην περιοχή του καταναλωτή είναι η ορθή χρήση και η μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης. Το Σύστημα Ενεργειακής Διαχείρισης (ΣΕΔ) (Energy Management System EMS) αποτελεί μία αναδυόμενη τεχνολογία για την ορθή χρήση της ενέργειας. Το ΣΕΔ λειτουργεί ως επικοινωνιακή πύλη (communication gateway) η οποία παρέχει τα κατάλληλα μέσα για την μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης διαμέσου της παρακολούθησης και του ελέγχου διαφορετικών ηλεκτρικών διατάξεων χρησιμοποιώντας αισθητήρες, ενεργοποιητές και τηλεπικοινωνίες. Ο συνδυασμός του EMS και του HAN δημιουργούν το Οικιακό Σύστημα Ενεργειακής Διαχείρισης (ΟΣΕΔ) (Home Energy Management System HEMS). Το ΟΣΕΔ λειτουργεί ως υποσύνολο του ΣΕΔ και ταυτόχρονα με την χρήση έξυπνων μετρητών παρέχει την απαραίτητη υποδομή στο HAN. Το HEMS θέτει όρια κατωφλίου στον χρήστη σύμφωνα με τις πληροφορίες που λαμβάνει σχετικά με την διαχείριση του φορτίου, το ιστορικό κατανάλωσης, την τιμολόγηση της κατανάλωσης σε πραγματικό χρόνο προκειμένου να μπορέσει να πραγματοποιήσει ενεργειακό έλεγχο στις διατάξεις του HAN. Στο επικοινωνιακό 22

23 κομμάτι του HAN χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον επικοινωνιακά πρωτόκολλα χαμηλής ισχύος όπως είναι το PLC, το ZigBee, το OpenHAN, ή το BACnet. Ιστορικά το πρώτο πρωτόκολλο είναι το PLC που έχει χρησιμοποιηθεί για το ΕΕΔ. Παρόλα αυτά το PLC στενής δέσμης (narrow band PLC) που βασίζεται σε τεχνικές διαμόρφωσης PSK και FSK παρουσιάζει μεγάλο πρόβλημα στην μετάδοση με την ύπαρξη θορύβου στην γραμμή και δεν είναι εφικτό να λειτουργήσει σε περιβάλλοντα που βασίζονται σε τεχνολογίες μετάδοσης διευρυμένου φάσματος. Γι αυτό τον λόγο έχει γίνει προσπάθεια να σχεδιαστούν αποδοτικά πρωτόκολλα επικοινωνιών για να υποστηρίξουν το ΟΣΕΔ. Στην προκειμένη περίπτωση ένα πολύ επιτυχημένο πρωτόκολλο είναι το KNX του οποίο η δομή βασίζεται στο μοντέλο του OSI και μπορεί να εγκατασταθεί και να παρέχει τον απαραίτητο έλεγχο και τις αντίστοιχες μετρήσεις. Σε παρόμοιο μοτίβο έχουμε την περίπτωση του ZigBee το οποίο είναι ένα ασύρματο πρωτόκολλο που προσφέρει στο HAN υπηρεσίες όπως το KNX [13]. Γενικότερα η επιλογή του πρωτοκόλλου βασίζεται σε παράγοντες όπως είναι το κόστος, η χωρητικότητα, η διαθεσιμότητα και πάνω απ όλα η επιτυχημένη ικανότητα διαβίβασης δεδομένων Δίκτυο επικοινωνιών κορμού. Το επικοινωνιακό δίκτυο κορμού του ΕΕΔ θα παρέχει όλες τις απαραίτητες λειτουργίες για μία αποδοτική αμφίδρομη επικοινωνία μεταξύ των συστημάτων. Ο στόχος του ΑΜΙ είναι να παρέχει καλύτερο έλεγχο και διαχείριση όσον αφορά την ηλεκτρική κατανάλωση. Η χρήση του AMI θεωρείται ως πολύ σημαντικότερη στην περίπτωση των ενεργειακών δικτύων μεταφοράς και διανομής λόγω του χαρακτηριστικού της κάλυψης σε μεγάλη ακτίνα. Το μεγάλο ζήτημα του ΑΜΙ είναι το υψηλό κόστος εγκατάστασης στο δίκτυο καθώς και η ιδιότητα της διαλειτουργικότητας ανάμεσα σε διαφορετικές διατάξεις. Από την στιγμή που οι έξυπνοι μετρητές αποτελούν ένα ολοκληρωμένο τμήμα του AMI υπάρχει η δυνατότητα χρήσης έξυπνων μετρητών «απλών» σε επίπεδο κατασκευής όπου μοναδικό σκοπό έχουν να λαμβάνουν μετρήσεις ενώ η επεξεργασία να πραγματοποιείται μετέπειτα στο AMI. Η έννοια της ετερογένειας ενυπάρχει μέσα στο δίκτυο και έχει μόνο να κάνει με την χρήση διαφορετικών πρωτοκόλλων επικοινωνιών, την χρήση διαφορετικών γλωσσών προγραμματισμού, διαφορετικής αρχιτεκτονικής σχεδίασης βάσεων δεδομένων. Φορείς όπως ο NIST (National Institute Standards Technology), ο IEC (International Electrotechnical Commission), ο SG (Smart Grid Strategic Group) και ο European Commission OPEN meter project προσπαθούν να δημιουργήσουν ένα ανοικτό πρότυπο για το AMI του ΕΕΔ. Το ζήτημα της διαλειτουργικότητας πρέπει πρώτα να απευθύνεται στο επίπεδο του συστήματος προκειμένου να εξισορροπήσει κάθε δυνατή πιθανότητα συνδεσιμότητας μεταξύ των δικτύων Δίκτυα βασιζόμενα στο πρωτόκολλο διαδικτύου (Internet Protocol IP networks). Μία πολύ σημαντική τεχνική για την ανάπτυξη του ΕΕΔ είναι η χρήση του πρωτοκόλλου IP για την ενίσχυση της δικτυακής του υποδομής. Η τεχνολογία του IP είναι ευρέως διαδεδομένη στα δίκτυα δεδομένων όπως επίσης και αποδεκτή. Γι αυτό τον λόγο και πολλές δικτυακές τεχνολογίες διαθέτουν επίπεδο σύγκλισης που τους επιτρέπει να αναπτύξουν συμβατότητα με το πρωτόκολλο IP τόσο σε επίπεδο ενσύρματων όσο και σε επίπεδο ασύρματων συστημάτων. Η ανάπτυξη του ΕΕΔ προϋποθέτει την αυξανόμενη προσθήκη ολοένα και περισσότερων συσκευών και 23

24 διατάξεων που συνδέονται στο δίκτυο [14]. Η προσθήκη όμως αυτών των διατάξεων προϋποθέτει και την ανάθεση IP διευθύνσεων σε κάθε μία από αυτές. Σε αυτή την περίπτωση αξίζει να αναφερθεί η χρήση του πρωτοκόλλου IPv6 λόγω του ότι μπορεί να προσφέρει μεγαλύτερο αριθμό διευθύνσεων σε σχέση με το προηγούμενο πρωτόκολλο IPv4. Η επόμενη εκδοχή πρωτοκόλλου IP που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το ΕΕΔ είναι το Internet VPN (Internet Virtual Private Network). Γενικότερα το απλό IP ως πρωτόκολλο είναι πολύπλευρο και υποστηρίζει την καλύτερη δυνατή μετάδοση. Δεν εξασφαλίζει όμως ως μέτρο την ποιότητα της υπηρεσίας των δεδομένων που μεταφέρονται. Το ΕΕΔ όμως απαιτεί συγκεκριμένο βαθμό ικανοποίησης ως προς το QoS κυρίως πάνω στην καθυστέρηση μετάδοσης, στην ικανότητα διαβίβασης δεδομένων και την απώλεια των πακέτων προκειμένου το σύστημα να έχει την απαιτούμενη αξιοπιστία. Το VPN σε σχέση με το απλό IP μπορεί να προσφέρει καλύτερη επιλογή για την ικανοποίηση των παραπάνω απαιτήσεων του QoS. Παρόλα αυτά όμως το VPN παρουσιάζει αρκετά ζητήματα που απαιτούν περαιτέρω έρευνα για να υλοποιηθούν όπως είναι η αποδοτική δρομολόγηση, οι μηχανισμοί διαχείρισης επικοινωνιακών πόρων που θεωρούνται δύο μείζονα ζητήματα για τις εφαρμογές του ΕΕΔ. Στην οικογένεια των πρωτοκόλλων IP που μπορούν να εφαρμοστούν για το ΕΕΔ συναντάμε το TCP (Transmission Control Protocol) και το UDP (User Data Protocol). Σε αυτές τις δύο περιπτώσεις έχουμε πρωτόκολλα που παρέχουν συνεχιζόμενη επικοινωνία και μεταφορά δεδομένων στο επίπεδο μεταφοράς. Επίσης θα πρέπει να αναφερθεί ότι τα δύο πρωτόκολλα αλληλοσυμπληρώνονται. Το TCP παρέχει ένα μηχανισμό αναμετάδοσης για τα χαμένα δεδομένα παράλληλα όμως δημιουργεί και μεγάλη καθυστέρηση στην κανονική μετάδοση δεδομένων όπως επίσης εμφανίζει και μεγάλο επίβαρο στο υπάρχον δίκτυο. Περαιτέρω το TCP στερείται την δυνατότητα αποστολής ενός πακέτου σε πολλαπλές διευθύνσεις (multicasting) το οποίο θεωρείται πολύ σημαντικό εάν λάβουμε υπόψη μας ότι το στο ΕΕΔ πρέπει να σταλούν σήματα πολλαπλού ελέγχου σε ένα μεγάλο αριθμό συστημάτων ταυτόχρονα. Γι αυτό τον λόγο συμπληρωματικά χρησιμοποιείται και το UDP. Συγκεκριμένα το UDP έχει μικρότερο επίβαρο στο πλαίσιο του μηνύματος παράλληλα υποστηρίζει και την λειτουργία του multicast και πάλι εδώ σε αντιδιαστολή δεν υπάρχει μηχανισμός υποστήριξης την αξιόπιστη μεταφορά των πακέτων πράγμα όμως που καλύπτει το TCP από την πλευρά του. Συνεπώς ένας συνδυασμός του TCP και του UDP κρίνεται ως μία κατάλληλη λύση για το ΕΕΔ Τεχνολογία WiMAX. Για τις περισσότερες διατάξεις που εισάγονται στο ΕΕΔ η χρήση των ασύρματων επικοινωνιών αποτελεί μία πολύ καλή λύση λόγω της ευελιξίας και του μικρότερου κόστους σε σχέση με τα άλλα συστήματα μετάδοσης. Ανάμεσα σε αυτές τις διαθέσιμες τεχνολογίες εντάσσεται και το WiMAX [15], [16], [17]. Πρέπει να αναφερθεί ότι το WiMAX ως σύστημα αρχικά σχεδιάστηκε καθαρά και μόνο για την υποστήριξη των κινητών και ασύρματων επικοινωνιών. Στην περίπτωση του ΕΕΔ θεωρείται πως το WiMAX μπορεί να υποστηρίξει τις τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες που απαιτούνται όπως π.χ. προηγμένα πρωτόκολλα δρομολόγησης, αποτελεσματική διαχείριση της κυκλοφορίας των δεδομένων καθώς και το αντίστοιχο πλαίσιο QoS. Η ικανότητα διαβίβασης δεδομένων και η μεγάλη κάλυψη αποτελούν δύο πολύ βασικά χαρακτηριστικά του WiMAX διαμέσου των οποίων επιτρέπεται η δυνατότητα στις 24

25 ηλεκτρικές διατάξεις να επικοινωνήσουν μεταξύ τους παρέχοντας έτσι ένα μεγάλο εύρος από εφαρμογές στα διαφορετικά επίπεδα των δικτύων του ΕΕΔ. Η διαλειτουργικότητα (που άλλωστε είναι απαραίτητη στο ΕΕΔ) είναι ένα βασικό τεχνολογικό χαρακτηριστικό του WiMAX το οποίο έχει την ικανότητα να συνδεθεί με άλλα πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται στο ΕΕΔ όπως είναι το ZibBee, το Wi-Fi και το PLC. Το WiMAX είναι στην ουσία μία πολύπλευρη τεχνολογία και από ερευνητικές μελέτες μέχρι στιγμής έχει αποδειχθεί ότι έχει την ικανότητα να αναπτυχθεί σε διάφορα τμήματα του ΕΕΔ έτσι ώστε να παρέχει πλήρη επικοινωνιακή κάλυψη μέχρι τον χρήστη (last mile communication). Καθώς το ΕΕΔ αναπτύσσεται η τεχνολογία του WiMAX παρέχει μία πολλά υποσχόμενη λύση για τα περισσότερα επικοινωνιακά προβλήματα που αντιμετωπίζει. Πολλές διατάξεις που απαιτούν τηλεπικοινωνιακή σύνδεση υιοθετούν το WiMAX ως σύστημα για την σύνδεση τους στο ΕΕΔ. Το WiMAX παρέχει P2P και P2MP ασύρματο backhaul για ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών του ΕΕΔ. Το μεγάλο πλεονέκτημα του WiMAX είναι ότι μπορεί να λειτουργήσει χωρίς οπτική επαφή (NLOS). Στις περιπτώσεις του ΕΕΔ που απαιτείται επικοινωνιακή κάλυψη σε μεγάλες αποστάσεις σε συνδυασμό με την ύπαρξη φυσικών εμποδίων θεωρείται μία πολύ καλή λύση Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων και Ενεργοποιητών (Sensor and Actuator Networks SANETs). Το SANET είναι ένα ετερογενές δίκτυο το οποίο αποτελείται από ένα μεγάλο αριθμό κόμβων. Ο κάθε κόμβος μπορεί να αναπαριστά ένα αισθητήρα ή έναν ενεργοποιητή ή και τα δύο ταυτόχρονα. Το SANET ως τμήμα του δικτύου χρησιμοποιείται για να παρακολουθεί τα λειτουργικά χαρακτηριστικά και την συμπεριφορά των διατάξεων του ΕΕΔ έτσι ώστε να υπάρχει δυνατότητα πρόβλεψης και αποφυγής διακοπών ηλεκτροδότησης ή την αντιμετώπιση διαταραχών και μεταβατικών φαινομένων που σχετίζονται με το ηλεκτρικό ρεύμα. Τα δεδομένα που συγκεντρώνονται από διαφορετικούς αισθητήρες αποστέλλονται σε ένα σημείο συγκέντρωσης δεδομένων (π.χ. DAP). Τα δεδομένα που συλλέγονται από διαφορετικούς αισθητήρες ή ενεργοποιητές αποστέλλονται διαμέσου gateway. Η τεχνολογία του ΕΕΔ συνδυάζει την συνεργασία μεταξύ αισθητήρων και ενεργοποιητών. Αυτό γιατί από τις μετρήσεις που λαμβάνει ο αισθητήρας καθορίζεται η συμπεριφορά του ενεργοποιητή (π.χ. εάν θα πρέπει να διακόψει ένα μέρος του δικτύου ή να το ενεργοποιήσει αντίστοιχα). Η εγκατάσταση των αισθητήρων και των ενεργοποιητών πραγματοποιούνται ως επί το πλείστον σε σημεία του δικτύου όπου υπάρχουν ενεργά ηλεκτρικά στοιχεία όπως είναι οι μετασχηματιστές, οι υποσταθμοί διανομής ή ένα οικιακό δίκτυο. Καθώς το ΕΕΔ έχει ως χαρακτηριστικό του την μεγάλη γεωγραφική ακτίνα και την πολύπλοκη αρχιτεκτονική η κατάσταση ανίχνευσης και μέτρησης που προσφέρεται από έναν αισθητήρα είναι μία απαραίτητη λειτουργία η οποία θα πρέπει να αναχθεί σε ολοκληρωμένο επίπεδο από τα SANET. Η διεύρυνση του δικτύου αισθητήρων ανάγεται στην δημιουργία του ασύρματου δικτύου αισθητήρων (Wireless Sensor Network WSN). Το WSN έχει την ικανότητα να λαμβάνει μετρήσεις με μεγαλύτερο ποσοστό ακρίβειας από ότι μεμονωμένα ένας αισθητήρας, καλύτερη ακρίβεια, μεγάλη κάλυψη που απαιτείται για το ΕΕΔ. Συνεπώς το WSN ως τεχνολογία θεωρείται ότι μπορεί να πραγματοποιήσει αυτοματοποιημένες μετρήσεις με ταυτόχρονη ασύρματη μετάδοση, απομακρυσμένο έλεγχο και παρακολούθηση του δικτύου. 25

26 1.5.6 Δορυφορικές Επικοινωνίες. Η δορυφορική τεχνολογία μπορεί να παρέχει εκτεταμένη κάλυψη και είναι ένα τηλεπικοινωνιακό μέσο το οποίο μπορεί να φτάσει σε απομακρυσμένες περιοχές όπου οι επίγειες επικοινωνίες δεν μπορούν να παρέχουν κάλυψη. Μερικές διατάξεις του ΕΕΔ χρησιμοποιούν δορυφορικές επικοινωνίες για απομακρυσμένο έλεγχο και παρακολούθηση σε αγροτικές περιοχές εκτός πόλεως. Η τεχνολογία του GPS η οποία παρέχει ακρίβεια σε μs έχει αναπτυχθεί σε υποσταθμούς στο επίπεδο της μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας κυρίως για συγχρονισμό των σημάτων από τα PMU στην περιοχή των WAMS. Επίσης οι δορυφορικές επικοινωνίες μπορούν να παρέχουν και εφεδρική λύση για την μεταφορά κρίσιμων και σημαντικών δεδομένων με την επαναδρομολόγηση τους διαμέσου δορυφορικών ζεύξεων σε περίπτωση που αποτυγχάνουν στην επικοινωνία τους οι επίγειες επικοινωνίες. Οι δορυφορικές ζεύξεις μπορούν να δημιουργηθούν διαμέσου εγκατάστασης ενός πομπού στην επιθυμητή περιοχή χωρίς την ύπαρξη δικτυακής καλωδίωσης ή χρήσης αναμεταδοτών. Σύμφωνα με την δορυφορική τεχνολογία υπάρχουν τρεις διαφορετικές τροχιές στις οποίες κινούνται οι δορυφόροι. Υπάρχουν η γεωστατική τροχιά (Geostationary Earth Orbit GEO), η μεσαία περί της γης τροχιά (Middle Earth Orbit MEO) και η χαμηλή περί της γης τροχιά (Low Earth Orbit LEO). Η μονόδρομη καθυστέρηση από την κεραία εδάφους προς τον δορυφόρο και αντιστρόφως διαρκεί περίπου ένα τέταρτο του δευτερολέπτου το οποίο αποτελεί σημαντικό πρόβλημα για εφαρμογές που παρουσιάζουν ευαισθησία στον θόρυβο όπου στην περίπτωση του ΕΕΔ αφορά τα PMUs σε υποσταθμούς. Το σημαντικό μειονέκτημα των δορυφορικών επικοινωνιών στην περίπτωση του ΕΕΔ είναι το μεγάλο κόστος των ζεύξεων, επίσης το γεγονός ότι έχουν χαμηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων σε σύγκριση με αντίστοιχες επίγειες επικοινωνίες κρίνεται ως μη αποδοτικό ιδιαίτερα εάν έχουμε να κάνουμε με συστήματα και διατάξεις όπου τα δεδομένα που αποστέλλουν καθορίζουν την συμπεριφορά του υπόλοιπου δικτύου. 1.6 Επικοινωνίες Μηχανής-με-μηχανή ( Machine-to-machine communications, M2M). Οι επικοινωνίες μηχανής (M2M) αναφέρονται στην επικοινωνία με ανταλλαγή δεδομένων ανάμεσα σε συστήματα και διατάξεις χωρίς την ενδιάμεση παρέμβαση του ανθρώπινου παράγοντα. Η εμφάνιση του M2M στο ενεργειακό δίκτυο έγινε με την ανάπτυξη των συστημάτων SCADA [18]. Η αναβάθμιση του συστήματος διαμέσου M2M θα επιτρέπει την πλήρη επικοινωνία και ανταλλαγή δεδομένων ανάμεσα σε διατάξεις όπως είναι μετασχηματιστές, υποσταθμοί, διακοπτικά συστήματα ισχύος, οικιακοί διαχειριστές ενέργειας, AMI. Συνεπώς το ΕΕΔ δημιουργεί πρόσφορο έδαφος για την ανάπτυξη και την εξέλιξη M2M επικοινωνιών. Ένα δίκτυο M2M μπορεί να αποτελείται από πέντε μέρη: Module, Gateway, Server, Area Network και το Core Network. Η αρχιτεκτονική ενός M2M παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. 26

27 Σχήμα 1.3 Αρχιτεκτονική M2M [1] Το M2M module είναι στην ουσία ένας πομπός ο οποίος είναι ενσωματωμένος σε μία μονάδα του ΕΕΔ (smart device) ή σε ένα αισθητήρα. Το M2M gateway δημιουργεί τις συνδέσεις ανάμεσα στα modules οπότε με αυτό τον τρόπο δημιουργείται το core network. Το M2M area network παρέχει συνδεσιμότητα μεταξύ modules και gateways. Οι Servers αντίστοιχα επεξεργάζονται τα δεδομένα που προκύπτουν από τα modules και παρέχουν πληροφορίες που αποστέλλονται στο επίπεδο εφαρμογής του ΕΕΔ. Το core network συνδέει gateways και servers. Εάν λάβουμε υπόψη μας την περίπτωση ενός συστήματος AMI μπορεί εύκολα να διαπιστωθεί (σε αρχικό θεωρητικό επίπεδο) ότι μπορεί να υλοποιηθεί με την χρήση M2M. Συγκεκριμένα οι έξυπνοι μετρητές αποτελούν τα M2M modules και είναι συνδεδεμένα με τοπικούς σταθμούς βάσης ή σημεία συγκέντρωσης που βρίσκονται στο NAN. Τα δεδομένα από τα AMI συγκεντρώνονται μέσα από ένα backhaul δίκτυο προκειμένου να γίνει επεξεργασία από το αντίστοιχο σύστημα διαχείρισης (servers). Από την στιγμή που έχουμε συγκέντρωση δεδομένων είναι εύκολο μετά τα δεδομένα να είναι διαθέσιμα για διαχειριστικές εφαρμογές όπως είναι η ενεργειακή χρέωση ή για λειτουργικές εφαρμογές όπως είναι η απόκριση ζήτησης (Demand Response). Οι προηγμένες ασύρματες τεχνολογίες είναι πολύ σημαντικές στην υλοποίηση του M2M. Οι μέχρι στιγμής έρευνες έχουν δείξει ότι η ασύρματη τεχνολογία που μπορεί να εφαρμοστεί στο ΕΕΔ και η οποία επιτρέπει επικοινωνία M2M είναι το πρωτόκολλο ZigBee μίας και έχει χαρακτηριστικά όπως είναι η χαμηλή ισχύς, η ευκολία χειρισμού του δικτύου, η δυνατότητα συνεργασίας του με άλλα πρωτόκολλα όπως είναι το KNX. Αυτό είναι βέβαια κάτι που ισχύει για τα τοπικά δίκτυα. Η ανάπτυξη του ΕΕΔ απαιτεί την χρήση και άλλων ασύρματων τεχνολογιών για την υλοποίηση επικοινωνιών Μ2Μ. Επίσης ένα σημαντικό ακόμα ζήτημα είναι ο χαρακτηρισμός των δεδομένων ως προϋπόθεση για την εξασφάλιση του κατάλληλου επιπέδου ποιότητας της υπηρεσίας. Η εφαρμογή των M2M θεωρείται εξίσου σημαντική και για το δίκτυο μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Το μεγάλο κίνητρο έχει να κάνει με την αντιμετώπιση των διακοπών ρεύματος πάνω στην γραμμή. Οι μεγάλες διακοπές ρεύματος (blackout) προκαλούνται από μία σειρά εσφαλμένων λειτουργιών στο δίκτυο. Η ανάπτυξη των 27

28 WAMS που αναφέρθηκαν παραπάνω στοχεύει στην αντιμετώπιση αυτού του θέματος διαμέσου της συνεχόμενης παρακολούθησης και της λήψης δεδομένων. Οι μονάδες των PMUs χρησιμοποιούνται στην προκειμένη περίπτωση γιατί είναι εφικτό να παρέχουν μετρήσεις φασικής τάσης, έντασης ρεύματος πάνω στην γραμμή. Οι μετρήσεις αυτές σηματοδοτούνται με μία χρονική «σφραγίδα» από ένα ρολόι ακριβείας με παγκόσμία ώρα (εννοώντας το Global Positioning System GPS). Εκμεταλλευόμενοι χρονικό συγχρονισμό επιτυγχάνονται λήψεις μετρήσεων από διαφορετικά PMU. Οι μετρήσεις αυτές απεικονίζουν την κατάσταση του δικτύου εκείνη την παρούσα χρονική στιγμή. Αξίζει να αναφερθεί η περίπτωση της ερευνητικής ομάδας NASPI σύμφωνα με την οποία αναπτύσσεται μία παγκόσμία ασφαλής και προτυποιημένη επικοινωνιακή αρχιτεκτονική που ονομάζεται NASPInet. Η αρχιτεκτονική αυτή παρατίθεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 1.4 Αρχιτεκτονική NASPInet [1] Τα τμήματα από τα οποία αποτελείται αυτή η αρχιτεκτονική είναι τα PMUs, τα σημεία συλλογής δεδομένων των PMUs (Phasor Data Concentrators PDC), και τα Phasor Gateways (PGWs). Ο τρόπος λειτουργίας έχει ως εξής: Τα PMUs μετράνε ένταση και φασική τάση. Τα δεδομένα μεταδίδονται στο PDC του οποίου η κύρια λειτουργία είναι να «ευθυγραμμίσει» χρονικά αυτά τα δεδομένα. Η ροη των δεδομένων που προκύπτει από το PDC είτε χρησιμοποιούνται για περαιτέρω ανάλυση είτε διοχετεύονται στο υπόλοιπο δίκτυο διαμέσου του PGW προκειμένου να επιτευχθεί η λειτουργία των μετρήσεων σε ευρεία περιοχή του δικτύου (Wide Area Measurement). Σύμφωνα με τις εφαρμογές που αναπτύσσονται για τους φασιθετικούς μετρητές έχουν θεσμοθετηθεί από τον NASPI τέσσερις κατηγορίες A, B, C, D με κριτήριο το latency αλλά και τις απαιτήσεις των ρυθμών μετάδοσης. Η πιο κρίσιμες εφαρμογές τοποθετούνται στην κατηγορία Α όπου έχουμε: Αυτόματος οπλισμός και αποκατάσταση λειτουργίας ενεργειακών διατάξεων δικτύου, συνεχή προστασία και παροδική σταθερότητα (ο όρος παροδική σταθερότητα χρησιμοποιείται λόγω των φυσικών διακυμάνσεων του ρεύματος που βρίσκεται πάνω στην γραμμή και γι αυτό δεν μπορεί να χαρακτηριστεί ως κανονική σταθερότητα). Εδώ το latency πρέπει να είναι χαμηλότερο από 100ms και οι ρυθμοί των δεδομένων να είναι 30 δείγματα ανά δευτερόλεπτο (samples/sec). 28

29 Διευρύνοντας αυτή την έννοια οι προϋποθέσεις για το latency για παρακολούθηση και έλεγχο σε πραγματικό χρόνο κυμαίνεται από 20 έως 200ms ενώ οι απαιτήσεις για τους ρυθμούς των δεδομένων κυμαίνεται από 600 έως 1500kbps. Η επιλεγόμενη επικοινωνιακή τεχνολογία εξαρτάται από την διαθεσιμότητα και το αντίστοιχο κόστος ανάπτυξης. 1.7 Σύστημα μέτρησης ευρείας περιοχής (Wide Area Measurement System WAMS). Προκειμένου να εξασφαλιστεί η σταθερότητα σε ένα σύστημα το οποίο έχει επιφορτιστεί μεγάλο όγκο ηλεκτρικού φορτίου θα πρέπει οι διατάξεις του συστήματος να παραμείνουν σε λειτουργία όπως επίσης θα πρέπει να ληφθούν υπόψη και οι αντίστοιχες ενέργειες που πρέπει να γίνουν εάν το σύστημα δεν έχει ανανήψει από ένα σοβαρό σφάλμα. Για την ικανοποίηση αυτής της απαίτησης είναι να έχουμε έλεγχο και παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο. Ένα σύστημα WAMS παρέχει στον χειριστή του δικτύου δεδομένα σε πραγματικό χρόνο για τις ενδεχόμενες αστάθειες του δικτύου και γεγονότα που προκύπτουν. Αυτό το σύστημα παρέχει στον χειριστή του δικτύου τον απαραίτητο χρόνο για να εφαρμόσει αντίστοιχα τις ενέργειες που πρέπει για να συνεχιστεί η σωστή λειτουργία του. Αυτή την στιγμή τα υπάρχοντα συστήματα που μπορούν να προσφέρουν έλεγχο μέχρι ένα ορισμένο επίπεδο είναι τα συστήματα SCADA. Η αντίστοιχη λύση που μπορεί να προσφερθεί στην περίπτωση του ΕΕΔ είναι με την χρήση των WAMS. Συγκεκριμένα τα WAMS χρησιμοποιούν το δίκτυο των φασιθετικών μετρητών το οποίο στην ουσία είναι PMUs διασκορπισμένα σε όλο το δίκτυο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και σημεία συγκέντρωσης δεδομένων των φασιθετών με την ονομασία PDC (Phasor Data Concentrators). Υπάρχουν δύο τρόποι για να υλοποιηθεί ένα σύστημα WAMS. Ο πρώτος έχει να κάνει με την διαμόρφωση αυτόνομων δικτύων (stand-alone) επικοινωνιών και χρησιμοποιείται κυρίως για έρευνα και ανάπτυξη γιατί διαμέσου αυτής της μεθόδου είναι εφικτό να παρατηρηθεί και να μελετηθεί τι συμβαίνει μονομερώς στο δίκτυο. Ο δεύτερος είναι η συνένωση τους σε μία ενιαία υποδομή η οποία με την παρούσα κατάσταση του δικτύου συνδέεται με το σύστημα SCADA ως συμπληρωματικό μέσο για την λήψη μετρήσεων. Τα πρωτόκολλα επικοινωνίας αντίστοιχα χρησιμοποιούνται για την μεταφορά των δεδομένων από τα WAMS. Με την παρούσα η εγκατάσταση WAMS έχει γίνει μόνο στην Βόρεια Αμερική με απώτερο σκοπό την μέτρηση στο δίκτυο μεταφοράς Φασιθετικοί μετρητές και Διαχειριστές Φασιθετικών μετρητών (PMU και PDC). Τα δεδομένα που προκύπτουν από τον PMU «σφραγίζονται» χρονικά και εν συνεχεία διαμέσου του επικοινωνιακού συστήματος αποστέλλονται στον PDC. Όταν ο PDC λάβει τα δεδομένα ελέγχει για πιθανά λάθη κατά την εκπομπή χρησιμοποιώντας την μέθοδο του κυκλικού ελέγχου πλεονασμού (Cyclic Redundancy Chech CRC) και αποκαθιστά τα δεδομένα μέσα στην εσωτερική μνήμη που διαθέτει. Όταν τα δεδομένα εγγράφονται στην μνήμη τότε ο PDC έχει πρόσβαση στον εσωτερικό δυαδικό μετρητή ο οποίος είναι συγχρονισμένος με το ρολόι UTC (Universal Time Clock). Ο PDC πραγματοποιεί σύγκριση ανάμεσα στις χρονικές σφραγίδες που έχουν φτάσει από τα PMUs. Εν συνεχεία ανασυντάσσει τα δεδομένα προκειμένου να ευθυγραμμίσει μέσα σε αυτά τα δεδομένα που έχουν το ίδιο UTC. 29

30 Σχήμα 1.5 Εσωτερική δομή του φασιθετικού μετρητή [1] Σχήμα 1.6 Αρχή λειτουργίας PDC[1] Μερικές εφαρμογές στο ΕΕΔ απαιτούν το PDC για να επιφορτιστεί με τον ρόλο του συντονιστή λήψης αποφάσεων σε αυτοματοποιημένο επίπεδο. Η αρχιτεκτονική υλικού (hardware architecture) των WAMS και η οποία παρατίθεται στο παρακάτω σχήμα αποτελείται από πέντε βασικά δομικά στοιχεία. Υποσταθμούς ισχύος εφοδιασμένους με PMUs, υποσταθμούς ισχύος με PDCs, κεντρικούς συγκεντρωτές διαχειριστές PDC (Super PDC SPDC), κέντρο τηλεπικοινωνιακών αναμεταδοτών (Relay office) και για την διασύνδεση των παραπάνω σε δικτυακό επίπεδο επιτυγχάνεται με δίκτυα ευρείας περιοχής (WAM). Στο χαμηλότερο επίπεδο της ιεραρχίας των WAMS εγκαθίστανται τα PMU ως βασικές μετρητικές διατάξεις. Οι μετρητικές διατάξεις κατ ουσία είναι αισθητήρες σε συνδυασμό με ηλεκτρονικά κυκλώματα ισχύος αλλά και ψηφιακές διατάξεις. Εντός του υποσταθμού επειδή οι αποστάσεις που καλύπτονται δικτυακά για την διασύνδεση των διατάξεων ένα σύστημα Ethernet μπορεί να θεωρηθεί μία καλή επιλογή. Εδώ πρέπει να αναφερθεί ότι το πρωτόκολλο επικοινωνίας για την λειτουργία του Ethernet σε τέτοιου είδους δίκτυα καθορίζονται στο πρότυπο IEC61580 από την «Διεθνή Ηλεκτροτεχνική Επιτροπή» (International Electrotechnical Committee IEC), Technical Committee 57 (TC57) [19]. Εν συνεχεία στον PDC υποσταθμό επιπλέον από τις βασικές μετρητικές διατάξεις που αναφέρονται παραπάνω υπάρχει και εκεί ένα δίκτυο Ethernet. Η βασική εργασία του PDC είναι να συγκεντρώνει τα δεδομένα των μετρήσεων τα οποία βρίσκονται στην «επικοινωνιακή» περιοχή που καλύπτει. Ως μέθοδο χρησιμοποιείται και εδώ η χρονική 30

31 σήμανση προκειμένου να ομαδοποιήσει τα δεδομένα που προέρχονται από το ίδιο PMU έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η διαφοροποίηση και από άλλα PMU που εξυπηρετούνται από το δίκτυο. Τα ομαδοποιημένα δεδομένα προωθούνται στο ανώτερο επίπεδο PDC που περιλαμβάνει τα SPDC. Αντίστοιχα ο κόμβος SPDC έχει την ικανότητα να αποθηκεύει, να αναλύει και να παρουσιάζει σε στατιστική και γραφική μορφή τα δεδομένα που έχουν παραχθεί. Το SPDC μπορεί να εγκατασταθεί όχι απαραίτητα σε σημείο του δικτύου που υπάρχουν ενεργειακές διατάξεις αλλά και σε ένα κέντρο λήψης δεδομένων (data center) ή και ακόμα απευθείας στο επιχειρησιακό κέντρο του δικτύου συγκεντρώνονται όλα τα δεδομένα. Σχήμα 1.7 Αρχιτεκτονική WAMS [1] Η επικοινωνιακή υποδομή του WAMS μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε τρεις διαφορετικές κατηγορίες: Τοπικά δίκτυα εντός υποσταθμού (Intra substation LAN) Υψηλής απόδοσης περιφερειακά δίκτυα. Δίκτυα οπτικών ινών. Σύμφωνα με το επικοινωνιακό πρότυπο IEC61850 καθορίζεται ότι η χαρτογράφηση των δεδομένων καθώς και η μεταφορά τους σε τοπικό επίπεδο προτού μπουν στο 31

32 επίπεδο της μεταφοράς μπορούν να εξυπηρετηθούν από το πρωτόκολλο Ethernet. Η μεγάλη συγκέντρωση δεδομένων επιτυγχάνεται στο επόμενο επίπεδο αυτό της μεταφοράς. Τα δεδομένα που παράγονται από τα PMUs θα πρέπει να μεταφορτώνονται στο κεντρικό δίκτυο μεταφοράς προκειμένου να καθορίζεται και η συμπεριφορά του δικτύου. Το SPDC θα πρέπει να είναι υπεύθυνο για να αποστέλλει κρίσιμες εντολές ελέγχου με κριτήριο τον χρόνο προς τον εξοπλισμό ασφαλείας και ενεργειακής ρύθμισης που διαθέτει το δίκτυο. Ολοκληρώνοντας την αναφορά στα συστήματα WAMS του ΕΕΔ αναφέρουμε μερικές από τις «ενεργειακές εφαρμογές» που εξυπηρετούνται δυναμικά διαμέσου της δικτύωσης: Παρακολούθηση και καταγραφή ενεργειακού συστήματος (Power-system monitoring) Συνένωση μεταξύ καταστάσεων λειτουργίας του συστήματος (Seams between state estimates) Βαθμονόμηση μετασχηματιστών Προσαρμογή και αξιοπιστία προστασίας του ενεργειακού συστήματος. Προσαρμογή σε οριακές καταστάσεις λειτουργίας (Adaptive out-of-step) Επιτήρηση εφεδρικών ζωνών ενέργειας Έξυπνη διαχείριση φορτίου (Intelligent load shedding) Έξυπνη απομόνωση τμημάτων δικτύου (Intelligent islanding) Έλεγχος ταλαντώσεων συστήματος λόγω συχνότητας Έλεγχος ταλαντώσεων μεγάλης κλίμακας συστήματος. Ανάνηψη συστήματος από μεταβατικά φαινόμενα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 - Θεωρητικό Μοντέλο Ασύρματου Δικτύου. 2.1 Καθορισμός των προδιαγραφών δεδομένων ανά διάταξη για το ΕΕΔ (NIST, EAL6, EAL7). 32

33 Με την διασύνδεση συστημάτων στο ΕΕΔ και την ενεργοποίηση αμφίδρομης επικοινωνιακής ροής που σχετίζεται με την παραγωγή, μεταφορά και διανομή ηλεκτρικής ενέργειας τα δίκτυα επικοινωνιών και κατ επέκταση τα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών επιφορτίζονται με τον ρόλο του εκμοντερνισμού του δικτύου. Η χρήση των ασύρματων δικτύων παρουσιάζει μεγαλύτερο αριθμό πλεονεκτημάτων υπάρχουν και αρκετά τεχνικά ζητήματα που πρέπει να λάβουμε υπόψη μας. Το μεγάλο πλεονέκτημα είναι σαφώς η δυνατότητα προσβασιμότητας ακόμα και στο πιο απομακρυσμένο σημείο καθώς και το μικρό κόστος εγκατάστασης και επιβάρυνσης του δικτύου. Τα μειονεκτήματα εστιάζονται στις ιδιότητες μετάδοσης του σήματος με σημαντικό μειονέκτημα την ύπαρξη θορύβου στην γραμμή. Επίσης η χρήση κοινού μέσου (medium) είναι μία έμφυτη ικανότητα των ασύρματων δικτύων η οποία μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση παρεμβολών. Προκειμένου να δημιουργήσουμε το θεωρητικό μοντέλο είναι απαραίτητο πρώτα να καθορίσουμε τις απαιτήσεις που έχει το ΕΕΔ όσον αφορά τα δεδομένα που παράγονται από τις ενεργειακές διατάξεις και τα οποία πρέπει να μεταδοθούν. Το θεωρητικό μοντέλο σχετίζεται άμεσα με την επιλογή του τμήματος του δικτύου στο οποίο αναλύεται η μετάδοση των δεδομένων. Στο πρώτο κεφάλαιο έγινε αναφορά στα τμήματα που απαρτίζουν το ΕΕΔ καθώς και την αρχιτεκτονική του που το διαχωρίζουμε σε Macro Grid και Micro Grid. Το θεωρητικό μοντέλο έχει να κάνει με την υλοποίηση ενός καναλιού διαμέσου του οποίου είναι εφικτή η επικοινωνία ανάμεσα σε ένα πομπό και σε ένα δέκτη. Σε θεωρητικό επίπεδο σημαίνει ότι έχουμε δύο κόμβους επικοινωνίας. Οι κόμβοι επικοινωνίας σύμφωνα με την αρχιτεκτονική του ΕΕΔ παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 2.1 Κόμβοι επικοινωνίας στο ΕΕΔ Από το παραπάνω σχήμα είναι αντιληπτό ότι στο ΕΕΔ έχουμε ένα μεγάλο αριθμό από κόμβους επικοινωνιών στους οποίους μάλιστα σημαίνει ότι θα έχουν πρόσβαση ένας μεγάλος αριθμός μετρητικών διατάξεων οι οποίες προσπαθούν να αποστείλουν τα δεδομένα τους. Οι μέχρι τώρα μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί έχουν να κάνουν με την επικοινωνία σε ένα οικιακό δίκτυο καθώς και πως τα δεδομένα μπορούν να μεταβιβαστούν σε ένα σημείο συγκέντρωσης (Aggregator). Σε αυτές τις περιπτώσεις το ασύρματο σύστημα πρέπει να καλύψει σχετικά μικρή απόσταση ανάμεσα σε πομπό και δέκτη. Εδώ το πρόβλημα έγκειται περισσότερο στα σημεία συγκέντρωσης καθώς και το πώς θα διαχειριστούν τα δεδομένα που λαμβάνουν μαζικά από διατάξεις όπως είναι τα 33

34 AMI. Αντίστοιχα στο επίπεδο της διανομής υπεισέρχονται και άλλα ζητήματα όπως είναι αυτό της κάλυψης αρκετά μεγάλων αποστάσεων όπου πλέον πρωτόκολλα όπως είναι το ZigBee και το δεν μπορούν να ανταπεξέλθουν λόγω του ότι δεν μπορούν μεταδώσουν το σήμα τους σε τόσο μεγάλες αποστάσεις. Αντίστοιχα αυτό που έχει επικρατήσει ως λύση στο επίπεδο της διανομής είναι η χρήση του πρωτοκόλλου PLC. Το PLC κατ ουσία είναι ένα ενσύρματο δίκτυο το οποίο χρησιμοποιεί τις ίδιες τις γραμμές μεταφοράς για να μεταφέρει δεδομένα. Η αρχή λειτουργίας έγκειται στην ψηφιακή διαμόρφωση σήματος. Το ψηφιακό σήμα διοχετεύεται μέσα στην γραμμή εναλλασσόμενου ρεύματος και μεταδίδεται. Τα προβλήματα που αντιμετωπίζει το PLC εστιάζονται κυρίως στο ζήτημα της απόστασης όπου σε μεγάλες αποστάσεις είναι δύσκολο να μεταφερθεί το σήμα. Αυτό οφείλεται στην εισαγωγή ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών που οφείλονται στο ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το εναλλασσόμενο ρεύμα. Παρόλα αυτά αυτή την στιγμή το PLC αποτελεί μία καλή λύση για την δικτύωση του ΕΕΔ στο επίπεδο που έχει αναπτυχθεί. Συνεπώς το επόμενο βήμα είναι να διαπιστωθεί η δυνατότητα δημιουργίας ενός συστήματος το οποίο θα μπορεί να εξυπηρετήσει τις επικοινωνιακές ανάγκες στο επίπεδο της μεταφοράς. Τα χαρακτηριστικά του δικτύου στο επίπεδο της μεταφοράς είναι ότι πρέπει να καλύψει αποστάσεις που φτάνουν μέχρι και εκατοντάδες χιλιόμετρα, ό όγκος των δεδομένων υπολογίζεται να είναι πολύ μεγάλος από την στιγμή που στο επίπεδο της μεταφοράς έχουμε διατάξεις όπως PMUs, PDCs ενώ παράλληλα σε πολλούς κόμβους θα έχουμε και την διασύνδεση περιφερειακών ενεργειακών συστημάτων όπως είναι τα ΑΠΕ των οποίων τα δεδομένα θα διοχετεύονται στο επίπεδο της μεταφοράς. Ως πρώτη διαπίστωση είναι ότι το σύστημα θα πρέπει να είναι ασύρματο προφανώς για να μπορέσουμε καλύψουμε το ζήτημα των μεγάλων αποστάσεων ενώ παράλληλα να διατηρήσουμε όσο το δυνατόν μικρότερο κόστος στην διαμόρφωση και λειτουργία του ΕΕΔ. Ένα ακόμα χαρακτηριστικό του συστήματος είναι ότι θα πρέπει να εμφανίζει ως βασικό του χαρακτηριστικό την διαλειτουργικότητα δηλαδή να μπορεί να επικοινωνήσει και με άλλα πρωτόκολλα όπως είναι το , το ZigBee και το PLC. Αναφορικά παραμένουμε σε αυτά τα τρία πρωτόκολλα γιατί μέχρι τώρα έχουν χρησιμοποιηθεί σε προσομοιώσεις και υλοποιήσεις που έχουν γίνει για το ΕΕΔ. Ως πρωτόκολλο στην προκειμένη περίπτωση επιλέχθηκε το Το συγκεκριμένο πρωτόκολλο αξίζει να αναφερθεί ότι ενώ εφαρμόστηκε σε καθαρά τηλεπικοινωνιακό επίπεδο λόγω της εμφάνισης του LTE και του LTE-Advanced δεν αναπτύχθηκε σε τόσο μεγάλο βαθμό. Στην περίπτωση όμως ανάπτυξης του ΕΕΔ συναντάται εκτενώς σε ερευνητική βιβλιογραφία ενώ παράλληλα αξίζει να αναφερθεί και η περίπτωση ανάπτυξης του δικτύου WiGrid το οποίο είναι ο συνδυασμός του WiMAX ως τηλεπικοινωνιακό σύστημα στα πλαίσια υλοποίησης του ΕΕΔ. Ο καθορισμός των προδιαγραφών του εύρους ζώνης του καναλιού (Channel Bandwidth) είναι πολύ σημαντικός για τον σχεδιασμό του ασύρματου μέσου [21]. Συγκεκριμένα ανά εφαρμογή διάταξη ισχύουν τα εξής: 1. Από το οικιακό δίκτυο προς το σημείο συγκέντρωσης (Customer Premise to Aggregation Point): Τα δεδομένα μεταφέρονται από το οικιακό δίκτυο ή και ακόμα το γειτονικό δίκτυο προς το σημείο συγκέντρωσης το οποίο κατά πάσα πιθανότητα είναι ένας ενεργειακός υποσταθμός. Η επικοινωνιακή διάταξη είναι τοποθετημένη πάνω σε ιστό στον υποσταθμό. Οι απαιτήσεις κυμαίνονται από 10 έως 100kbps ανά διάταξη μέσα στο οικιακό (ή γειτονικό) δίκτυο. 34

35 2. AMI: Το πρωτόκολλο PLC που είναι εγκατεστημένο μέχρι στιγμής έχει πολύ χαμηλό εύρος ζώνης που φτάνει το πολύ μέχρι 20kbps και γι αυτό απαιτεί την χρήση ειδικών επικοινωνιακών «γεφυρών» οι οποίες μπορεί να είναι ασύρματες και οι οποίες παρακάμπτουν τα ενεργειακά στοιχεία του δικτύου τα οποία μπορεί να προκαλέσουν ανεπιθύμητες παρεμβολές στο σήμα του PLC. Συνεπώς το εύρος ζώνης που παρέχεται μπορεί να μην είναι επαρκές για να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις του AMI. Γι αυτό στο ΕΕΔ θεωρείται πως το AMI δεν θα μπορεί να εξυπηρετηθεί κατάλληλα από το PLC γιατί απαιτείται ανά διάταξη είναι 100kbps. 3. Χρέωση κατανάλωσης σε πραγματικό χρόνο (Real-Time pricing): Τα παραγόμενα δεδομένα σε αυτή την εφαρμογή θεωρείται ότι έχουν απαιτήσεις που φτάνουν τα 500kbps. 4. Επικοινωνία φασιθετών (Synchrophasors): Οι απαιτήσεις του εύρους ζώνης ποικίλουν ανάλογα με την φύση των δεδομένων που μεταδίδονται. Θεωρείται ότι τα δεδομένα κυμαίνονται ανάμεσα σε 600kbps μέχρι και 1500kbps. Σύμφωνα με το πρότυπο IEC οι φασιθέτες θα πρέπει να χαρακτηρίζονται από υψηλή ταχύτητα και υψηλή ικανότητα διαβίβασης δεδομένων. 5. Κατανεμημένες ενεργειακοί πόροι (Distributed Energy Resources DER): Το εύρος ζώνης κυμαίνεται από 9.6 έως και 56kbps ανά κατανεμημένη πηγή. Εδώ πρέπει να αναφερθεί ότι αυτό είναι το εύρος ζώνης που απαιτείται για την σηματοδοσία των ΑΠΕ (δηλαδή οι κατανεμημένοι πόροι) όσον αφορά την ορθή λειτουργία τους προς το υπόλοιπο δίκτυο. Σε μελλοντικό επίπεδο όπου θα έχουμε πλήρη ανάπτυξη των ΑΠΕ στο ΕΕΔ τότε εκτιμάται ότι το συγκεκριμένο εύρος ζώνης θα αυξηθεί. 6. Αυτοματισμοί διανομής (Distribution Automation DA): Εδώ οι απαιτήσεις κυμαίνονται από 9.6 έως και 100kbps. Πρέπει όμως να αναφερθεί ότι το επίπεδο της αξιοπιστίας που πρέπει να επιτυγχάνεται σε αυτή την περίπτωση θα είναι σε ποσοστό 99% ακριβώς γιατί αφορά την λειτουργία αυτοματισμών που καθορίζουν την λειτουργία του δικτύου. Συνεπώς θα πρέπει να ικανοποιούνται στο ακέραιο οι επικοινωνιακές απαιτήσεις. Έχοντας καθορίσει παραπάνω τις προδιαγραφές δεδομένων ανά διάταξη είναι αντιληπτό ότι το εκάστοτε δίκτυο θα πρέπει να μπορεί να ανταπεξέλθει στις ανάλογες απαιτήσεις. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω το θεωρητικό μοντέλο που σχεδιάζεται στοχεύει στην μελέτη κάλυψης των επικοινωνιακών αναγκών στο επίπεδο της μεταφοράς. Δηλαδή στην προκειμένη περίπτωση θα κυμαίνεται από 600 έως και 1500kbps ανά μονάδα φασιθέτη. Επειδή το πρωτόκολλο IEEE θεωρείται ως μία καλή επιλογή μελετάται η περίπτωση δημιουργίας ενός ασύρματου μέσου βασιζόμενο σε ψηφιακά συστήματα επικοινωνιών και συγκεκριμένα με την χρήση του OFDM ως τεχνική διαμόρφωσης του μεταδιδόμενου σήματος. 1.1 Θεωρητικό μοντέλο πομποδέκτη με την χρήση OFDM. Προκειμένου να μπορέσουμε να σχεδιάσουμε και να προσομοιώσουμε το αντίστοιχο μοντέλο θα πρέπει αρχικά να σχεδιάσουμε ένα θεωρητικό μοντέλο. Το θεωρητικό μοντέλο περιλαμβάνει ένα πομπό, ένα δέκτη καθώς και το κανάλι το οποίο διασυνδέει μεταξύ τους αυτά τα δύο στοιχεία. Το μοντέλο δομείται με την μορφή blocs. Η μορφή του αναπαριστάται στο παρακάτω σχήμα. 35

36 Σχήμα 2.2 Θεωρητικό μοντέλο πομπού δέκτη Θεωρούμε ότι ο πομπός έχει τοποθετηθεί σε έναν κόμβο του ΕΕΔ στο επίπεδο της μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Συγκεκριμένα θεωρούμε ότι ο πομπός μπορεί να είναι τοποθετημένος σε PDC. Αυτό σημαίνει ότι αφού συλλέξει μία σειρά από δεδομένα από τα διάφορα PMU θα πρέπει να τα μεταδώσει στον δέκτη ο οποίος θεωρούμε ότι βρίσκεται σε κέντρο ελέγχου στο οποίο πρέπει να φθάσουν τα δεδομένα έτσι ώστε να καθοριστεί η συμπεριφορά του δικτύου στο επίπεδο της μεταφοράς [22],[23]. Τα δεδομένα που συγκεντρώνονται από τα PMU (ή το PDC) αρχικά διαμορφώνονται με την τοποθέτηση συμβόλων. Η χαρτογράφηση και η τοποθέτηση των συμβόλων γίνεται με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε το μεταδιδόμενο σήμα να μετατρέπεται σύμφωνα με την ακολουθία της κωδικοποίησης. Η κωδικοποίηση έχει να κάνει με την τοποθέτηση ενός μεγάλου αριθμού συμβόλων για κάθε υποφορέα. Οι τεχνικές διαμόρφωσης των σηματαστερισμών των εκπεμπόμενων συμβόλων που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτό το μοντέλο προσομοίωσης είναι BPSK και QPSK (η μέθοδος υλοποίησης αυτής της διαμόρφωσης παρατίθεται αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο). Η διαμόρφωση του σήματος είναι το πρώτο τμήμα στο θεωρητικό μοντέλο. Η τεχνική του OFDM διαιρεί το σήμα σε παράλληλες ροές σημάτων στενής δέσμης. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτή η διεργασία εισάγουμε στο μοντέλο έναν μετατροπέα σήματος σειριακό σε παράλληλο (Serial to Parallel Converter S/P). Το εισαγόμενο σήμα στον μετατροπέα διαιρείται σε παράλληλες ροές και εν συνεχεία εισάγονται οι οδηγοί (pilot pattern) του σήματος. Τα μεταδιδόμενα σύμβολα μεταφέρονται από το πεδίο συχνότητας στο πεδίο του χρόνου. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί αυτό η διεργασία εισάγουμε έναν αντίστροφο ταχύ μετασχηματισμό Fourier (IFFT). Το σύνολο των παράλληλων δεσμών συνάδει με τον 36

37 αριθμό των φορέων οι οποίοι φορείς είναι υπεύθυνοι για την μεταφορά των δεδομένων. Οι στενές δέσμες των παράλληλων ροών έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση του φαινομένου της διασυμβολικής παρεμβολής (ISI) για την αντιμετώπιση της σύμφωνα με την θεωρία του OFDM εισάγουμε χρονικά διαστήματα φύλαξης (Guard Intervals) στις παράλληλες ροές. Επίσης στο μεταδιδόμενο σήμα εισάγουμε και την χρήση κυκλικού προθέματος (Cyclic Prefix CP) όταν το σήμα βρίσκεται στο πεδίο του χρόνου. Αφού το μεταδιδόμενο σήμα υφίσταται την παραπάνω επεξεργασία εισέρχεται ξανά σε ένα μετατροπέα παράλληλο σε σειριακό. Εν συνεχεία το σήμα μεταφέρεται στον μετατροπέα ανοδικής σύνδεσης (Uplink Converter) προκειμένου να μεταδοθεί το σήμα. Στην πλευρά του δέκτη ακολουθείται η αντίστροφη διαδικασία. Συγκεκριμένα το σήμα λαμβάνεται και μεταφέρεται στον μετατροπέα καθοδικής σύνδεσης (Downlink Converter). Εν συνεχεία εισάγεται σε ένα μετατροπέα σειριακό σε παράλληλο. Στο επίπεδο του πομπού εισάγαμε χρονικά διαστήματα φύλαξης, κυκλικό πρόθεμα. Συνεπώς στην περίπτωση εδώ αφαιρούμε τα διαστήματα φύλαξης. Το σήμα έχει μεταδοθεί στο πεδίο του χρόνου συνεπώς θα πρέπει να μεταφερθεί στο πεδίο της συχνότητας. Γι αυτό τον λόγο χρησιμοποιούμε έναν ταχύ μετασχηματισμό Fourier (FFT). Η εκτίμηση της επίδοσης της κατάστασης του καναλιού (channel estimation) είναι επίσης ένας πολύ σημαντικός παράγοντας. Γι αυτό τον λόγο στον δέκτη έχει τοποθετηθεί ένα block το οποίο αναπαριστά αυτή την λειτουργία. Από την θεωρία του OFDM γνωρίζουμε ότι ο υπολογισμός κατάστασης του καναλιού επιτυγχάνεται με δύο μεθόδους: Blind και non-blind. Στην περίπτωση της μεθόδου Blind πραγματοποιείται αξιοποίηση πάνω στην στατιστική συμπεριφορά των λαμβανόμενων σημάτων. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται η συγκέντρωση ενός μεγάλου όγκου δεδομένων. Κατ επέκταση θα έχουμε σημαντική μείωση και υποβιβασμό της ποιότητας του σήματος ειδικά σε κανάλια που έχουν μεγάλη εξασθένιση. Από την άλλη πλευρά στην περίπτωση της nonblind μεθόδου η εκτίμηση της επίδοσης του καναλιού στηρίζεται στον υπολογισμό ενός τμήματος από τα μεταδιδόμενα σήματα τα οποία είναι διαθέσιμα στον δέκτη. Σε αυτό το μοντέλο έχει χρησιμοποιηθεί ως μέθοδος το non-blind. Συγκεκριμένα βασιζόμαστε στην διαδικασία μετάδοσης ενός OFDM συμβόλου το οποίο φθάνει στον δέκτη. Ο δέκτης με αυτό το OFDM σύμβολο μπορεί να εκτιμήσει την κατάσταση του καναλιού διαμέσου της αποδιαμόρφωσης των λαμβανόμενων δειγμάτων. Στην μέχρι τώρα πορεία έχει διαπιστωθεί και από άλλες ερευνητικές εργασίες να θεωρείται το κανάλι σταθερό κατά την διάρκεια εκπομπής ενός συμβόλου OFDM. Εν συνεχεία αφού γίνει η εκτίμηση του καναλιού στον δέκτη οι παράλληλες ροές εισέρχονται σε ένα παράλληλο σε σειριακό μετατροπέα προκειμένου να έχουμε στην έξοδο μία ροή. Ως τελευταίο κομμάτι έχουμε την αποδιαμόρφωση του σήματος σε συσχετισμό πάντα με την αντίστοιχη διαμόρφωση που έχει γίνει στην περίπτωση του πομπού καθώς και το αντίστοιχο symbol demapping. Μετά από αυτό το βήμα τα δεδομένα μεταφέρονται στον τελικό προορισμό. Στην θεώρηση που έχει γίνει το ασύρματο κανάλι και κατ επέκταση οι διατάξεις του πομπού και του δέκτη διασυνδέσουν ένα σύνολο από PMUs των οποίων τα δεδομένα φτάνουν στο PDC και από εκεί πρέπει να μεταδοθούν ενδεχομένως σε κάποιο κέντρο ελέγχου. Εφόσον πρόκειται για PMUs λαμβάνεται υπόψη το χειρότερο δυνατό σενάριο όπου κάθε PMU έχει να μεταδώσει μεγάλο όγκο δεδομένων και απαιτείται εύρος ζώνης στα 1500kbps. Σύμφωνα με την θεωρία το OFDM είναι μία ψηφιακή τεχνική διαμόρφωσης σήματος. Το μεγάλο πλεονέκτημα του OFDM έγκειται στο πώς το σύστημα διαχειρίζεται τις 37

38 παρεμβολές στον δέκτη που δημιουργούνται από την πολυδιαδρομική μετάδοση (multipath). Το multipath είναι ένα φαινόμενο το οποίο καθώς το ΕΕΔ αναπτύσσεται σίγουρα θα εμφανιστεί λόγω του ότι στο υποθετικό σενάριο που έχουμε μία μονάδα PDC θα λαμβάνει σήματα από πολλές διαφορετικές μονάδες PMUs ταυτόχρονα. Επίσης, το OFDM μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μείωση του φαινομένου του ISI το οποίο μπορεί να εμφανιστεί λόγω της αλληλεπίδρασης multipath σημάτων. Στο θεωρητικό μοντέλο υποθέτουμε ότι έχουμε έναν αριθμό N υποφορέων και S σύμβολα. Για το n-οστό σύμβολο σε μιγαδικό επίπεδο θεωρούμε ότι: Αντίστοιχα το OFDM σήμα χωρίς την τοποθέτηση κυκλικού προθέματος ορίζεται ως: 1.2 Θεωρητικό μοντέλο γραμμής μεταφοράς. Η γραμμή μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιείται προκειμένου να μεταδώσει ηλεκτρική ενέργεια. Η γραμμή μεταφοράς λόγω της υψηλής (και κατ επέκταση της υπερυψηλής) τάσης έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία ισχυρού μαγνητικού πεδίου και κατ επέκταση την εμφάνιση μεγάλου όγκου θορύβου στην γραμμή. Στο παρακάτω σχήμα παρατίθεται το αντίστοιχο μοντέλο το οποίο περιλαμβάνει μία σειρά από PMUs και PDC αντίστοιχα. Στο μοντέλο διατηρείται η γραμμική αρχιτεκτονική που έχει το ΕΕΔ. Σχήμα 2.3 Δίκτυο μεταφοράς με την χρήση PMUs και PDCs [1],[2] Το δίκτυο περιλαμβάνει μία σειρά από PMUs οι οποίοι είναι τοποθετημένοι πάνω σε υποσταθμούς και οι οποίοι μεταβιβάζουν τα δεδομένα που λαμβάνουν από την ροή της 38

39 ηλεκτρικής ενέργειας. Θεωρούμε ότι έχουμε την γραμμή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η γραμμή παραγωγής συνδέεται άμεσα με τις γραμμές μεταφοράς. Τα δεδομένα των PMU φτάνουν σε ένα PDC και εν συνεχεία διοχετεύονται από αυτό το PDC σε ένα κέντρο ελέγχου, θεωρώντας ότι το κέντρο ελέγχου βρίσκεται στην γραμμή παραγωγής (πράγμα το οποίο συμβαίνει σχεδόν σε όλα τα ενεργειακά συστήματα). Η γραμμή μεταφοράς έχει συνδεδεμένα πάνω της μία σειρά από φορτία που συνδέονται στο δίκτυο τα φορτία αυτά έχουν διακοπτικά μέσα ισχύος. Κατά την εναλλαγή της λειτουργίας των φορτίων έχουμε ως αποτέλεσμα την αύξηση των μεταβατικών φαινομένων όπως επίσης και την εμφάνιση εξασθένισης του σήματος. Επίσης έχουμε και την εμφάνιση μεγάλου αριθμού παρεμβολών που οφείλονται στον θόρυβο στην γραμμή. Συνεπώς η μελέτη του θορύβου και η εισαγωγή του στο μοντέλο προκειμένου να διαπιστωθεί η σωστή λειτουργία του είναι πολύ σημαντικός παράγοντας. Σχήμα 2.4 Θόρυβος στο κανάλι Ο θόρυβος στις γραμμές μεταφοράς χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες: Θόρυβος από τις κανονικές λειτουργίες του δικτύου όπως είναι η μερική απόφορτιση σε μονωτές και πυκνωτές. Θόρυβος από διακοπτικές λειτουργίες (circuit breakers, circuit reclosers) Θόρυβος από εξωτερικούς παράγοντες. Ο θόρυβος από τις κανονικές λειτουργίες υπάρχει στο τηλεπικοινωνιακό κανάλι και οι τιμές του διαφοροποιούνται στην περίοδο της συχνότητας. Επίσης πρέπει να αναφερθεί ότι παρόλο που οι υποσταθμοί ως κατασκευές έχουν κατάλληλη μόνωση στα αγώγιμα τμήματα τους τα ισχυρά ηλεκτρικά πεδία που αναπτύσσονται μπορούν να επηρεάσουν την συχνότητα λειτουργίας του ασύρματου μέσου. Αντίστοιχα ο θόρυβος που δημιουργείται από διακοπτικές λειτουργίες έχει μεγάλο πλάτος και δημιουργεί μικρές διακοπές στην μετάδοση του σήματος. Στο θεωρητικό μοντέλο ο θόρυβος που προκαλείται από την τάση με συχνότητα 50Hz μπορεί να υπολογιστεί προσεγγιστικά από τρία ημιτονικά σήματα με περίοδο T = 1/(3x50) δευτερόλεπτα. Το πλάτος της μέγιστης πραγματικής τιμής της τάσης (RMS) για το δίκτυο ισούται με: 39

40 Όπου Umin αντιστοιχεί στην τιμή του θορύβου που δημιουργείται από την τάση. Στα πλαίσια προσομοίωσης του ασύρματου μέσου θεωρούμε ότι ο θόρυβος στο κανάλι εισάγεται με την μορφή λευκού Γκαουσιανού θορύβου. Επίσης πρέπει να αναφερθεί ότι ο θόρυβος που προκαλείται από την υψηλή ηλεκτρική ισχύ δεν ασκεί τόσο ισχυρή επιρροή στην διαδικασία της μετάδοσης σε σύγκριση με ένα σύστημα PLC. Μάλιστα στην περίπτωση του θορύβου από διακοπτικά μέσα μπορεί να διακοπεί ακόμα και η μετάδοση στο PLC. Αντίθετα στο ασύρματο μέσο ο θόρυβος θεωρείται ότι επηρεάζει την μετάδοση σε μικρότερο βαθμό. Τα δεδομένα που συγκεντρώνονται από τις μονάδες μέτρησης αποστέλλονται με την μορφή OFDM συμβόλων. Ένα σύμβολο OFDM αποτελείται από φέροντα και χρησιμοποιείται IFFT του οποίου το μέγεθος καθορίζεται από τον αριθμό των φερόντων. Υπάρχουν τριών διαφορετικών ειδών φέροντα: Φέρον δεδομένων: Για την μετάδοση των δεδομένων Πιλοτικό φέρον: Για την εκτίμηση της κατάστασης του συστήματος Μηδενικό φέρον: Δεν πραγματοποιείται καθόλου μετάδοση (διαστήματα φύλαξης) Ο σκοπός των διαστημάτων φύλαξης είναι να επιτρέψει στο σήμα να παρουσιάσει εξασθένιση κατά την μετάδοση. Αυτή είναι και η κύρια μορφή αντιμετώπιση της διασυμβολικής παρεμβολής (ISI). Προκειμένου να γίνει κατανοητό παρατίθεται το παρακάτω σχήμα. Σχήμα 2.5 Περιγραφή συχνότητας OFDM Κατά την διάρκεια της μετάδοσης ο IFFT δημιουργεί την κυματομορφή του OFDM. Η χρονική διάρκεια που πραγματοποιείται η μετάδοση αναφέρεται ως χρήσιμη περίοδος 40

41 συμβόλου Tb. Επίσης ορίζεται και το χρονικό πλαίσιο Tg με διάρκεια μs το οποίο αποτελεί το κυκλικό πρόθεμα (CP) στου οποίου την διάρκεια συλλέγεται το multipath ενώ παράλληλα διατηρείται η ορθογωνικότητα των παλμών μετάδοσης. Η δομή του πλαισίου φαίνεται παρακάτω. Σχήμα 2.6 Δομή του συμβόλου OFDM σε χρονικό πλαίσιο Η παρακάτω εξίσωση καθορίζει την μεταδιδόμενη τάση του σήματος από την κεραία στο πεδίο του χρόνου. Όπου t είναι ο χρόνος που μεσολαβεί για την μετάδοση του OFDM συμβόλου. Το dk αναπαριστά ένα μιγαδικό αριθμό με δείκτη k. Ο δείκτης k αναπαριστά την μετατόπιση της συχνότητας κατά την διάρκεια της μετάδοσης του OFDM συμβόλου από το φέρον. Το Δf αναπαριστά το διάστημα της συχνότητας των φερόντων. Συγκεκριμένα: Όπου Fs είναι η δειγματοληψία συχνότητας ενώ Nfft είναι ο αριθμός των σημείων του IFFT και του FFT αντίστοιχα. Στο επόμενο στάδιο της προσομοίωσης ο αριθμός των υποφερόντων (Nfft) ορίζεται 32, 64, 128 και 256 αντίστοιχα. Στην προσπάθεια να καθορίσουμε όσο το δυνατόν καλύτερα την συμπεριφορά του πομποδέκτη έχουμε τα παρακάτω. Τα παραγόμενα δεδομένα αρχικά τροφοδοτούνται στον πομπό ζώνης βάσης. Τα ψηφιακά δεδομένα υφίστανται επεξεργασία και διαχωρίζονται σε πραγματικά και φανταστικά μέρη. Τα πραγματικά μέρη μετατρέπονται σε συμφασικά κύματα ενώ τα φανταστικά μέρη χωρίζονται σε ορθογωνικά κύματα. Στο σύνολο τους σχηματίζουν ένα διαμορφωμένο φέρον το οποίο μεταδίδεται από τον πομπό στον δέκτη. Ο συγχρονισμός μεταξύ πομπού και δέκτη κρίνεται πολύ σημαντικός προκειμένου να εξασφαλιστεί σωστή επεξεργασία του σήματος. Για ένα σύστημα το οποίο χρησιμοποιεί OFDM απαιτείται ανίχνευση και αναγνώριση των πακέτων, δειγματοληψία συγχρονισμένη με 41

42 τον παλμό του ρολογιού του συστήματος καθώς και συγχρονισμό ως προς την συχνότητα. Η αναγνώριση των πακέτων αναφέρεται στην εύρεση της αρχής ενός πακέτου το οποίο μπορεί να επιτευχθεί με την χρήση πιλοτικών συμβόλων όπως είναι το «προπορευόμενο σήμα» (preamble). Σε αυτό υπάρχουν δύο τρόποι να το επιτύχουμε ο ένας είναι να πραγματοποιήσουμε συσχετισμό του λαμβανόμενου σήματος στον δέκτη. Σε αυτή την περίπτωση το προοίμιο σήματος αποτελείται από δύο ακολουθιακά πανομοιότυπα μέρη. Ο άλλος τρόπος είναι να συσχετίσουμε το λαμβανόμενο σήμα με τα προοίμία σήματος. Κατά την διάρκεια της εκπομπής όταν εμφανίζεται μία κορυφή (peak) τότε σημαίνει ότι η αρχή ενός πακέτου ανιχνεύεται στον δέκτη. Το OFDM ως σύστημα παρουσιάζει μεγάλη ευαισθησία στην μετατόπιση της συχνότητας γιατί μπορεί να υπάρξει απώλεια της ορθογωνικότητας μεταξύ των συμβόλων. Ένα ακόμα σημαντικό ζήτημα είναι η διαμόρφωση του σήματος. Η διαμόρφωση έχει να κάνει με την χαρτογράφηση των ψηφιακών πληροφοριών. Για ένα OFDM σύστημα η αλλαγή της φάσης και του πλάτους μπορεί να επιτευχθεί αλλά δεν μπορεί όμως να αλλάξει η συχνότητα προκειμένου να διατηρηθεί η ορθογωνικότητα. Η διαμόρφωση που χρησιμοποιείται στην προκειμένη περίπτωση είναι BPSK και QPSK αντίστοιχα. 1.3 Πομποδέκτης με IFFT και FFT. Δύο περιοδικά σήματα θεωρούνται ορθογωνικά όταν σε μία περίοδο ισούται με μηδέν. Τα φέροντα ενός OFDM σύστηματος είναι ημιτονικά στην συχνότητα λειτουργίας. Κάθε υποφέρον έχει ένα ακέραιο αριθμό κύκλων για μία περίοδο. Η ορθογωνικότητα γραφικά εκφράζεται εκτενώς στην βιβλιογραφία και έχει την παρακάτω μορφή. Σχήμα 2.7 Ορθογωνικά υποφέροντα σε σύστημα OFDM Ο FFT παίρνει ένα σήμα στο πεδίο του χρόνου ως είσοδο και στην έξοδο δίνει ένα σήμα στο πεδίο της συχνότητας ως λειτουργία στην περίοδο δειγματοληψίας και λαμβάνοντας υπόψη τα δείγματα που φτάνουν στον δέκτη. Η θεμελιώδης συχνότητα του FFT ορίζεται ως 1/Τs_tot όπου Ts_tot είναι ο συνολικός χρόνος που διαρκεί η δειγματοληψία. Αντίστοιχα ο IFFT πραγματοποιεί την αντίστροφη διαδικασία από τον 42

43 FFT. Η χρονική διάρκεια του σήματος από το IFFT ισούται με την χρονική διάρκεια κατά την οποία ο FFT λαμβάνει το σήμα. Κάθε «ροή» σήματος χαρτογραφείται σε ένα υποφέρων σε μία μοναδική συχνότητα και εν συνεχεία συνδυάζονται μαζί χρησιμοποιώντας το IFFT προκειμένου να πάρουμε την κυματομορφή ως προς το πεδίο του χρόνου η οποία και εκπέμπεται. Οι τιμές των σημάτων στην έξοδο του IFFT αποτελούν το άθροισμα πολλών ημιτονικών δειγμάτων. Από την στιγμή που το OFDM σύμβολο μπορεί να οριστεί από τον IFFT η μαθηματική εξίσωση που περιγράφει την εκπομπή του συμβόλου δίνεται από τον τύπο: Η διαδικασία μετάδοσης ανάμεσα στον πομπό και τον δέκτη του συστήματος μας έχει ως εξής: Τα δεδομένα που παράγονται από τις ηλεκτρικές διατάξεις του ΕΕΔ κωδικοποιούνται στο πεδίο της συχνότητας. Εν συνεχεία στον πομπό χρησιμοποιείται ο IFFT προκειμένου να μετασχηματίσει την κωδικοποιημένη ακολουθία από το πεδίο της συχνότητας στο πεδίο του χρόνου. Κάθε συχνότητα αποτελεί και ένα ημοτονικό κύμα στο πεδίο του χρόνου. Τα ημιτονικά κύματα που προκύπτουν αθροίζονται. Αφού πραγματοποιηθεί η άθροιση τους εν συνεχεία προστίθενται με σκοπό την μετάδοση τους. Στην πλευρά του δέκτη έχουμε το λαμβανόμενο σήμα που σύμφωνα με το μοτίβο μετάδοσης είναι διαμορφωμένο στο πεδίο του χρόνου. Σε εκείνο το σημείο εισάγεται ο FFT με απώτερο σκοπό να μεταφέρει το σήμα από το πεδίο του χρόνου και πάλι στο πεδίο της συχνότητας. Το σήμα αναλύεται βάσει συχνότητας. Η αποκωδικοποίηση του σήματος πραγματοποιείται με την αποκωδικοποίηση κάθε υποφέροντος ξεχωριστά. Η διαδικασία συνολικά αναπαριστάται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 2.8 Διαμόρφωση σήματος OFDM 43

44 Η ορθογωνικότητα των υποφερόντων αντίστοιχα πρέπει να εξασφαλίζεται κατά το στάδιο της εκπομπής που έχουμε την κωδικοποίηση αλλά και κατά το στάδιο της λήψης που έχουμε την αποκωδικοποίηση. Κατά την κωδικοποίηση έχουμε «δείγματα» τα οποία βρίσκονται στο πεδίο της συχνότητας. Διαμέσου του IFFT μεταβαίνουμε στο πεδίο του χρόνου. Η συνάρτηση που περιγράφει τον μετασχηματισμό είναι: Όπου y(t) είναι η μετασχηματισμένη συνάρτηση στο πεδίο του χρόνου ενώ το Y[k] αναφέρεται στο πεδίο της συχνότητας. Αντίστοιχα η συνάρτηση που περιγράφει τον μετασχηματισμό κατά το στάδιο της αποκωδικοποίησης και κατ επέκταση την μετάβαση από το πεδίο του χρόνου στο πεδίο της συχνότητας είναι: 1.4 Εκτίμηση επίδοσης ασύρματου καναλιού. Τα μεταδιδόμενα OFDM σήματα όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω επηρεάζονται από πολυδιαδρομική εξασθένιση. Προκειμένου να επιτύχουμε ορθή αποδιαμόρφωση και αποκωδικοποίηση στον δέκτη θα πρέπει η εκτίμηση της επίδοσης του καναλιού να πραγματοποιείται και αυτή στον δέκτη. Η εκτίμηση του καναλιού έχει ως σκοπό να χωρίσει όλα τα λαμβανόμενα σύμβολα σύμφωνα με την συνάρτηση μεταφοράς. Η συνάρτηση μεταφοράς μπορεί να πραγματοποιηθεί ταυτόχρονα στο πεδίο του χρόνου και στο πεδίο της συχνότητας. Για ένα OFDM σύστημα το FFT πραγματοποιείται για όλα τα φέροντα έτσι ώστε να έχουμε ορθή επεξεργασία όταν βρισκόμαστε στο πεδίο της συχνότητας. Θεωρούμε ότι έχουμε ένα εκπεμπόμενο σήμα X και C είναι η απόκριση του καναλιού. Εισάγουμε λευκό θόρυβο στο κανάλι Ν. Αντίστοιχα ο δέκτης θα πρέπει να λαμβάνει ένα σήμα Υ. Οι δύο συναρτήσεις που περιγράφουν την λειτουργία του συστήματος είναι: Όπου είναι η συνάρτηση μεταφοράς. Προκειμένου το εκπεμπόμενο σήμα Χ να ληφθεί σωστά από τον δέκτη θα πρέπει η συνάρτηση μεταφοράς να χαρακτηρίζεται από μεγάλη ακρίβεια. Στο πρωτόκολλο υπάρχουν γνωστές σταθερές όσον αφορά τον δέκτη και είναι οι πιλότοι σήματος (pilot symbols) καθώς και τα προπορευόμενα σήματα (preambles). Αναλύοντας τις μεταβολές σε αυτές τις σταθερές η συνάρτηση μεταφοράς μπορεί να υπολογιστεί βάσει στατιστικών κριτηρίων. Υπάρχουν αρκετές 44

45 μέθοδοι που εφαρμόζονται στο πεδίο της συχνότητας για την εκτίμηση της επίδοσης στα [29],[30]. Στην προκειμένη περίπτωση χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Minimum Mean Square Error (MMSE). Συγκεκριμένα η συνάρτηση διαμέσου της οποίας πραγματοποιείται η εκτίμηση της επίδοσης του καναλιού μπορεί να υπολογιστεί διαιρώντας την τιμή του λαμβανόμενου σήματος προς την τιμή του εκπεμπόμενου σήματος. Συγκεκριμένα ο τύπος είναι: Όπου Y είναι το λαμβανόμενο σήμα και Χ είναι το εκπεμπόμενο σήμα. Συνεπώς το σύστημα προσομοίωσης θα πρέπει διαμέσου του εκτιμητή επίδοσης να μπορεί να βλέπει το εκπεμπόμενο σήμα καθώς και το λαμβανόμενο σήμα στον δέκτη. Σε κάθε OFDM σύμβολο υπάρχουν 8 πιλότοι που λειτουργούν ως φέροντα, συνεπώς οι ενδεχόμενες παρεμβολές που θα εμφανιστούν χρειάζεται να λάβουν παλμική απόκριση από όλα τα φέροντα σε ένα OFDM σύμβολο. Η εκτίμηση της επίδοσης του καναλιού μπορεί να επιτευχθεί με μη-μηδενικά φέροντα. Τα μη-μηδενικά φέροντα επηρεάζονται από τις παρεμβολές συνεπώς είναι απαραίτητο για το στοιχείο που πραγματοποιεί την εκτίμηση επίδοσης να γνωρίζει πλήρως για τις παρεμβολές. Η εκτίμηση της επίδοσης του καναλιού πραγματοποιείται σε κάθε πλαίσιο μετάδοσης συνεπώς είναι σωστό κατά τον σχεδιασμό να πραγματοποιείται στο κανάλι εκτίμηση της επίδοσης για κάθε σύμβολο που μεταδίδεται. Κατά το στάδιο της προσομοίωσης τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων ανανεώνονται σε κάθε δειγματοληπτική περίοδο. Στο μοντέλο που υλοποιείται ως επιλογή χρησιμοποιείται δειγματοληψία ανά πλαίσιο μετάδοσης που σημαίνει ότι σε κάθε δειγματοληπτική περίοοδος τα δεδομένα υπολογίζονται σύμφωνα με το πλαίσιο μετάδοσης. Σύμφωνα με την συνάρτηση που περιγράφεται παραπάνω τα X και Y θεωρούνται ότι είναι διανυσματικά μεγέθη των οποίων τα μήκη ισούνται με τον αριθμό των φερόντων ανά OFDM σύμβολο και ο υπολογισμός πραγματοποιείται ανά σύμβολο. Τα X και Y έχουν την μορφή μήτρας όπου οι τιμές ανά στήλη ισούνται με τον αριθμό των OFDM συμβόλων ανά πλαίσιο. Έχουμε: Σύμφωνα με την συνάρτηση που περιγράφει την εκτίμηση της επίδοσης του καναλιού έχουμε: Όπου k ίσουται με τον αριθμό των OFDM συμβόλων ανά πλαίσιο. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί υπολογισμός του πλαισίου διαμέσου της χρήσης της πλατφόρμας του LabVIEW (που αναλύεται παρακάτω) έχουμε εισάγει έτοιμο δομικό στοιχείο το οποίο 45

46 προσομοιώνει την λειτουργία διαγώνιας μήτρας όπου τα διανυσματικά μεγέθη τοποθετούνται διαγώνια. Η μαθηματική αναπαράσταση της μήτρας είναι: Αντίστοιχα η συνάρτηση υπολογισμού της εκτίμησης επίδοσης γίνεται: Η χρήση διαγώνιας μήτρας βοηθάει στην διαδικασία του υπολογισμού καθώς αυξάνουμε τον κύκλο των προσομοιώσεων. Στο OFDM οι συντελεστές της συχνότητας του καναλιού για τα διαφορετικά υποφέροντα συσχετίζονται μεταξύ τους. Εάν ο συσχετισμός στα διαφορετικά υποφέροντα είναι γνωστός τότε το MMSE ως μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί [31]. Βέβαια ο συσχετισμός μεταξύ των συντελεστών του καναλιού για διαφορετικά υποφέροντα στο πεδίο της συχνότητας εξαρτάται από το «προφίλ καθυστέρησης ισχύος» (Power Delay Profile PDP) που λαμβάνει χώρα όταν βρισκόμαστε ακόμα στο πεδίο της συχνότητας το οποίο και αποτελεί μία συνάρτηση του ασύρματου περιβάλλοντος στο οποίο λειτουργεί το σύστημα. Εν συνεχεία υπάρχει και το ζήτημα του συγχρονισμού ο οποίος παρουσιάζει διακυμάνσεις ανάμεσα στις αποστολές πακέτων πράγμα το οποίο παρουσιάζεται σε ένα δίκτυο κατά την διάρκεια της λειτουργίας του. Η παραπάνω διατύπωση παρουσιάζεται και στην αντίστοιχη βιβλιογραφία όπου παρατηρείται η περίπτωση εκτίμησης της επίδοσης του ασύρματου μέσου για διαφορετικές μεθόδους συγχρονισμού σε συνάρτηση με τον παράγοντα του Signal-to-Noise Ratio (SNR). Ως λύση εδώ αποτελεί η χρήση του προπορευόμενου σήματος (preamble) σε συνδυασμό με την χρήση του κυκλικού προθέματος. Ο συγχρονισμός προκαλεί αλλαγή φάσης των συντελεστών του καναλιού στο πεδίο της συχνότητας [32]. Καθώς έχουμε αυτή την διακύμανση συγχρονισμού ο συσχετισμός ανάμεσα στους συντελεστές του καναλιού για τα διαφορετικά υποφέροντα αποτελεί επίσης μία συνάρτηση που χαρακτηρίζεται από την «Συνάρτηση Πιθανότητας της Πυκνότητας» (Power Density Function PDF). Παρόλα αυτά ο καθορισμός της PDF αποτελεί μία δύσκολη διαδικασία κατά την διάρκεια του σχεδιασμού του καναλιού [29], [33]. Συνεπώς για να συνοψίσουμε τον συσχετισμό ανάμεσα στους συντελεστές του καναλιού σύμφωνα με τα υποφέροντα του καναλιού εξαρτάται από το PDP και την PDF. Κατά την διάρκεια του σχεδιασμού του καναλιού είναι απαραίτητο να γίνει ένας σωστός σχεδιασμός όσο αφορά το MMSE το οποίο εξασφαλίζει την απόδοση του καναλιού σύμφωνα με τα PDP και PDF αντίστοιχα. 46

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Σχεδίαση και υλοποίηση μοντέλου με τη χρήση της πλατφόρμας του LabVIEW. Για την σχεδίαση και την υλοποίηση του μοντέλου χρησιμοποιήθηκε η πλατφόρμα του LabVIEW. Το LabVIEW λειτουργεί διαμέσου του γραφικού προγραμματισμού, όπου μας δίνεται η δυνατότητα να επιλέξουμε ανάμεσα σε μία σειρά από έτοιμα block τα οποία διασυνδέονται μεταξύ τους κατά τέτοιο τρόπο έτσι ώστε ως τελικό αποτέλεσμα να πάρουμε ένα ενιαίο σύστημα το οποίο θα μας επιτρέψει να προσομοιώσουμε το αντικείμενο που θέλουμε. Στη προκειμένη περίπτωση έχουμε την δημιουργία ενός ασύρματου καναλιού το οποίο συνδέει τον πομπό και τον δέκτη. Κατ επέκταση εκτός από το κανάλι θα πρέπει να δημιουργηθεί ο πομπός και ο δέκτης αντίστοιχα. Η ιεραρχία του μοντέλου ακολουθεί το θεωρητικό μοντέλο που έχει περιγραφεί στο προηγούμενο κεφάλαιο. Συγκεκριμένα το τελικό μοντέλο ή αλλιώς το simulator.vi όπως ονομάζεται σύμφωνα με το format του LabVIEW αποτελεί την τελική εφαρμογή διαμέσου της οποίας είναι εφικτό να υπολογιστεί το Bit Error Rate (BER) καθώς και η φασματική απόδοση του καναλιού σε σύγκριση με το SNR. Επίσης είναι εφικτό να κατά την διάρκεια της λειτουργίας να παρατηρούμε την μετάδοση των OFDM συμβόλων από τον πομπό προς τον δέκτη. Επίσης σύμφωνα με την θεωρία που αναπτύχθηκε παραπάνω τα σύμβολα OFDM μεταδίδονται στο ασύρματο μέσο ανά δευτερόλεπτο χρησιμοποιώντας ένα ψηφιακά διαμορφωμένο σήμα. Στην εφαρμογή που αναπτύχθηκε στην προκειμένη περίπτωση υπάρχει η δυνατότητα να παρατηρήσουμε και την συχνότητα της μετάδοσης των OFDM συμβόλων σύμφωνα με τις παραμέτρους διαμόρφωσης του σήματος που έχουμε ορίσει. Συνολικά η εφαρμογή του simulator.vi καλεί από πίσω μία σειρά μικρότερα vi (τα οποία συνθέτουν τον simulator) τα οποία είναι: Σύστημα πομπού OFDM Χαρτογραφητής συμβόλων Γεννήτρια παραγωγής συμβόλων Εκχωρητής υποφερόντων 47

48 1.5 OFDM διαμορφωτής OFDM αποδιαμορφωτής Κανάλι πομποδέκτη Αποχαρτογράφηση συμβόλων Γεννήτρια παραγωγής bits Εκχώρηση υποφερόντων Γεννήτρια παραγωγής θορύβου Εκτιμητής επίδοσης καναλιού Διαφορική μήτρα Γεννήτρια ακολουθίας Ανιχνευτής σήματος Αποδιαμορφωτής χρόνου συχνότητας Πολλαπλασιαστής πινάκων Σύστημα πομπού OFDM Σχήμα 3.1 Δομικό διάγραμμα πομπού Ο πομπός συνολικά ως δομή δέχεται στην είσοδο του μία σειρά από ρυθμίσεις. Οι ρυθμίσεις έχουν να κάνουν με την ισχύ του σήματος, το είδος του σηματαστερισμού που στην προκειμένη περίπτωση είναι BPSK ή QPSK. Το Pilot Pattern είναι ορθογωνικό. Εφόσον προσομοιώνουμε ένα ψηφιακό μέσο μετάδοσης σημαίνει ότι τα σήματα που μεταδίδονται θα πρέπει να γίνεται με ψηφιακό τρόπο η ακολουθία των bit στην είσοδο επιτρέπει στον πομπό να μεταδώσει τα δεδομένα με ψηφιακό τρόπο. Βέβαια πρέπει να αναφερθεί ότι κατά το στάδιο της λειτουργίας του συστήματος και κατ επέκταση της προσομοίωσης στα ενδιάμεσα υποσυστήματα δεν πραγματοποιούνται ρυθμίσεις. Όλες οι ρυθμίσεις πραγματοποιούνται στην τελική εφαρμογή. Ανάλογα με τις ρυθμίσεις που δίνονται από την τελική εφαρμογή ο πομπός 48

49 εκπέμπει με ανάλογο τρόπο. Οπότε θα πρέπει να είναι σε θέση να γνωρίζει τις αντίστοιχες ρυθμίσεις. Γι αυτό τον λόγο έχει δημιουργηθεί μία είσοδος με την ονομασία transmitting scheme. Το transmitting scheme αποτελεί είσοδο για τον πομπό και διασυνδέεται κατά αντίστοιχο τρόπο με την τελική εφαρμογή. Στην είσοδο του πομπού έχουμε επίσης την ρύθμιση του αριθμού των υποφερόντων (θυμίζουμε ότι για τα σενάρια που προσομοιώσαμε έχουμε 32, 64, 128 και 256 υποφέροντα τα οποία ανατίθενται κατά την μετάδοση). Σύμφωνα με το σχήμα 2.5 και την αντίστοιχη θεωρία που υπάρχει για το OFDM γνωρίζουμε ότι υπάρχουν σύμβολα πιλότων με μηδενική τιμή τα οποία εξυπηρετούν κατά την περίοδο του κυκλικού προθέματος. Σημαντικό που πρέπει να προσέξουμε είναι ότι η μεταβλητή των μη μηδενικών υποφερόντων συνδέεται απευθείας με την μονάδα του εκχωρητή υποφερόντων προκειμένου ο εκχωρητής να ενημερώνεται και να μπορεί εν συνεχεία να κάνει την εκχώρηση με τον κατάλληλο τρόπο. Με αντίστοιχο τρόπο και ο αριθμός των υποφερόντων (που ορίζεται γενικά από την συνολική δομή) συνδέεται απευθείας με τον αντίστοιχο διαμορφωτή OFDM. Ο διαμορφωτής και ο εκχωρητής είναι τοποθετημένα σε μία δομή for loop προκειμένου να λειτουργήσουν κατά την διάρκεια των προσομοιώσεων που ορίζονται από την γενική δομή. Στην έξοδο του ο πομπός αποδίδει τα μεταδιδόμενα OFDM σύμβολα αλλά και την συχνότητα μετάδοσης των συμβόλων. Ένα σημαντικό μέρος που πρέπει να σταθούμε στον πομπό είναι στην είσοδο του και συγκεκριμένα στον «χαρτογραφητή συμβόλων». Παρατηρώντας βλέπουμε ότι ο χαρτογραφητής συμβόλων στην είσοδο του λαμβάνει ως πληροφορία τον τύπου του σηματαστερισμού των συμβόλων αλλά και την ακολουθία των εισερχόμενων bit. Γνωρίζοντας αυτές τις πληροφορίες ο χαρτογραφητής μπορεί να προχωρήσει στην διαδικασία χαρτογράφησης σύμφωνα με το transmitting scheme που έχει οριστεί από την δομή. Την έξοδο του ο χαρτογραφητής την στέλνει συνδυαστικά μαζί με την τιμή της ισχύος του σήματος και το διοχετεύει σε μία δομή for loop. Μέσα στην δομή for loop τα εισερχόμενα σήματα τοποθετούνται σε υποσύνολα σε πίνακες έτσι ώστε αυτά τα υποσύνολα να εισέρχονται στον εκχωρητή υποφερόντων. Οι δύο έξοδοι που έχει ο πομπός συνδέονται στο ασύρματο κανάλι (περιγράφεται παρακάτω) έτσι ώστε τα δεδομένα να μεταδοθούν διαμέσου του καναλιού και να οδηγηθούν στον δέκτη Χαρτογραφητής συμβόλων Σχήμα 3.2 Δομικό διάγραμμα χαρτογραφητή για BPSK και QPSK 49

50 Η χαρτογράφηση των συμβόλων ακολουθεί δύο τεχνικές διαμόρφωσης. Η μία είναι BPSK και η άλλη είναι QPSK. Ο χαρτογραφητής συμβόλων ενσωματώνει και τις δύο τεχνικές διαμόρφωσης κάτω από μία ενιαία δομή case structure. Και στις δύο περιπτώσεις έχουμε τον καθορισμό του είδους του σηματαστερισμού στην είσοδο καθώς και την ακολουθία των bit εισόδου στο σύστημα. Αντίστοιχα στην έξοδο του το σύστημα αποδίδει την μιγαδική ακολουθία χαρτογραφημένη ανάλογα με την τεχνική διαμόρφωσης. Η έξοδος του χαρτογραφητή ανεξάρτητα από το είδος της διαμόρφωσης αποδίδει την έξοδο του σε συνδυασμό με την ισχύ του σήματος. Η εναλλαγή από BPSK σε QPSK πραγματοποιείται και αυτή στο επίπεδο της βασικής εφαρμογής Γεννήτρια παραγωγής συμβόλων Σχήμα 3.3 Δομικό διάγραμμα γεννήτριας παραγωγής συμβόλων Σε αυτό το vi ορίζεται η ακολουθία των συμβόλων οδήγησης του συστήματος. Προκειμένου να εξασφαλιστεί η ορθογωνικότητα του συστήματος θα πρέπει τα σύμβολα οδήγησης να είναι ορθογωνικά μεταξύ τους. Στην είσοδο του το συγκεκριμένο vi δέχεται τη κεραία του πομπού διαμέσου του οποίου εκπέμπεται το σήμα. Να σημειώσουμε ότι η κεραία ως διάταξη υπάρχει στην κεντρική εφαρμογή. Σε αντίθεση με την προηγούμενη εφαρμογή του διαμορφωτή εδώ χρησιμοποιούμε ως δομή το case structure. Ο λόγος που χρησιμοποιήθηκε αυτή η δομή αντί του for loop οφείλεται στο ότι στην είσοδο του θα πρέπει να μπορεί να βλέπει από ανώτερο επίπεδο (βάσει της ιεραρχίας όλης της δομής) τις ρυθμίσεις που ορίζονται. Στην προκειμένη περίπτωση το Pilot pattern καθώς και το Tx Antenna καθορίζονται στην κεντρική εφαρμογή. 50

51 3.1.3 Εκχωρητής υποφερόντων Σχήμα 3.4 Δομικό διάγραμμα εκχωρητή υποφερόντων για ορθογωνική σχηματομορφή πιλότων οδηγών. Ο εκχωρητής υποφερόντων έχει ως σκοπό να κάνει την ανάθεση των υποφερόντων προκειμένου να γίνεται σωστά η εκπομπή του σήματος. Εφόσον συμμετέχει ενεργά στην μετάδοση του σήματος συνδέεται άμεσα με την κεραία του πομπού. Ο εκχωρητής προκειμένου να πραγματοποιήσει επιτυχώς την διεργασία της εκχώρησης θα πρέπει αρχικά να είναι σε θέση να γνωρίζει την «μη-εκχωρημένη» μιγαδική ακολουθία. Η μηεκχωρημένη μιγαδική ακολουθία ως πληροφορία εισάγεται από τον χαρτογραφητή συμβόλων. Ο χαρτογραφητής στέλνει την χαρτογραφημένη μιγαδική ακολουθία στην οποία όμως δεν έχουν ανατεθεί ακόμα τα υποφέροντα. Στον εκχωρητή η χαρτογραφημένη μιγαδική ακολουθία εισέρχεται στο εσωτερικό του προκειμένου να γίνει ανάθεση των υποφερόντων. Επίσης με την ίδια φιλοσοφία στην είσοδο του εκχωρητή έχουμε την ακολουθία των οδηγών συμβόλων καθώς και τον αριθμό των μημηδενικών συμβόλων οδήγησης. Προκειμένου να μπορεί να λειτουργήσει σωστά η εφαρμογή θα πρέπει ο εκχωρητής να μπορεί να ακολουθεί τους κύκλους προσομοίωσης γι αυτό τον λόγο στην είσοδο του ο εκχωρητής συνδέεται με το info του for loop από 51

52 την δομή του συστήματος του πομπού. Αυτό επιτρέπει στον εκχωρητή να βλέπει το κύκλο προσομοιώσεων (στο LabVIEW οι δομές που εμπεριέχονται σε ευρύτερες δομές μπορούν να ακολουθούν τον ενιαίο κύκλο προσομοίωσης). Στην έξοδο του ο εκχωρητής αποδίδει την μιγαδική ακολουθία με τα υποφέροντα εκχωρημένα στο μεταδιδόμενο σήμα Διαμορφωτής OFDM Σχήμα 3.5 Δομικό διάγραμμα διαμορφωτή OFDM με την χρήση IFFT Ο διαμορφωτής ως διάταξη βρίσκεται στην περιοχή του πομπού. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω κατά την μετάδοση του σήματος μεταφερόμαστε από το πεδίο της συχνότητας στο πεδίο του χρόνου. Αυτό επιτυγχάνεται με την χρήση ενός IFFT. Το IFFT ως δομική μονάδα είναι έτοιμο μέσα στο LabVIEW. Στην είσοδο του θα πάρει ένα σήμα το σήμα αυτό αποτελείται από μία μιγαδική ακολουθία. Στην είσοδο του διαμορφωτή δεν εισάγονται δεδομένα. Τα δεδομένα εισάγονται συνολικά στην τελική εφαρμογή στην οποία εμπεριέχεται και ο διαμορφωτής OFDM. Έχει αναφερθεί ότι το εκπεμπόμενο σήμα διαθέτει και το κυκλικό πρόθεμα προκειμένου να αντισταθμιστεί το ζήτημα της πολυδιαδρομικότητας και κατ επέκταση το ζήτημα του ISI. Συνεπώς στην είσοδο του διαμορφωτή εισάγεται και το μήκος του κυκλικού προθέματος. Επίσης στην είσοδο δίνεται ως δεδομένο και η τιμή των υποφερόντων που ακολουθούν την μετάδοση του σήματος. Τα δεδομένα δεν εισάγονται χειροκίνητα γιατί κατά την εκτέλεση της κεντρική εφαρμογής εισάγονται εκεί. Το κεντρικό τμήμα το συγκεκριμένου vi είναι ο IFFT. Ο IFFT παίρνει στην είσοδο του τα παραπάνω στοιχεία προκειμένου να αναγνωρίζει βασικές πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά του μεταδιδόμενου σήματος. Ο IFFT τοποθετείται μέσα σε μία δομή for loop γιατί θέλουμε να έχει μία συνεχόμενη λειτουργία για το χρονικό διάστημα που ορίζεται η προσομοίωση. Στην προκειμένη περίπτωση αλλά και σε κάθε άλλη περίπτωση ενός vi που έχει φτιαχτεί μέσα στην τελική εφαρμογή χρησιμοποιείται δομή for loop προκειμένου να έχουμε την δυνατότητα να ορίζουμε κεντρικά τον αριθμό των προσομοιώσεων. Κατ επέκταση η δομή for loop ακολουθεί αυτό τον κύκλο της προσομοίωσης. Το σύνολο της μιγαδικής ακολουθίας εισάγεται σε μία function η οποία προσομοιώνει ένα πίνακα. Το μέγεθος του πίνακα δεν καθορίζεται, θεωρείται ότι είναι 52

53 N και ο καθορισμός του πραγματοποιείται σε ανώτερο επίπεδο του συστήματος προσομοίωσης. Στην έξοδο του ο πίνακας δίνει μία σειρά από στοιχεία όπου το κάθε ένα από αυτά μπορεί να έχει μέγεθος 32-bit. Τα εισαγόμενα δεδομένα περνάνε μέσα από τον IFFT και εν συνεχεία προστίθεται και το κυκλικό πρόθεμα. Αφού έχει εισαχθεί και το κυκλικό πρόθεμα τότε το σήμα βγαίνει έξω από την δομή και περνάνε μέσα από ένα έλεγχο προκειμένου η ακολουθία να μεταδοθεί στο πεδίο του χρόνου. 3.2 Σύστημα δέκτη OFDM Σχήμα 3.6 Δομικό διάγραμμα δέκτη OFDM Η μετάδοση πραγματοποιείται από τον πομπό στον δέκτη διαμέσου ασύρματου μέσου. Ο δέκτης θα πρέπει στην έξοδο του να μπορεί να αποδώσει το μεταδιδόμενο σήμα. Σύμφωνα με την θεωρία που παρατίθεται παραπάνω το ψηφιακό σήμα θα πρέπει να αποδιαμορφωθεί με τις ίδιες παραμέτρους που έγινε η διαμόρφωση του κατά την εκπομπή. Ο δέκτης δομικά χωρίζεται σε τρία μέρη σύμφωνα με τα τρία μικρότερα vi που τον απαρτίζουν. Στην είσοδο του δέχεται τα λαμβανόμενα OFDM σύμβολα που έρχονται από τον πομπό. Τα λαμβανόμενα OFDM σύμβολα μεταφέρονται στο πεδίο του χρόνου και εν συνεχεία θα πρέπει να μεταφερθούν από το πεδίο του χρόνου στο πεδίο της συχνότητας. Γι αυτό τον λόγο στην είσοδο του λαμβάνει ως πληροφορία την διαδικασία διαμόρφωσης του σήματος έτσι ώστε και ο αποδιαμορφωτής να αποδιαμορφώσει το σήμα. Ως δεδομένο ο δέκτης λαμβάνει και τον αριθμό των υποφερόντων. Ο αριθμός των υποφερόντων ορίζεται στην κεντρική εφαρμογή και κατ επέκταση ο δέκτης ενημερώνεται για την αντίστοιχη ρύθμιση. Τα στοιχεία που αναφέρονται εισάγονται στον αποδιαμορφωτή. Στην έξοδο του ο αποδιαμορφωτής αποδίδει τα στοιχεία σε μία μήτρα στην οποία συμπεριλαμβάνονται και ο αριθμός των 53

54 υποφερόντων. Τα στοιχεία της μήτρας εισάγονται στον εκτιμητή επίδοσης του καναλιού. Ο δέκτης δέχεται επίσης στην είσοδο του το είδος του σηματαστερισμού, τον αριθμό των μη μηδενικών οδηγών συμβόλων καθώς και την σχηματομορφή των πιλότων οδήγησης (pilot pattern). Στην προσπάθεια να επιτύχουμε όσο το δυνατόν καλύτερο έλεγχο του δέκτη στα στοιχεία εισόδου έχουμε την ισχύ του σήματος καθώς την ισχύ του θορύβου. Τα στοιχεία εισόδου του δέκτη συνδέονται όλα στον ανιχνευτή σήματος προκειμένου να μπορέσει να ανιχνεύσει το λαμβανόμενο σήμα που έρχεται από τον πομπό. Το ανιχνευόμενο σήμα αποδίδεται στην έξοδο του δέκτη Αποδιαμορφωτής χρόνου συχνότητας Σχήμα 3.7 Δομικό διάγραμμα αποδιαμορφωτή Ο αποδιαμορφωτής χρόνου συχνότητας στην ουσία επιτελεί συνολικά το έργο του αποδιαμορφωτή OFDM. Τα λαμβανόμενα OFDM σύμβολα έχουν μεταδοθεί στο πεδίο του χρόνου. Ο αποδιαμορφωτής τα λαμβάνει σε συνδυασμό με τις αντίστοιχες πληροφορίες που αφορούν την αρχική διαμόρφωση του σήματος που έγινε στο πεδίο της συχνότητας στον διαμορφωτή. Ένα ζήτημα που προκύπτει είναι γιατί να προβούμε στην χρήση ενός αποδιαμορφωτή χρόνου συχνότητας και να μην προβούμε απευθείας στην σχεδίαση ενός αποδιαμορφωτή με παρόμοιες παραμέτρους όπως αυτές του διαμορφωτή. Η απάντηση έγκειται στο ότι το λαμβανόμενο ψηφιακό σήμα περιέχει τα αντίστοιχα υποφέροντα. Τα υποφέρονται διαμοιράζονται προκειμένου να πραγματοποιηθεί η μετάδοση. Ο αριθμός των υποφερόντων από σχεδιαστικής πλευράς 54

55 δεν μπορεί να συμπεριληφθεί ως λειτουργία στον διαμορφωτή και κατ επέκταση στον αποδιαμορφωτή. Γι αυτό τον λόγο ήταν αναγκαίος ο σχεδιασμός ενός αποδιαμορφωτή ο οποίος θα μπορεί να περιλαμβάνει στην δομή του και τον αριθμό των υποφερόντων. Στην προκειμένη περίπτωση ο αποδιαμορφωτής λαμβάνει το αριθμό των υποφερόντων (ανάλογα με το είδος μετάδοσης) και αφού τα περάσει μέσα από μία δομή διαμόρφωσης πίνακα (η δομή αυτή είναι μέσα στο for loop) τα αποδίδει σε συνδυασμό τον αποδιαμορφωτή OFDM. Παρατηρώντας βλέπουμε ότι υπάρχει ακόμα ένα case structure με δύο καταστάσεις λειτουργίας true και false. Στην κατάσταση true εισέρχεται στην δομή ο αριθμός των υποφερόντων ενώ στη κατάσταση false εισέρχεται το σήμα από τον αποδιαμορφωτή και ως τελικό αποτέλεσμα λαμβάνεται το τελικό αποδιαμορφωμένο σήμα Αποδιαμορφωτής OFDM Σχήμα 3.8 Αποδιαμορφωτής με την χρήση FFT Ο αποδιαμορφωτής αποτελεί τμήμα του αποδιαμορφωτή χρόνου-συχνότητας. Στην είσοδο του δέχεται την μιγαδική ακολουθία που είναι διαμορφωμένη στο πεδίο του χρόνου. Το σήμα περνάει μέσα από τον FFT προκειμένου να αποδιαμορφωθεί και το σήμα να εκφραστεί ξανά στο πεδίο της συχνότητας. Συγκεκριμένα τα λαμβανόμενα σύμβολα OFDM εισάγονται σε πίνακα και εισέρχονται και εδώ σε μία δομή for loop. Μέσα στην δομή for loop εμπεριέχεται ο FFT. Και εδώ η χρήση του for loop είναι έτσι ώστε να μπορεί ο FFT και κατ επέκταση ο αποδιαμορφωτής να λειτουργούν και να αποδιαμορφώνουν το σήμα κατά την περίοδο που διαρκεί η προσομοίωση. 55

56 3.2.2 Εκτίμηση Επίδοσης Καναλιού Σχήμα 3.9 Δομικό διάγραμμα εκτιμητή επίδοσης καναλιού Η εκτίμηση της επίδοσης του καναλιού είναι ένα πολύ σημαντικό τμήμα για τον δέκτη γιατί με αυτό τον τρόπο μπορεί να επιβεβαιώσει την λειτουργία του καναλιού και το γεγονός ότι τα στοιχεία εκπέμπονται σωστά από τον δέκτη. Ο εκτιμητής έχει στην είσοδο του την σχηματομορφή των πιλότων οδηγών, την κεραία εκπομπής, τον μημηδενικό αριθμό των πιλότων των συμβόλων, την ισχύ των συμβόλων των πιλότων, τον αριθμό των υποφερόντων και το στοιχείο διασύνδεσης καναλιού (channel connector) το οποίο επιτρέπει στον εκτιμητή να συνδέεται με το κανάλι που δημιουργεί την σύνδεση ανάμεσα σε πομπό και δέκτη. Επίσης, έχει ως είσοδο τα λαμβανόμενα OFDM σύμβολα καθώς και την διακύμανση που παρουσιάζει ο θόρυβος κατά το στάδιο της μετάδοσης. Η σχεδίαση του εκτιμητή εσωκλείεται σε μία δομή τύπου case structure. Διαμέσου 56

57 αυτής ο εκτιμητής μπορεί να λειτουργήσει δεδομένου ότι δεν αποτελεί ένα αυτόνομο vi αλλά ένα συμπληρωματικό vi στα πλαίσια υλοποίησης του κεντρικού προσομοιωτή. Η συνθήκη που ελέγχει την λειτουργία του case structure αποτελεί το στοιχείο της σχηματομορφής των πιλότων οδηγών. Στο εσωτερικό του εκτιμητή έχει τοποθετηθεί η γεννήτρια παραγωγής συμβόλων. Η γεννήτρια στην είσοδο της λαμβάνει την κεραία εκπομπής καθώς και την σχηματομορφή των πιλότων συμβόλων. Η έξοδος της γεννήτριας αποδίδεται σε συνδυασμό με την ισχύ των συμβόλων σε μία συνάρτηση η οποία ανασχηματίζει τα στοιχεία σε πίνακα. Ο πίνακας που προκύπτει εισάγεται αρχικά σε μία δομή for loop. Μέσα στην δομή ο πίνακας χωρίζεται σε υποσύνολα πινάκων και εν συνεχεία τα υποσύνολα τοποθετούνται μέσα σε μία μήτρα. Συνεπώς το αποτέλεσμα που παίρνουμε σε αυτό το σημείο είναι μία μήτρα. Παράλληλα μέσα στο εκτιμητή και στο ίδιο επίπεδο υπολογισμού έχει τοποθετηθεί το vi που υλοποιεί μία διαφορική μήτρα. Η διαφορική μήτρα ως στοιχεία εισόδου λαμβάνει το στοιχείο channel καθώς τον αριθμό των υποφερόντων. Η έξοδος της διαφορικής μήτρας διαμοιράζεται σε συναρτήσεις οι οποίες διαχωρίζουν τα στοιχεία της μήτρας έτσι ώστε να γίνει ο έλεγχος τους. Εν συνεχεία οι έξοδοι των συναρτήσεων ενώνονται ξανά σε μία συνάρτηση δημιουργίας ενιαίου πίνακα. Συνολικά η έξοδος της δομής for loop καθώς και η συνάρτηση δημιουργίας ενιαίου πίνακα εισάγονται σε μία νέα δομή for loop η οποία στο εσωτερικό της έχει μία συνάρτηση που πραγματοποιεί πολλαπλασιασμό μητρών. Εν συνεχεία υπάρχει μία δομή for loop στην οποία πραγματοποιείται η διαδικασία της εκτίμησης επίδοσης του καναλιού. Συγκεκριμένα ως εισόδους σε αυτή την δομή for loop έχουμε το στοιχείο της κεραίας εκπομπής, τον αριθμό των μη μηδενικών συμβόλων πιλότων καθώς και το στοιχείο channel. Εσωτερικά της δομής for loop έχουμε τρεις δομές case structure. Η πρώτη δομή ως στοιχεία εισόδου έχει την κεραία εκπομπής, τα λαμβανόμενα OFDM σύμβολα. Επίσης η κεραία εκπομπής αποτελεί και την συνθήκη ελέγχου της δομής. Όταν πραγματοποιείται η διαδικασία της εκάστοτε προσομοίωσης τότε η δομή δέχεται στο εσωτερικό της τα λαμβανόμενα OFDM σύμβολα. Θυμίζουμε ότι ο εκτιμητής επίδοσης αποτελεί κομμάτι λειτουργίας του δέκτη συνεπώς είναι απαραίτητο να μπορεί να ελέγχει τον αριθμό των λαμβανόμενων συμβόλων. Για καλύτερη ανάλυση έχουμε εισάγει και ως είσοδο μία συνάρτηση που δημιουργεί υποσύνολα πινάκων (προκειμένου να έχουμε όσο το δυνατόν καλύτερη ομαδοποίηση των λαμβανόμενων OFDM συμβόλων). Η δεύτερη δομή case structure έχει ως είσοδο το στοιχείο channel, τον αριθμό των μη μηδενικών πιλότων συμβόλων, την κεραία εκπομπής, την διακύμανση του θορύβου, ενώ τέλος σε αυτή την δομή εισέρχεται και το αποτέλεσμα που προέρχεται από τον πολλαπλασιασμό των μητρών που έχει πραγματοποιηθεί σε προγενέστερο στάδιο. Σε αυτή την δομή πραγματοποιείται συσχετισμός ανάμεσα σε βασικά στοιχεία που έχουν να κάνουν με την διαδικασία της εκπομπής σήματος αλλά και την εισαγωγή της διακύμανσης του θορύβου. Το αποτέλεσμα της δεύτερης δομής εισέρχεται στην τρίτη δομή case structure σε συνδυασμό με το αποτέλεσμα της πρώτης δομής case structure. Τα εισερχόμενα στοιχεία συνδυάζονται σε δύο vi τα οποία πραγματοποιούν πολλαπλασιασμό μητρών. Τα αποτελέσματα τους αφού εισέλθουν σε μία συνάρτηση δημιουργίας ενιαίου πίνακα τοποθετούνται σε μία συνάρτηση αναδόμησης πίνακα. Η συνάρτηση αυτή έχει ως σκοπό να προσαρμόσει όλα τα στοιχεία που υπάρχουν μέσα στον πίνακα. Ως τελική έξοδος ο εκτιμητής αποδίδει σε μιγαδική μορφή το αποτέλεσμα. 57

58 3.2.3 Ανιχνευτής σήματος Σχήμα 3.10 Δομικό διάγραμμα ανιχνευτή σήματος Προκειμένου να πάρει το λαμβανόμενο σήμα ο δέκτης θα πρέπει αρχικά να μπορεί να το ανιχνεύσει. Η ανίχνευση του πραγματοποιείται με ένα vi εσωτερικά τοποθετημένο του δέκτη. Ο ανιχνευτής ως είσοδο λαμβάνει το είδος του σηματαστερισμού, τον αριθμό των μη μηδενικών συμβόλων οδήγησης και την κεραία εκπομπής. Βασικό στοιχείο εισόδου αποτελεί και ο αριθμός των υποφερόντων. Προκειμένου να επιτύχουμε όσο το δυνατόν καλύτερη ανίχνευση θα πρέπει ο ανιχνευτής να βλέπει το κανάλι. Λόγω του ότι στη κεντρική εφαρμογή έχουμε ενσωματώσει το κανάλι σε μία δομή while loop μέσω της οποίας παράγεται η διαδικασία της προσομοίωσης θα πρέπει ο ανιχνευτής σήματος να μπορεί να δει το κανάλι. Γι αυτό στα στοιχεία εισόδου έχουμε το στοιχείο διασύνδεσης καναλιού το οποίο συνδέεται σε ανώτερο επίπεδο με το κανάλι. Στα στοιχεία εισόδου έχουμε επίσης το αποδιαμορφωμένο σήμα που έρχεται από τον αποδιαμορφωτή καθώς και την εκτίμηση της επίδοσης του συστήματος που έρχεται το αντίστοιχο vi. Ως τελευταία στοιχεία έχουμε την ισχύ του σήματος καθώς και την ισχύ του θορύβου. Τα στοιχεία αυτά εισάγονται σε μία δομή for loop (για να ακολουθείται ο κύκλος προσομοίωσης). Μέσα στην δομή έχουν σχηματιστεί δύο μήτρες. Η μία μήτρα πραγματοποιεί τον συνδυασμό ανάμεσα σε πομπό, δέκτη και τον αριθμό των υποφερόντων. Η άλλη μήτρα πραγματοποιεί τον συνδυασμό ανάμεσα στον δέκτη και τον αριθμό των υποφερόντων. Η διαφοροποίηση έγκειται στο ότι η δεύτερη μήτρα έχει ως δομή αντί για for loop το case structure. Αυτό πραγματοποιήθηκε γιατί στον ανιχνευτή χρειάζεται να είναι γνωστό το pilot pattern που στην προκειμένη περίπτωση είναι ορθογωνικό. Η δομή for loop δεν να έχει ως στοιχείο εισαγωγής αυτή την πληροφορία. Αντίστοιχα στο case structure υπάρχει η δυνατότητα το pilot pattern να αποτελέσει στοιχείο εισόδου. Η δομή του ανιχνευτή σήματος ενσωματώνει στο εσωτερικό της δύο μικρότερα vi το ένα είναι ένας πολλαπλασιαστής μητρών και το 58

59 άλλο είναι ο αποχαρτογραφητής συμβόλων. Ο πολλαπλασιαστής μητρών χρησιμοποιείται στην προκειμένη περίπτωση γιατί ο αριθμός των υποφερόντων μεταβάλλεται ανάλογα με την ρύθμιση. Επίσης οι παράμετροι της κατάστασης του καναλιού διαμορφώνονται κατά αντίστοιχο τρόπο. Συνεπώς θα πρέπει να μπορεί να γίνει κατάλληλα ο συνδυασμός μεταξύ τους έτσι ώστε να μπορέσει ο ανιχνευτής να ανιχνεύσει το σήμα. Αυτό σημαίνει ότι θα έχουμε μήτρες με διαφορετικό μέγεθος που θα πρέπει να συνδυαστούν μεταξύ τους. Γι αυτό τον λόγο χρησιμοποιήθηκε ο πολλαπλασιαστής μητρών. Το λαμβανόμενο σήμα που έρχεται στον δέκτη εν συνεχεία μεταβιβάζεται προς τον παραλήπτη (ο οποίος στην προκειμένη περίπτωση θεωρείται ότι είναι τμήμα του ΕΕΔ) συνεπώς θα πρέπει να αφαιρεθούν τα σύμβολα τα οποία είχαν προστεθεί κατά το στάδιο της μετάδοσης. Γι αυτό σε αυτό το σημείο εισάγεται ο αποχαρτογραφητής συμβόλων. Ο αποχαρτογραφητής αφού αφαιρέσει τα σύμβολα που προστέθηκαν κατά την μετάδοση εξάγει το σήμα που προκύπτει και το αποδίδει. Το ανακύπτον σήμα αποτελεί και την τελική έξοδο του δέκτη Διαφορική μήτρα Το συγκεκριμένο vi έχει στην είσοδο του δύο μεταβλητές. Η μία είναι ο αριθμός των υποφερόντων και η άλλη είναι τα στοιχεία του καναλιού κατά το στάδιο της μετάδοσης. Κατά το στάδιο της μετάδοσης στο σύστημα χρησιμοποιούνται μιγαδικές ακολουθίες. Αυτό συνεπάγεται ότι και η διαφορική μήτρα θα πρέπει να συνδυάζει αυτά τα μιγαδικά στοιχεία. Γι αυτό τον λόγο μέσα στην δομή for loop έχει χρησιμοποιηθεί ένα module συνδυασμού πραγματικό με φανταστικό μέρος. Στην προσπάθεια να βελτιωθεί η λειτουργία της μήτρας χρησιμοποιείται ένα module το οποίο προσομοιώνει εκθετική συνάρτηση. Συγκεκριμένα στην είσοδο της εκθετικής συνάρτησης εισέρχεται η μήτρα που περιέχει όλα τα στοιχεία εισόδου. Στην έξοδο αποδίδει την αντίστοιχη μήτρα η οποία περιέχει συνδυαστικά όλα τα μιγαδικά στοιχεία. Η διαφορική μήτρα αποτελεί στοιχείο εισαγωγής του ανιχνευτή σήματος, καθώς και του κεντρικού προσομοιωτή που περιγράφεται παρακάτω. 59

60 Σχήμα 3.11 Δομικό διάγραμμα διαφορικής μήτρας Αποχαρτογραφητής συμβόλων (BPSK και QPSK) Ο αποχαρτογραφητής είναι επιφορτισμένος με τον ρόλο της εξαγωγής των συμβόλων μετά το πέρας της μετάδοσης. Συνεπώς θα πρέπει να είναι σε θέση να λειτουργεί ανάλογα με την διαμόρφωση που έχει οριστεί κατά τη μετάδοση. Ο αποχαρτογραφητής λειτουργεί είτε με BPSK είτε με QPSK διαμόρφωση. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτό χρησιμοποιήθηκε μία δομή case structure η οποία ως είσοδο δέχεται ως πληροφορία το είδος του σηματαστερισμού που ορίζεται σε ανώτερο επίπεδο. Στο μοντέλο που υλοποιήθηκε στην προκειμένη περίπτωση υπάρχουν διαμορφώσεις BPSK και QPSK όσον αφορά τους σηματαστερισμούς. Επίσης στην είσοδο του αποχαρτογραφητή υπάρχουν ως είσοδοι η χαρτογραφημένη μιγαδική ακολουθία καθώς και η ισχύς του σήματος. Όσον αφορά την χαρτογραφημένη μιγαδική ακολουθία είναι μία πολύ σημαντική πληροφορία καθώς θα πρέπει να την γνωρίζει ο αποχαρτογραφητής προκειμένου να συμβάλει στην αφαίρεση των συμβόλων ως μικρότερο τμήμα του ανιχνευτή σήματος. Στην έξοδο του ο αποχαρτογραφητής δίνει τον συνολικό αριθμό των μεταδιδόμενων bit προς τον δέκτη. Και στις δύο περιπτώσεις διαμόρφωσης BPSK και QPSK πέραν του case structure έχουμε και μία δομή for loop. Η δομή for loop έχει ως σκοπό να «συνδυάσει» τα στοιχεία από την χαρτογραφημένη μιγαδική ακολουθία καθώς και την ισχύ του σήματος. Λόγω του ότι έχουμε συνδυασμό ανάμεσα σε μιγαδικά και πραγματικά στοιχεία μέσα στην δομή του for loop έχουμε εισάγει μία συνάρτηση η οποία αναλύει τα στοιχεία εισόδου ανάλογα με το τι είναι (μιγαδικά ή πραγματικά). Στην περίπτωση του BPSK επειδή έχουμε δυαδική μεταλλαγή φάσης αρκεί μόνο μία συνάρτηση. Αντίστοιχα στην περίπτωση του QPSK όπου έχουμε ορθογωνική μεταλλαγή φάσης απαιτείται να έχουμε δύο συναρτήσεις όπου υλοποιούν την ανάλυση της εισόδου. Λόγω του ότι έχουμε μεγαλύτερο αριθμό στοιχείων θα πρέπει τα στοιχεία στην έξοδο από το for loop να συνδυαστούν συνεπώς χρησιμοποιούνται δύο συναρτήσεις που τοποθετούν τα στοιχεία σε πίνακα και τελικά γίνεται η ομαδοποίηση τους για να αποδοθεί στην έξοδο ο συνολικός αριθμός των μεταδιδόμενων bit. Α) BPSK 60

61 B) QPSK Σχήμα 3.12 Δομικό διάγραμμα αποχαρτογραφητή με διαμόρφωση BPSK και QPSK 3.3 Γεννήτρια παραγωγής θορύβου Σχήμα 3.13 Δομικό διάγραμμα γεννήτριας παραγωγής θορύβου 61

62 Προκειμένου να μπορέσουμε να εισάγουμε θόρυβο στο κανάλι πέρα από την εφαρμογή του module AWGN που διαθέτει ήδη έτοιμο το LabVIEW δημιουργήθηκε και αυτό το vi. Η γεννήτρια παραγωγής θορύβου ενσωματώνεται απευθείας στην δομή του καναλιού. Ως στοιχεία εισόδου έχει την τιμή του SNR καθώς και την ισχύ του σήματος. Λόγω του ότι το SNR μετράται σε db χρειάζεται να γίνει η μετατροπή του στοιχείου σε λογαριθμική κλίμακα. Γι αυτό τον λόγο χρησιμοποιείται μία συνάρτηση ύψωσης δύναμης. Εάν η είσοδος είναι x τότε στην έξοδο θα αποδοθεί 10^x. Συνολικά το vi αυτό στην έξοδο του θα αποδώσει την ισχύ του θορύβου που εισάγεται στο κανάλι. 3.4 Γεννήτρια παραγωγής bits Σχήμα 3.14 Δομικό διάγραμμα γεννήτριας παραγωγής bits Η διαδικασία της προσομοίωσης περιλαμβάνει την μετάδοση σήματος με ψηφιακό τρόπο. Ο πομπός του συστήματος θα πρέπει να μπορεί να μεταδώσει τα δεδομένα εισόδου αντίστοιχα με ψηφιακό τρόπο. Προκειμένου να γίνει αυτό σχεδιάστηκε μία γεννήτρια η οποία στην είσοδο της λαμβάνει τα bits των δεδομένων που είναι για μεταφορά. Η μεταφορά έχει να κάνει με την εισαγωγή του αριθμού των bits στον πομπό και κατ επέκταση την μετάδοση τους διαμέσου του καναλιού. Προκειμένου να έχουμε όσο το δυνατόν καλύτερη μετάδοση είναι απαραίτητο τα δεδομένα να έχουν μία συνεχόμενη ροή. Η γεννήτρια παραγωγής bits κατ ουσία βάζει τον εισερχόμενο αριθμό bits σε διαδικασία μετάδοσης αλλά με τυχαία σειρά. Διαμέσου των συνδέσεων που έχουν πραγματοποιηθεί η ροή των bit εισέρχεται στην αντίστοιχη είσοδο του δέκτη. Αυτή πληροφορία είναι απαραίτητη στον δέκτη προκειμένου να μπορέσει να πραγματοποιήσει την ψηφιακή μετάδοση. 62

63 3.5 Κανάλι μετάδοσης με εισαγωγή θορύβου Σχήμα 3.15 Δομικό διάγραμμα καναλιού Με την ολοκλήρωση της δημιουργίας του πομπού και του δέκτη ως επόμενο στάδιο είναι η κατασκευή του καναλιού που τα διασυνδέει μεταξύ τους. Με τον ίδιο τρόπο και στο κανάλι ο έλεγχος έρχεται από την κεντρική εφαρμογή του προσομοιωτή. Στην είσοδο του το κανάλι έχει τον αριθμό των υποφερόντων, την συχνότητα εκπομπής των μεταδιδόμενων συμβόλων. Εφόσον ο πομπός μπορεί να διαμορφώσει τους σηματαστερισμούς κατά BPSK και QPSK θα πρέπει ως πληροφορία να εισάγεται και στο κανάλι. Επίσης ένα σημαντικό μέγεθος είναι η ισχύς του θορύβου. Ως θόρυβο έχουμε εισάγει λευκό γκαουσιανό θόρυβο. Ο λευκός γκαουσιανός θόρυβος αποτελεί έτοιμο στοιχείο στην πλατφόρμα του LabVIEW, το οποίο και χρησιμοποιήθηκε στην προκειμένη περίπτωση. Στα στοιχεία εισόδου του καναλιού έχουμε ως είσοδο την σχηματομορφή των πιλότων οδήγησης (pilot pattern). Επίσης στα στοιχεία εισόδου έχουμε το στοιχείο διασύνδεσης καναλιού. Η είσοδος αυτή έχει ως σκοπό να δημιουργήσει την διασύνδεση αρχικά με τον πομπό και εν συνεχεία με τον δέκτη με απώτερο σκοπό ο δέκτης να μπορεί να λάβει σήματα από πολλές διαφορετικές διαδρομές (σύμφωνα με το σχήμα 2.3 του θεωρητικού μοντέλου) ταυτόχρονα. Με αυτή την διαδικασία καταφέρνουμε να αποφύγουμε τις επιλεκτικές διαλείψεις ως προς την συχνότητα (frequency selective fading). Η τιμή της εισόδου των υποφερόντων καθώς και η συχνότητα εκπομπής του δέκτη εισάγονται σε δομή for loop. Μέσα στην δομή τα μεταδιδόμενα σύμβολα τοποθετούνται σε έναν πίνακα και ομαδοποιούνται. Μετά την ομαδοποίηση μεταφέρονται μέσα στην ευρύτερη δομή του συγκεκριμένου vi. Το κανάλι με την εισαγωγή του λευκού γκαουσιανού θορύβου υλοποιείται μέσα σε μία δομή for loop. Εσωτερικά της δομής υπάρχουν συνολικά τέσσερις δομές. Οι δύο είναι for loop και οι άλλες δύο είναι case structure. Ξεκινώντας από αριστερά η δομή for loop 63

64 λαμβάνει ως είσοδο τα στοιχεία από τον πίνακα των μεταδιδόμενων συμβόλων. Στην είσοδο αυτής της δομής for loop έχει τοποθετηθεί ένα στοιχείο αρχικοποίησης του πίνακα. Αυτό γίνεται για να μπορούν τα στοιχεία του πίνακα των μεταδιδόμενων συμβόλων να εισάγονται με σωστή σειρά. Επίσης σε αυτή την δομή ως στοιχείο εισάγεται και ο αριθμός των υποφερόντων, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται συσχετισμός με τον αριθμό των μεταδιδόμενων συμβόλων. Εσωτερικά του for loop υπάρχει ακόμα και ένα case structure. Στην περίπτωση όπου η συνθήκη είναι αληθής τότε τα στοιχεία του πίνακα των μεταδιδόμενων συμβόλων μεταφέρονται στο επόμενο τμήμα της δομής. Εάν η συνθήκη είναι ψευδής τότε πραγματοποιείται ο συσχετισμός με το στοιχείο αρχικοποίησης (που αναφέρεται παραπάνω) του πίνακα. Η συνθήκη που ελέγχει εάν έχουμε αληθές ή ψευδές έχει να κάνει με το εάν το εισερχόμενο στοιχείο του πίνακα είναι πραγματικό ή μιγαδικό. Εν συνεχεία έχουμε μία δομή case structure στην οποία εισάγεται το στοιχείο του λευκού γκαουσιανού θορύβου. Εισάγονται δύο στοιχεία τα οποία συνδέονται με μία μιγαδική συνάρτηση που τα αποδίδει στην έξοδο. Ανάμεσα στα εισερχόμενα στοιχεία σε αυτή την δομή case structure έχουμε τον αριθμό των υποφερόντων, την κεραία μετάδοσης (που αποτελεί στοιχείο και του πομπού). Το στοιχείο αυτό συνδέεται με την δομή for loop σε σημείο στο οποίο η δομή μπορεί να ενημερώνεται για τις ρυθμίσεις που πραγματοποιούνται από την κεντρική εφαρμογή του προσομοιωτή. Το στοιχείο διασύνδεσης καναλιού που αναφέραμε και παραπάνω συνδέεται και σε αυτό το case structure. Ο λόγος που γίνεται αυτό είναι για να μπορούμε να ενημερώνουμε το κανάλι κατά το στάδιο των προσομοιώσεων για την ύπαρξη του λευκού γκαουσιανού θορύβου μέσα στο κανάλι και κατ επέκταση το πόσο επηρεάζει αυτό το φαινόμενο την διαδικασία της μετάδοσης. Προηγουμένως αναφερθήκαμε στην εισαγωγή του αριθμού των υποφερόντων μέσα στη δομή case structure. Ο αριθμός των υποφερόντων είναι μεταβαλλόμενος ανάλογα με το είδος της προσομοίωσης. Προκειμένου να έχουμε σωστή ομαδοποίηση του αριθμού των υποφερόντων χρησιμοποιούμε την διαφορική μήτρα που αναφέρεται και παραπάνω. Στην είσοδο της διαφορικής μήτρας εκτός από τον αριθμό των υποφερόντων εισάγουμε και το στοιχείο διασύνδεσης καναλιού έτσι ώστε να υπάρχει συσχετισμός κατά το στάδιο της μετάδοσης. Συνεπώς σε αυτό το σημείο έχουμε δύο στοιχεία που περιγράφουν την διαδικασία της εκπομπής ενώ παράλληλα έχουμε και τα δύο στοιχεία που προσομοιώνουν την ύπαρξη του λευκού γκαουσιανού θορύβου. Ο συνδυασμός τους πραγματοποιείται με την χρήση μίας μήτρας A x B. Η μήτρα αυτή πραγματοποιεί τον πολλαπλασιασμό ανάμεσα σε αυτά τα στοιχεία. Προκειμένου να ελεγχθεί η ορθότητα του αποτελέσματος της μήτρας A x B έχουμε τοποθετήσει μία ακόμα μήτρα. Η μήτρα αυτή βλέπει το αποτέλεσμα και χαρακτηρίζει το είδος της μήτρας αν είναι identity, diagonal, toeplitz, vandermonde, companion. Από αυτό το case structure έχουμε συνολικά τέσσερις εξόδους των οποίων το αποτέλεσμα διοχετεύεται στην ευρύτερη δομή του for loop ( ). Οι έξοδοι όμως δεν αποδίδονται μόνο σε αυτό το σημείο. Το αποτέλεσμα μεταφέρεται στο αμέσως επόμενο for loop. Επίσης έχουμε και την δημιουργίας μίας εξόδου απευθείας σε ένα στοιχείο στο οποίο κατά το στάδιο της προσομοίωσης εμφανίζονται οι πληροφορίες του καναλιού (channel information). Προτού οδηγηθούμε σε αυτή την έξοδο τα στοιχεία της μήτρας υφίστανται μία επεξεργασία με την χρήση τεσσάρων στοιχείων τα οποία οδηγούν στην έξοδο των πληροφοριών του καναλιού. Προκειμένου να μπορέσουμε να παρακολουθήσουμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης έχουμε εισάγει και γραφική αναπαράσταση των πληροφοριών του καναλιού αλλά και την γραφική αναπαράσταση των μεταδιδόμενων πληροφοριών με την εισαγωγή του λευκού γκαουσιανού θορύβου. 64

65 Η τελευταία δομή που συναντάμε εσωκλείεται και αυτή μέσα σε μία δομή for loop. Η δομή αυτή υλοποιεί το τελευταίο στάδιο εισαγωγής λευκού γκαουσιανού θορύβου στο κανάλι. Συγκεκριμένα ως εισόδους έχουμε το αποτέλεσμα που προέρχεται από την ειδική μήτρα η οποία βρίσκεται στο αμέσως προηγούμενο case structure, τον αριθμό των υποφερόντων καθώς και το είδος του σηματαστερισμού ανάλογα με το είδος της διαμόρφωσης (BPSK, QPSK). Επίσης ως είσοδο έχουμε και το αποτέλεσμα της αρχική δομής του for loop διαμέσου της οποίας εισέρχεται ως πληροφορία ο συνδυασμός μεταξύ της συχνότητας των μεταδιδόμενων συμβόλων αλλά και του αριθμού των υποφερόντων. Εσωτερικά της δομής του for loop έχει τοποθετηθεί μία μικρότερη δομή for loop. Μέσα από αυτή την δομή εισέρχεται το αποτέλεσμα της μήτρας. Προκειμένου τα στοιχεία της μήτρας να μεταφερθούν με τον καλύτερο δυνατό τρόπο αρχικά περνάνε μέσα από έναν πίνακα (index array) ο οποίος ελέγχει τα στοιχεία της μήτρας και τα ομαδοποιεί σε μικρότερους πίνακες. Εάν η συνθήκη του case structure που ακολουθεί είναι αληθής τότε οι μικρότεροι πίνακες διέρχονται μέσα από case structure. Εάν η συνθήκη είναι ψευδής τότε δεν διέρχονται μέσα από το case structure οι μικρότεροι πίνακες. Η συνθήκη που επαληθεύει εάν η κατάσταση είναι αληθής ή ψευδής είναι εάν το εκάστοτε στοιχείο του πίνακα είναι μηδενικό ή όχι. Εν συνεχεία έχουμε τοποθετήσει μία συνάρτηση εναλλαγής πινάκα (transpose 2D array). Η συνάρτηση αυτή έχει ως σκοπό ομαδοποιήσει τα τελικά στοιχεία που εξέρχονται από την δομή. Αφού περάσουν μέσα από την συνάρτηση εισέρχονται πάλι σε μία μήτρα A x B. Το δεύτερο εισερχόμενο στοιχείο μέσα σε αυτή την μήτρα είναι το αποτέλεσμα της δομής for loop που συνδυάζει την συχνότητα των μεταδιδόμενων συμβόλων μαζί με τον αριθμό των υποφερόντων. Στα αρχικά στοιχεία εισόδου του καναλιού έχουμε το στοιχείο της ισχύος του θορύβου. Αυτό το στοιχείο θα πρέπει να εκφραστεί μέσα στα πλαίσια του καναλιού. Για να επιτευχθεί αυτό χρησιμοποιούνται πάλι δύο vi που παράγουν λευκό γκαουσιανό θόρυβο. Οι έξοδοι τους οδηγούνται σε μία συνάρτηση μετατροπής από πραγματικό σε φανταστικό όπως έγινε και σε προηγούμενο τμήμα του καναλιού. Η συνάρτηση μεταφέρει την έξοδο της ως είσοδο σε ένα ταχύ μετασχηματισμό Fourier. Υπενθυμίζουμε ότι στην περίπτωση του δέκτη έχουμε εισάγει έναν ταχύ μετασχηματισμό Fourier ο οποίος πραγματοποιεί την διεργασία που έχει περιγραφεί στο θεωρητικό μέρος. Ο θόρυβος ως στοιχείο επηρεάζει την ποιότητα του σήματος αλλά και την διαδικασία της μετάδοσης συνεπώς θα πρέπει κατά το στάδιο του μετασχηματισμού να εισάγεται και ο θόρυβος για να βλέπουμε πως επηρεάζεται το κανάλι. Κατόπιν και αυτής της διαδικασίας η έξοδος του FFT μαζί με το αποτέλεσμα της μήτρας A x B εισέρχονται σε μία τελική δομή for loop προκειμένου να γίνει ο διαχωρισμός σε μικρότερους πίνακες και να πάρουμε ως τελικό αποτέλεσμα την έξοδο του καναλιού (channel output). Η έξοδος του καναλιού έχει και αυτή μιγαδική μορφή ενώ παράλληλα έχουμε και την γραφική της αναπαράσταση. Επίσης μπορούμε γραφικά να δούμε και την εμφάνιση του θορύβου στο κανάλι συνολικά όσον αφορά την έξοδο του. 3.6 Εφαρμογή προσομοιωτή Τα παραπάνω vi που περιγράφηκαν αποτελούν μέρος της συνολικής δομής του προσομοιωτή. Η εφαρμογή του προσομοιωτή (όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω) έχει 65

66 ως σκοπό να δημιουργήσει την διασύνδεση σε πρώτο επίπεδο ανάμεσα στον πομπό, τον δέκτη και το κανάλι. Στην προσπάθεια υλοποίησης χρησιμοποιούνται και τα υπόλοιπα vi που έχουν υλοποιηθεί. Εδώ θα πρέπει να αναφερθεί ότι η συγκεκριμένη υλοποίηση έγινε με την χρήση μόνο Η/Υ χωρίς την χρήση κάρτας FPGA. Παρόλα ταύτα, για ένα συγκεκριμένο εύρος προσομοιώσεων υπάρχει η δυνατότητα προσομοίωσης στον υπολογιστή χωρίς την ενίσχυση εξωτερικής μονάδας. Η προσομοίωση επιτεύχθηκε με την χρήση μίας δομής while loop. Το while loop επιτρέπει την δημιουργία ελέγχου ροής διαμέσου της οποίας είναι εφικτό να εκτελέσουμε την λειτουργία ενός vi ή πολλών vi ταυτόχρονα (πράγμα το οποίο ισχύει στην προκειμένη περίπτωση). Η συνθήκη λειτουργίας του while loop ελέγχεται από τον κύκλο προσομοίωσης δηλαδή την διάρκεια που έχει η προσομοίωση. Στην προκειμένη περίπτωση έχουμε ορίσει ένα πλήκτρο που ενεργοποιεί την προσομοίωση και ένα πλήκτρο που απενεργοποιεί την προσομοίωση. Ο κύκλος προσομοίωσης ορίζεται δίνοντας αριθμητική τιμή. Σε προηγούμενες παραγράφους αναφερθήκαμε στα στοιχεία που ορίζονται για την υλοποίηση της προσομοίωσης. Τα στοιχεία αυτά ορίζονται στην κεντρική εφαρμογή του προσομοιωτή. Ορίζεται ο αριθμός των υποφερόντων. Στις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν ο αριθμός των υποφερόντων ορίζεται σε 32, 64, 128, 256. Μπορούμε να ορίσουμε την συνολική ισχύ εκπομπής. Η συνολική ισχύ εκπομπής διαμέσου των συνδέσεων ορίζεται και στον πομπό που έχει υλοποιηθεί και αποτελεί μέρος του συστήματος προσομοίωσης. Η διαδικασία της προσομοίωσης περιλαμβάνει και την ρύθμιση της τιμής του SNR. Υπάρχει η δυνατότητα να ρυθμιστεί η ανώτατη τιμή, η κατώτατη τιμή και το βήμα αλλαγή του SNR. Στις δυνατότητες ρύθμισης έχουμε την επιλογή διαμόρφωσης των σηματαστερισμών των συμβόλων (BPSK, QPSK). Επίσης έχουμε και την ρύθμιση της σχηματομορφής των πιλότων οδήγησης (pilot pattern). Το στοιχείο εκπομπής που είναι η κεραία τοποθετείται μέσα σε μία δομή case structure. Αυτό γίνεται γιατί σε έναν καθορισμένο κύκλο προσομοιώσεων που ενεργοποιείται το σύστημα μας να μπορεί να ενεργοποιηθεί και η κεραία ως διάταξη (μέσα στα πλαίσια λειτουργίας του LabVIEW). Περαιτέρω στις δυνατότητες ρύθμισης μπορούμε να ορίσουμε και το εύρος ζώνης του καναλιού δεδομένου ότι το σενάριο που μελετάται είναι η μετάδοση και η διασύνδεση των γραμμών μεταφοράς στο ΕΕΔ. Όλες οι δυνατότητες ρύθμισης ενώνονται σε συνάρτηση δέσμης (bundle function). Η συνάρτηση δέσμης επιτρέπει στην ουσία να ομαδοποιούνται πολλά στοιχεία μαζί και εν συνεχεία να διοχετεύονται κατά μήκος ολόκληρης της δομής του προσομοιωτή, δημιουργώντας έτσι μία συστάδα στοιχείων (cluster). Κατόπιν αυτής της ομαδοποίησης έχουμε μία ενιαία εξερχόμενη έξοδος η οποία διακλαδίζεται ανάλογα με την λειτουργία στην οποία οδηγείται. Η πρώτη διακλάδωση οδηγεί στην λειτουργία τις οριοθέτησης της ελάχιστης τιμής του SNR καθώς και του βήματος αλλαγής του SNR. Από την στιγμή που τα στοιχεία ομαδοποιούνται θα πρέπει κάθε φορά ανάλογα με το ποια στοιχεία χρειάζονται να γίνεται αντίστοιχα και η «απόομαδοποίηση». Γι αυτό τον λόγο στην προκειμένη περίπτωση έχει χρησιμοποιηθεί μία συνάρτηση ονομαστικής αποδέσμευσης του στοιχείου (unbundle by name). Αφού επιτευχθεί ο διαχωρισμός των στοιχείων τότε οδηγούνται μέσα σε μία δομή for loop. Μέσα σε αυτή την δομή πραγματοποιείται ο συνδυασμός αυτών των δύο παραγόντων έτσι ώστε να μπορούμε κατά το στάδιο της προσομοίωσης να ξεκινάμε από μία συγκεκριμένη τιμή (την οποία θέτουμε εμείς) και εν συνεχεία να έχουμε αύξηση αυτής της τιμής. Το αποτέλεσμα που προκύπτει από την δομή ομαδοποιείται πάλι και εν 66

67 συνεχεία εισέρχεται σε μία μεγαλύτερη δομή for loop όπου πραγματοποιούνται οι υπόλοιπες διεργασίες της προσομοίωσης. Η ευρύτερη δομή for loop εμπεριέχει στο εσωτερικό της και αυτή με την σειρά της μικρότερες δομές καθώς και κάποιες ακόμα ομαδοποιήσεις ανάλογα με το είδος των στοιχείων. Η πρώτη διεργασία από-ομαδοποίησης που συναντάται έχει ως παράγωγα την ρύθμιση της ελάχιστης τιμής του SNR, το βήμα αύξησης του SNR, την συνολική μεταδιδόμενη ισχύ καθώς και τον αριθμό των υποφερόντων. Τα στοιχεία αυτά εισάγονται ως είσοδο στο vi (που έχει κατασκευαστεί πρωτίστως) το οποίο έχει ως σκοπό να προσομοιώσει την ισχύ του θορύβου μέσα στο κανάλι. Η δεύτερη απόομαδοποίηση περιλαμβάνει το στοιχείο διασύνδεσης καναλιού (όπως έχει περιγραφεί και παραπάνω), την συνολική μεταδιδόμενη ισχύ, την σχηματομορφή των πιλότων οδηγών, τον αριθμό των υποφερόντων, και την κεραία μετάδοσης και. Τα στοιχεία αυτά εισάγονται σε ένα vi το οποίο πραγματοποιεί αναδιανομή της ισχύος του σήματος ανάλογα τα στοιχεία που εισάγουμε στην αρχή του προσομοιωτή. Από τα δύο αυτά vi ( δηλαδή την ισχύ του θορύβου, αλλά και την αναδιανομή της ισχύος) οι έξοδοι εισέρχονται σε μία συνάρτηση ονομαστικής δέσμευσης του στοιχείου (bundle by name). Η έξοδος της συνάρτησης αποδίδεται σε όλες τις άλλες δομές καθώς και στις υπόλοιπες συναρτήσεις ομαδοποίησης. Η επόμενη δομή η οποία συναντάται είναι μία δομή case structure. Μέσα σε αυτή την δομή έχουν τοποθετηθεί δύο συναρτήσεις αποδέσμευσης στοιχείων. Η πρώτη συνάρτηση διαχωρίζει, τον αριθμό των υποφερόντων, την σχηματομορφή των πιλότων οδήγησης (σε δύο διαφορετικά τμήματα), την κεραία εκπομπής, την ισχύ του θορύβου, την συνολική μεταδιδόμενη ισχύ εκπομπής καθώς και το στοιχείο διασύνδεσης καναλιού. Η δεύτερη συνάρτηση διαχωρίζει, την κεραία εκπομπής, τον αριθμό των υποφερόντων, την σχηματομορφή των πιλότων οδήγησης, το στοιχείο διασύνδεσης καναλιού, την ισχύ των πιλότων οδήγησης καθώς και την ισχύ θορύβου. Και οι δύο συναρτήσεις αποδέσμευσης συνδέονται με την κεντρική συνάρτηση ομαδοποίησης που υπάρχει στην αρχή του προσομοιωτή. Η συγκεκριμένη δομή έχει ως σκοπό να υλοποιήσει την ορθογωνικότητα των σχηματομορφών των πιλότων οδηγών που χρησιμοποιούνται κατά την διάρκεια της μετάδοσης. Στην συνέχεια έχουμε τοποθετήσει ακόμα δύο συναρτήσεις ονομαστικής αποδέσμευσης. Στην πρώτη συνάρτηση εξάγονται τα στοιχεία της σχηματομορφής των πιλότων οδήγησης (το οποίο επαναλαμβάνεται δύο φορές), ο αριθμός των υποφερόντων, και η κεραία εκπομπής. Στην δεύτερη συνάρτηση εξάγονται τα στοιχεία της κεραίας εκπομπής, ο αριθμός των υποφερόντων, το στοιχείο διασύνδεσης καναλιού καθώς και η σχηματομορφή των πιλότων οδήγησης. Η πρώτη συνάρτηση εισέρχεται σε δομή case structure. Η συνθήκη ελέγχου του case structure είναι η σχηματομορφή των πιλότων οδήγησης. Ενώ αντίστοιχα μέσα στην δομή εισέρχονται τα υπόλοιπα στοιχεία. Εκεί πραγματοποιείται ένας διαχωρισμός ανάμεσα στα υποφέροντα και την σχηματομορφή των πιλότων οδήγησης. Η δεύτερη συνάρτηση εισέρχεται και αυτή σε μία δομή case structure. Η συνθήκη ελέγχου είναι πάλι η σχηματομορφή των πιλότων οδήγησης. Ως καθαρά εισερχόμενα στοιχεία έχουμε των αριθμό των υποφερόντων και το στοιχείο channel τα οποία εισάγονται στην διαφορική μήτρα. Η διαφορική μήτρα πραγματοποιεί τον συσχετισμό ανάμεσα στο κανάλι καθώς και τον αριθμό των υποφερόντων που χρησιμοποιούνται στο κανάλι κατά το στάδιο της μετάδοσης. Το αποτέλεσμα της διαφορικής μήτρας αποδίδεται σε μία σειρά από υποσύνολα πίνακες προκειμένου να έχουμε όσο το δυνατόν καλύτερο διαχωρισμό. Κατόπιν του 67

68 διαχωρισμού τα υποσύνολα των πινάκων εμφωλεύονται σε ένα μικρότερο vi που είναι στην ουσία ένας πολλαπλασιαστής πινάκων (περιγράφεται παρακάτω). Ολοκληρώνοντας τις εισόδους της δομής case structure έχουμε την κεραία εκπομπής που αποτελεί στοιχείο εισόδου. Η κεραία εκπομπής οδηγείται μέσα από ένα vi το οποίο δημιουργεί μία μήτρα. Ο λόγος που γίνεται αυτό είναι για να μπορέσουμε να παρουσιάσουμε στα πλαίσια προσομοίωσης την κεραία εκπομπής υπό μορφή μήτρας έτσι ώστε να γίνει ο συνδυασμός της με τα υπόλοιπα στοιχεία. Η έξοδος της οδηγείται και σε ένα πολλαπλασιαστή πινάκων (και εν γένει μητρών). Ο πολλαπλασιαστής πινάκων δίνει μία έξοδος η οποία είναι και η έξοδος του συγκεκριμένου case structure. Εν συνεχεία προχωράμε στο τελευταίο τμήμα του προσομοιωτή. Στο τελευταίο τμήμα έχουμε ακόμα τρεις συναρτήσεις ονομαστικής αποδέσμευσης στοιχείων. Η πρώτη συνάρτηση ανατίθεται στον OFDM πομπό, η δεύτερη ανατίθεται στο κανάλι του πομποδέκτη και η τρίτη ανατίθεται στον OFDM δέκτη. Στην προσπάθεια υλοποίησης του οποία χρησιμοποιείται στην προκειμένη περίπτωση στην λειτουργία του πομπού. Η πρώτη συνάρτηση ονομαστικής αποδέσμευσης αποδίδει στον πομπό τα στοιχεία της κεραίας εκπομπής, τον αριθμό των υποφερόντων, την ισχύ του σήματος, την σχηματομορφή των συμβόλων, τον σηματαστερισμό των συμβόλων και την ισχύ των πιλότων οδηγών. Η δεύτερη συνάρτηση ονομαστικής αποδέσμευσης αποδίδει στο κανάλι του πομποδέκτη τον σηματαστερισμό των συμβόλων, την σχηματομορφή των συμβόλων, τον αριθμό των υποφερόντων, την κεραία εκπομπής, το στοιχείο διασύνδεσης καναλιού και την ισχύ του θορύβου. Τέλος η τρίτη συνάρτηση αποδίδει στον δέκτη τον σηματαστερισμό των συμβόλων, την κεραία μετάδοσης, την σχηματομορφή των πιλότων οδήγησης, την ισχύ του σήματος, το στοιχείο διασύνδεσης καναλιού, την ισχύ του θορύβου, την συχνότητα λήψης, την ισχύ των πιλότων οδηγών. Ο δέκτης δίνει μία έξοδο η οποία εισάγεται μέσα στο κανάλι. Κατά αντίστοιχο τρόπο το κανάλι με την σειρά του αποδίδει και αυτό μία έξοδο η οποία εισάγεται στον δέκτη. Ολοκληρώνοντας την διαδικασία υλοποίησης του προσομοιωτή υπάρχει μία ακόμα δομή for loop. Η δομή αυτή έχει συνολικά τέσσερις εισόδους, μία είσοδος από τον δέκτη, μία είσοδος από τον πολλαπλασιαστή πινάκων και δύο εισόδους από την δομή case structure. Με την χρήση της συγκεκριμένης δομής είναι εφικτό ο προσομοιωτής να μπορεί να συνδυάσει τις παραπάνω εισόδους σύμφωνα με τον κύκλο προσομοιώσεων έτσι ώστε το τελικό αποτέλεσμα να προστίθεται στον υπολογισμό και κατ επέκταση την απεικόνισης της φασματικής απόδοσης. Τα δύο βασικά μεγέθη που μπορούμε να διεξάγουμε γραφικά με την υλοποίηση του συγκεκριμένου προσομοιωτή είναι η φασματική απόδοση καθώς και το Bit Error Rate (BER). Στο σύστημα που προσομοιώνεται έχουμε διαδοχικά έναν μεγάλο αριθμό υποφερόντων (32,64,128,256). Στην προσομοίωση έχουμε θεωρήσει ότι έχουμε λευκό γκαουσιανό θόρυβο όπως αναφέρεται και παραπάνω. Το OFDM ως σύστημα έχει ένα μεγάλο αριθμό υποφερόντων. Αρχικά υποθέτουμε ότι το φανταστικό μέρος κατά την μετάδοση είναι ejφ όπου φ είναι η περιστροφή του σηματαστερισμού. Το πραγματικό μέρος του σήματος πολλαπλασιάζεται κατά cos(φ) και το φανταστικό μέρος πολλαπλασιάζεται κατά sin(φ). Εν συνεχεία θεωρούμε ότι Eb/N0 είναι ο λόγος του σήματος προς τον θόρυβο. Επίσης στην συνάρτηση υπολογισμού του BER θα πρέπει να συνυπολογίσουμε και το εύρος ζώνης του καναλιού (Channel Bandwidth - CB) αφού άλλωστε αποτελεί και παράμετρο που ρυθμίζουμε για την διαδικασία των προσομοιώσεων. Ακόμα θα πρέπει να 68

69 αναφερθεί ότι το Q περιγράφει την συνάρτηση κατανομής η οποία ορίζεται ως. Τέλος λόγω του ότι έχουμε ένα σύστημα πολλαπλών υποφερόντων ανά επίπεδο προσομοίωσης θα πρέπει να το συμπεριλάβουμε και αυτό στην συνάρτηση. Θεωρούμε ότι αναπαριστάται ως Sn όπου n είναι το άθροισμα των υποφερόντων. Συνολικά η συνάρτηση που περιγράφει το θεωρητικό πλαίσιο υπολογισμού του BER είναι: Αντίστοιχα για την Φασματική απόδοση θεωρούμε ότι το σύστημα κατά το στάδιο της μετάδοσης μεταδίδει με ένα συγκεκριμένο ρυθμό. Σε κάθε ψηφιακό σύστημα η φασματική απόδοση της τεχνικής μετάδοσης εκφράζεται ως bits/sec/hertz. Η έκφραση αυτή συνιστά την συνολική απόδοση του συστήματος δηλαδή πόσο αποδοτικά χρησιμοποιεί το εύρος ζώνης. Έχουμε ότι: Επίσης, με την πραγματοποίηση της προσομοίωσης μπορούμε συνολικά από όλη την εφαρμογή συμπεριλαμβανομένου και των μικρότερων vi που συνθέτουν τον κεντρικό προσομοιωτή να πάρουμε μία σειρά από μετρήσεις. Οι μετρήσεις παρατίθoνται στην ενότητα 4.3 και Πολλαπλασιαστής πινάκων Σχήμα 3.16 Δομικό διάγραμμα πολλαπλασιαστή πινάκων Ο πολλαπλασιαστής πινάκων έχει δύο βασικές εισόδους Χ και Y. Στο πρώτο κομμάτι του vi υπολογίζεται το μέγεθος του εισερχόμενου πίνακα για X και Y. Μετά τον 69

70 υπολογισμό του μεγέθους του πίνακα πραγματοποιείται έλεγχος στα στοιχεία του πίνακα εάν είναι αριθμητικά ή μιγαδικά μίας και η περίπτωση που χρησιμοποιείται έχει να κάνει και με μιγαδικά. Τα παραγόμενα στοιχεία εισάγονται σε ένα στοιχείο αρχικοποίησης έτσι ώστε να μπορούν να εισαχθούν μέσα στην δομή for loop που ακολουθεί. Η δομή for loop εμπεριέχει στο εσωτερικό της μία ακόμα μικρότερη δομή for loop. Μέσα σε αυτή την δομή πραγματοποιείται πολλαπλασιασμός κάθε στοιχείου του πίνακα X με τον πίνακα Y. Ο νέος υποπίνακας που προκύπτει προστίθεται ως αποτέλεσμα στον καινούργιο πίνακα που προκύπτει. Ο καινούργιος πίνακας αποδίδεται ως αποτέλεσμα. 70

71

72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 - Αποτελέσματα Προσομοιώσεων Προκειμένου να μπορέσουμε να οριοθετήσουμε τις απαιτήσεις σε εύρος ζώνης και BER θα πρέπει να γνωρίζουμε τις ενεργειακές απαιτήσεις που συγκεντρώνονται από τις λειτουργίες του ΕΕΔ στο επίπεδο της γραμμής μεταφοράς και κατ επέκταση στο επίπεδο του macro grid όπως έχει οριστεί στο 1ο κεφάλαιο. Εδώ θα πρέπει να τονιστεί ότι αυτές οι απαιτήσεις εμφανίζονται και στα υπόλοιπα επίπεδα του ΕΕΔ (διανομή ηλεκτρικής ενέργειας micro grid), με κάποιες διαφοροποιήσεις. Στο επίπεδο όμως της γραμμής μεταφοράς που μελετάται στην προκειμένη περίπτωση έχουμε τις εξής περιπτώσεις: Σχεδιασμός φορτίου και χωρητικότητας γραμμής Ανάλυση διαταραχών ηλεκτρικού φορτίου Διάγνωση/πρόγνωση/πρόβλεψη Ανάπτυξη αλγορίθμων επαλήθευσης λειτουργίας Σχεδιασμός ενεργειακής διαχείρισης φορτίου Οι λειτουργίες απαιτήσεις θα πρέπει να εξυπηρετηθούν από το δίκτυο των φασιθετικών μετρητών που τοποθετούνται στο macro grid. Οι πληροφορίες που συγκεντρώνονται από τις λειτουργίες που αναφέρονται παραπάνω θα πρέπει να μεταφερθούν μέσα από το ασύρματο μέσο. Η αρχική τους οριοθέτηση έγινε από τον NIST και εν συνεχεία έχουμε την προσθήκη δυο προτύπων που ορίζονται από τον International Electrotechnical Commission (IEC) και τον IEEE αντίστοιχα. Συγκεκριμένα έχουμε βασιστεί πάνω σε δυο πρότυπα το IEC που αφορά την διαχείριση αυτοματοποιημένων λειτουργιών και ασφαλείας υποσταθμών (Substation automation and protection) καθώς και το πρότυπο IEEE C που πραγματεύεται τις επικοινωνίες των φασιθετικών μετρητών (PMU). Σύμφωνα με αυτά τα δυο πρότυπα οι παραπάνω αναφερόμενες λειτουργίες θα πρέπει να πραγματοποιούνται από το δίκτυο των PMU και με ασύρματο τρόπο αφού θεωρείται ότι σε επίπεδο γραμμών μεταφοράς το σύστημα του PLC δεν μπορεί να εξυπηρετήσει τόσο μεγάλες αποστάσεις. Τα δυο πρότυπα συγκλίνουν ότι για τις λειτουργίες αυτές ο κάθε φασιθετικός μετρητής θα πρέπει να μπορεί να φτάσει σε επίπεδο ρυθμού μετάδοσης δεδομένων μέγιστο στα 1500kbps. Λόγω του ότι το ΕΕΔ βρίσκεται στο πρώτο ανάπτυξης του που είναι η παρακολούθηση και η διαχείριση του δικτύου θεωρείται (με βάση τα δυο παραπάνω πρότυπα που αναφέρονται) ότι εύρος ζώνης για 1500kbps μπορεί να ξεκινάει από 1.25MHz. Αυτό παρουσιάζεται εκτός από τα δυο παραπάνω πρότυπα και στο πρότυπο IEC 61968/61970 που πραγματεύεται την ενεργειακή διαχείριση του δικτύου διαμέσου της ανάπτυξης επικοινωνιακών εφαρμογών και διεπαφών. Με βάση αυτά τα τρία πρότυπα συνολικά οριοθετήθηκε στην παρούσα διαδικασία προσομοιώσεων η αρχική τιμή για εύρος ζώνης στα 1.25MHz. Ο διπλασιασμός της τιμής στα 2.5MHz έγινε με γνώμονα την προσπάθεια βελτιστοποίησης του BER λόγω του ότι μετά από μια σειρά προσομοιώσεων παρατηρήθηκε αρκετή βελτίωση στην αναλογία ανάμεσα σε BER και SNR αφού ήταν εφικτό να μειωθεί αρκετά η τιμή του SNR. Παράλληλα η επιλογή αυτής της τιμής για το εύρος ζώνης έγινε και με γνώμονα το πρότυπο IEC /TASE.2. Αντίστοιχα για το BER οι απαιτήσεις που έχουν αναπτυχθεί για το ΕΕΔ μέχρι τώρα στηρίζονται σε συστήματα που βρίσκονται σε πραγματική λειτουργία σε επικοινωνιακό επίπεδο και είναι το PLC και το SCADA. Με βάση αυτά τα δυο συστήματα αρχικά οριοθετείται ότι 71

73 η μέγιστη τιμή του BER δεν πρέπει να είναι πάνω από 0,001 σε αντιστοιχία με το SNR. Στις διεργασίες προσομοίωσης που πραγματοποιήθηκαν η τιμή αυτή επιτυγχάνεται με μικρή απόκλιση στις πρώτες τιμές του SNR. Επίσης θα πρέπει η τιμή του SNR να μην ξεπερνάει τα 25dB σε κάθε προσομοίωση. Την συγκεκριμένη απαίτηση ήταν εφικτό να την επιτύχουμε αφού φτάσαμε μέχρι και τα 23dB αλλά με αντίστοιχα χαμηλή τιμή για το BER. Ένα σημαντικό ζήτημα που χρήζει μελέτης για το ΕΕΔ και συγκεκριμένα για το επίπεδο της γραμμής μεταφοράς έχει να κάνει με το επίπεδο εντολών δηλαδή την δυνατότητα μέσα από το επικοινωνιακό κανάλι που μεταφέρονται τα δεδομένα να μπορούμε να μεταφέρουμε και τις εντολές ελέγχου των ηλεκτρομηχανικών διατάξεων. Αναφορικά οι εντολές ελέγχου συνοψίζονται ως εξής: Σύνδεση και αποσύνδεση διατάξεων Διόρθωση συντελεστή ισχύος και άεργου ισχύος Απόκριση φορτίου ανάλογα με τις ενεργειακές απαιτήσεις Υλοποίηση σεναρίων λειτουργίας 1.6 Ρυθμίσεις προσομοίωσης. Με την ολοκλήρωση της κατασκευής του προσομοιωτή στο LabVIEW διενεργήθηκαν μία σειρά από προσομοιώσεις που ως σκοπό είχαν αρχικά να δείξουν την ορθή λειτουργία του προσομοιωτή και συγκεκριμένα ότι μπορούμε να έχουμε την δημιουργία ενός συστήματος πομποδέκτη με τον ενδιάμεσο κανάλι να τα συνδέει μεταξύ τους. Οι βασικές ρυθμίσεις που πραγματοποιούνται από τον προσομοιωτή είναι ο αριθμός των υποφερόντων που ξεκινάει από 32 και μεταβάλλεται σε 64, 128 και 256. Επίσης μπορούμε να ρυθμίσουμε την τιμή του SNR. Ρυθμίζουμε την ελάχιστη τιμή, την μέγιστη τιμή καθώς και το βήμα αλλαγής καθώς η τιμή του SNR αυξάνεται. Η οριοθέτηση της τιμής του SNR πραγματοποιήθηκε με γνώμονα να επιτύχουμε όσο το δυνατόν πιο καθαρό σήμα με τον λιγότερο δυνατό θόρυβο στο κανάλι. Στα πλαίσια των προσομοιώσεων έχουμε σχεδιάσει τον προσομοιωτή ως προς τον τύπο διαμόρφωσης να δουλεύει είτε με BPSK είτε με QPSK. Μία πολύ σημαντική ρύθμιση είναι αυτή του εύρους ζώνης του καναλιού. Στην προκειμένη περίπτωση μελετούμε την περίπτωση του τμήματος της γραμμής μεταφοράς. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές που ορίζονται από το πρότυπο IEC για την επικοινωνία των φασιθετών το εύρος ζώνης κυμαίνεται από 600 έως και 1500kbps. Συνεπώς τα σενάρια προσομοίωσης ξεκινούν από τα 600kbps όπου έχουμε την βασική περίπτωση λειτουργίας ενός φασιθέτη και καταλήγουν στα 1500kpbs όπου είναι το «χειρότερο» δυνατό σενάριο όπου ο φασιθετικός μετρητής απαιτεί για την λειτουργία του το μεγαλύτερο δυνατό εύρος ζώνης. Σύμφωνα με το σχήμα 2.3, το θεωρητικό μοντέλο εξετάζει σε δύο βασικά σημεία την αρχιτεκτονική του δικτύου. Το πρώτο σημείο είναι το πρώτο PDC, καθώς έχουμε την περισσότερη συγκέντρωση, συνεπώς σε εκείνο το σημείο θα έχουμε την απαίτηση για εύρος ζώνης το οποίο θα πρέπει να εξυπηρετήσει 7 διαφορετικούς φασιθετικούς μετρητές. Έχουμε ορίσει δύο διαφορετικούς κλάδους οπότε όταν φτάσουμε στον κεντρικό PDC (SPDC) θα έχουμε συγκεντρωτικά από 14 διαφορετικούς φασιθετικούς μετρητές. Ο SPDC θα πρέπει να μεταβιβάσει στο επόμενο τμήμα της γραμμής μεταφοράς μέχρι να φτάσουμε στο κέντρο ελέγχου του δικτύου. Θα πρέπει να τονίσουμε ότι με την ανάπτυξη του ΕΕΔ θεωρείται ότι θα έχουμε ένα μεγάλο δίκτυο από SPDC. Οι μέχρι τώρα αρχιτεκτονικές του ΕΕΔ έχουν ως χαρακτηριστικό ότι οι SPDC θα αποτελούν και το τελευταίο τμήμα του δικτύου προτού τα δεδομένα που 73

74 προκύπτουν αποσταλούν στο κέντρο ελέγχου του δικτύου. Με την περαιτέρω ανάπτυξη του ΕΕΔ το εύρος των δεδομένων θεωρείται ότι θα είναι συνεχώς αυξανόμενο. Συνεπώς και το εύρος ζώνης καναλιού θα πρέπει κατά αντίστοιχο τρόπο να προσαρμόζεται στις επικοινωνιακές ανάγκες του δικτύου. Επίσης ένα ζήτημα το οποίο δεν εξετάζεται στην συγκεκριμένη προσομοίωση είναι το ζήτημα των εντολών ελέγχου που θα αποστέλλονται διαμέσου του επικοινωνιακού δικτύου. Στην προκειμένη περίπτωση έχουμε να κάνουμε μόνο με την αποστολή και λήψη δεδομένων που έχουν να κάνουν με την παρακολούθηση και τον έλεγχο του ενεργειακού δικτύου. Τα δεδομένα αυτά αποστέλλονται γενικά οπότε και σε επίπεδο δρομολόγησης δεν θεωρείται ότι θα πρέπει να υπάρχει προτεραιότητα ως προς το είδος των δεδομένων που αποστέλλονται. Πίνακας 1. Παράμετροι Προσομοίωσης Εύρος ζώνης καναλιού 1.25MHz, 2.5MHz Αριθμός Καναλιών 1 Πομπός 1 Δέκτης 1 Αριθμός Υποφερόντων 32, 64,128,256 Ελάχιστη τιμή SNR 0dB Μέγιστη τιμή SNR 25dB Ρυθμός μετάδοσης (bit rate) 1500kbps Διαμόρφωση σήματος BPSK για 1.25ΜHz και 2.5MHz Διαμόρφωση σήματος QPSK για 1.25ΜHz και 2.5MHz Διαμόρφωση συμβόλων OFDM Τύπος καναλιού AWGN Τύποι μετασχηματισμού IFFT (πομπός)/fft (δέκτης) Διάρκεια συμβόλων 0,8μs και 0,4μs Τsymbol=1/Δf 1.7 Διαστήματα υποφερόντων για εύρος ζώνης 1,25MHz 0,03MHz, 0,01MHz, 0,009MHz, 0,001MHz για 32,64,128,256 υποφέροντα αντίστοιχα Διαστήματα υποφερόντων για εύρος ζώνης 2,5MHz 0,07MHz, 0,03MHz, 0,01MHz, 0,009MHz για 32,64,128,256 υποφέροντα αντίστοιχα Γενική περιγραφή αποτελεσμάτων από την προσομοίωση. Με την έναρξη της προσομοίωσης ο πομπός αρχίζει να μεταδίδει προς την πλευρά του δέκτη διαμέσου του καναλιού. Η μετάδοση γίνεται ψηφιακά. Αυτό σημαίνει ότι ο 74

75 πομπός κατά το στάδιο της εκπομπής μεταδίδει τα δεδομένα με ψηφιακό τρόπο δηλαδή με ακολουθία 0 και 1. Πράγματι κατά το στάδιο της προσομοίωσης παρατηρούμε ότι ο πομπός μεταδίδει συνεχόμενα δυαδική ακολουθία. Σε αυτό το σημείο είναι σημαντικό να αναφέρουμε ότι για την λειτουργία της μετάδοσης μέσω δυαδικής ακολουθίας συμβάλλει η γεννήτρια παραγωγής bit η οποία διοχετεύει τα παραγόμενα bit μέσα στον πομπό. Η μετάδοση των πιλότων οδηγών κατά OFDM πραγματοποιείται είτε με BPSK είτε με QPSK. Στην έξοδό του ο πομπός αποδίδει τα μεταδιδόμενα OFDM σύμβολα καθώς και την συχνότητα των OFDM συμβόλων. Και τα δύο μεγέθη κρίνονται σημαντικά γιατί παρουσιάζουν με αυτό τον τρόπο η σωστή λειτουργία του πομπού. Επίσης, τα μεγέθη αυτά παρουσιάζονται όχι μόνο σε επίπεδο μεταβλητών αλλά και σε επίπεδο γραφικής απεικόνισης. Σχήμα 4.1 Πομπός OFDM Στο γράφημα των μεταδιδόμενων συμβόλων παρατηρούμε τις μεταβολές που υφίστανται τα σύμβολα σε συνάρτηση με το μέσο μετάδοσης. Οι μεταβολές οφείλονται ως επί το πλείστον στον τρόπο μετάδοσης των σημάτων. Κάθε μεταδιδόμενο σύμβολο αναπαριστά πολλαπλά δεδομένα τα οποία μεταδίδονται στην μονάδα του χρόνου (ή το πεδίο του χρόνου όπως έχει οριστεί παραπάνω). Τα σύμβολα τοποθετούνται στο κανάλι και υπάρχει αντιστοιχία ανάμεσα στα σύμβολα καθώς και στα δεδομένα που μεταδίδονται. Κάθε σύμβολο μπορεί να κωδικοποιήσει πολλαπλό αριθμό δυαδικών ψηφιών συμβάλλοντας με αυτό τον τρόπο στην μετάδοση των bits. Η μεταφορά των δεδομένων αναπαριστάται από την μετάβαση μεταξύ των συμβόλων και γενικότερα από την ακολουθία πολλών συμβόλων μαζί. Αντίστοιχα από το διάγραμμα της 75

76 συχνότητας των μεταδιδόμενων συμβόλων διαπιστώνουμε την αλληλουχία των υποκαναλιών τα οποία παρουσιάζουν αλληλοκάλυψη. Επίσης εξασφαλίζεται και η ορθογωνιότητα αφού παρατηρείται ότι στην μέγιστη τιμή που επιτυγχάνει ένα υποκανάλι τα υπόλοιπα παρουσιάζουν μηδενισμό. Η γραφική απεικόνιση που παρουσιάζεται παραπάνω αφορά την περίπτωση όπου το κανάλι έχει ρυθμιστεί για 32 υποφέροντα (αντίστοιχα η διαδικασία των προσομοιώσεων πραγματοποιήθηκε για 64, 128 και 256 υποφέροντα αντίστοιχα). Τα μεταδιδόμενα OFDM σύμβολα έχουν μιγαδική μορφή και η μετάδοση τους πραγματοποιείται σύμφωνα με την σχηματομορφή των πιλότων οδηγών (BPSK και QPSK). Σύμφωνα με το μοντέλο που έχει αναπτυχθεί η μεταφορά πραγματοποιείται διαμέσου καναλιού. Στο κανάλι εισάγεται και ο λευκός γκαουσιανός θόρυβος. Παρατηρώντας τις παραμέτρους του καναλιού διαπιστώνεται ότι η διαδικασία της μετάδοσης ακολουθεί τις ίδιες παραμέτρους όπως και στην περίπτωση του πομπού. Συγκεκριμένα ο αριθμός των υποφερόντων παραμένει ίδιος. Επίσης, εάν παρατηρήσουμε την μεταβλητή της συχνότητας των μεταδιδόμενων συμβόλων διαπιστώνουμε ότι η μιγαδική τιμή είναι ίδια με την μιγαδική τιμή του πομπού. Σημαντικό που πρέπει να αναφερθεί είναι ότι η αναπαράσταση της μεταβλητής της συχνότητας μετάδοσης συμβόλων αναπαριστάται από μία ενδεικτική μιγαδική τιμή. Σύμφωνα με την σχεδίαση που έχει περιγραφεί στο 3 ο κεφάλαιο, το κανάλι αποδίδει ως εξόδους δύο διαφορετικές μεταβλητές: η μία είναι η έξοδος του καναλιού και η άλλη είναι η μετάδοση των πληροφοριών διαμέσου του καναλιού σε συνάρτηση με τον θόρυβο που εισάγουμε στο κανάλι. Σχήμα 4.2 Κανάλι OFDM Η έξοδος του καναλιού αναπαριστά σε γραφικό επίπεδο την μεταφορά των στοιχείων διαμέσου του καναλιού προς τον δέκτη σε συνδυασμό με την ύπαρξη του θορύβου διαμέσου του καναλιού προκειμένου να διαπιστωθεί η δυνατότητα λειτουργίας του. Και οι δύο μεταβλητές εξόδου εκτός από την γραφική αναπαράσταση έχουν και την αντίστοιχη μιγαδική τιμή. Στα πλαίσια υλοποίησης του καναλιού αναπαριστάται γραφικά και η μετάδοση των πληροφοριών το καναλιού διαμέσου του θορύβου. Σε αυτή τη γραφική αναπαράσταση έχουμε την έξοδο του καναλιού κατά το στάδιο της μετάδοσης σε συνδυασμό με τον θόρυβο που εισάγεται στο κανάλι. Η διαδικασία της 76

77 εκπομπής ολοκληρώνεται με την λήψη των πληροφοριών στην πλευρά του δέκτη. Ο δέκτης λαμβάνει την έξοδο του καναλιού ως το αποτέλεσμα της OFDM μετάδοσης. Και σε αυτή την περίπτωση ο δέκτης ενημερώνεται για την σχηματομορφή των πιλότων οδηγών (BPSK, QPSK). Στα πλαίσια της μετάδοσης ως μεταβλητή που λαμβάνει ο δέκτης είναι τα λαμβανόμενα OFDM σύμβολα από τον δέκτη. Επίσης στις μεταβλητές λήψης του δέκτη έχουμε και την μετάδοση των πληροφοριών του καναλιού. Ως στοιχείο λήψης είναι πολύ σημαντικό αφού διαμέσου αυτού μπορεί ο δέκτης να λάβει τις πληροφορίες του καναλιού. Διαμέσου αυτών των πληροφοριών είναι εφικτό να αναλυθεί το λαμβανόμενο σήμα και εν συνεχεία να πραγματοποιηθεί η διαδικασία της μεταφοράς από το πεδίο του χρόνου ξανά πάλι στο πεδίο της συχνότητας. Στο πεδίο της μεταβλητής των λαμβανόμενων OFDM συμβόλων παρατηρούμε ότι η τιμή της μεταβλητής συμπίπτει με την αντίστοιχη τιμή της μεταβλητής των μεταδιδόμενων συμβόλων που βρίσκεται στον δέκτη. Επίσης στον δέκτη υπάρχει και η μεταβλητή του «ανακύπτοντος» σήματος (Recovered Signal). Εάν παρατηρήσουμε θα δούμε ότι η τιμή της μεταβλητής ισούται με 1. Αυτό σημαίνει ότι κατά το στάδιο της μετάδοσης η διαδικασία πραγματοποιείται με σωστό τρόπο έτσι ώστε ο δέκτης να μπορεί να ανιχνεύσει το λαμβανόμενο σήμα καθώς και τον αριθμό των μεταδιδόμενων συμβόλων. Σχήμα 4.3 Δέκτης OFDM Η διαδικασία των προσομοιώσεων επαναλήφθηκε κατά ένα μεγάλο αριθμό και με διαφορετικές παραμέτρους προκειμένου να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία του συστήματος, σε κάθε μία προσομοίωση οι παραπάνω μεταβλητές που αναφέρονται έχουν την ίδια αντιστοιχία με διαφορετικές τιμές (που εξαρτώνται από τις ρυθμίσεις που έχουν γίνει στον κεντρικό προσομοιωτή). Στην γενική περιγραφή των προσομοιώσεων ως τελικό σημείο έχουμε τον κεντρικό προσομοιωτή διαμέσου του οποίου εξάγουμε τα τελικά στοιχεία που περιγράφουν την συμπεριφορά του ασύρματου καναλιού με διαμόρφωση OFDM. Τα μεγέθη διαμέσου των οποίων πραγματοποιείται η αξιολόγηση του συστήματος είναι ο λόγος του BER (Bit-Error-Rate) προς το SNR (Signal-to-Noise Ratio), ο λόγος της φασματικής απόδοσης (Spectral Efficiency) προς το SNR. 77

78 Το SNR αποτελεί μια σχετική μέτρηση ανάμεσα στην ισχύ του σήματος συγκρινόμενη με την ισχύ του θορύβου [38] και ορίζεται ως: Όπου It και Qt είναι τα πλάτη που περιγράφουν τις διαμορφώσεις του σήματος ενώ αντίστοιχα ni,t και nq,t είναι τα πλάτη που περιγράφουν την μιγαδική μορφή του θορύβου. Παραπάνω στην συνάρτηση 3.1 έχουμε ορίσει το ρυθμό μετάδοσης ως Ε b/s0 ο οποίος αποδίδει την αναλογία σήματος προς θόρυβο. Αντίστοιχα για το BER θεωρούμε ότι έχουμε διαμόρφωση σήματος με την δυνατότητα ανίχνευσης του εκπεμπόμενου σήματος στην πλευρά του δέκτη και αντίστοιχα την ανίχνευση των υποφερόντων. Η διαμόρφωση του σήματος περιγράφεται από την μεταβλητή M. Λαμβάνοντας υπόψη την αναλογία σήματος προς θόρυβο που έχει οριστεί παραπάνω, θεωρούμε ότι έχουμε μια μεταβλητή V η οποία περιγράφει τα επίπεδα των διαστάσεων κατά την μετάδοση του σήματος, επίσης λαμβάνουμε υπόψη μας και την συνάρτηση κατανομής που περιγράφεται παραπάνω. Η συνάρτηση που περιγράφει την απόδοση του BER [18], [23],ως προς το SNR είναι: Αντίστοιχα για την φασματική απόδοση ως προς το SNR [4][23]και σύμφωνα με το θεωρητικό πλαίσιο που αναπτύσσεται στο κεφάλαιο 2 έχουμε ότι: Θα πρέπει να τονιστεί ότι ο υπολογισμός της φασματικής απόδοσης κατά την υλοποίηση στο LabVIEW (όπως και του BER) προκύπτει αθροιστικά κατά την λειτουργία του συστήματος και ανάλογα με τις παραμέτρους που έχουμε ορίσει κατά το στάδιο της προσομοίωσης. Παράλληλα όσον αφορά την γραφική αναπαράσταση του συστήματος κατά το στάδιο της μετάδοσης και στον προσομοιωτή έχουμε την συχνότητα μετάδοσης των OFDM συμβόλων, καθώς και την αναπαράσταση της μετάδοσης των OFDM συμβόλων. Και τα δύο μεγέθη παρατηρούνται στην μονάδα του χρόνου. Όσον αφορά το μέγεθος της συχνότητας μετάδοσης των OFDM συμβόλων η αναπαράσταση έχει πολύ μεγάλη πυκνότητα παρόλα ταύτα μπορεί να παρατηρηθεί και η ορθογωνιότητα αφού κατά την στιγμή που ένα υποκανάλι παρουσιάζει μέγιστο κατά την μετάδοση όλα τα υπόλοιπα υποκανάλια υφίστανται μηδενισμό. 78

79 Σχήμα 4.4 Κεντρικός προσομοιωτής σε λειτουργία Λαμβάνοντας υπόψη και τα γραφικά αποτελέσματα που έχουμε λάβει παραπάνω κατά την διάρκεια της προσομοίωσης, διαπιστώνουμε ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το διαθέσιμο φάσμα διαμέσου της επικάλυψης των υποφερόντων. Συγκεκριμένα, τα υποφέροντα μπορούν «εν μέρει» να επικαλύπτονται χωρίς να προκαλούν παρεμβολές στα άλλα παρακείμενα υποφέροντα, γιατί όταν ένα υποφέρον παρουσιάζει μέγιστο τα υπόλοιπα υποφέροντα παρουσιάζουν ελάχιστο. Αυτό είναι κάτι που παρουσιάζεται και στο σχήμα Γραφική αναπαράσταση BER προς το SNR Η εφαρμογή της τεχνικής OFDM στην προκειμένη περίπτωση έχει επιλεγεί λόγω του ότι μπορεί προσφέρει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης και παράλληλα υψηλή φασματική απόδοση. Για την περίπτωση του ΕΕΔ που μελετάμε θεωρούμε ότι στην παρούσα κατάσταση η τεχνική του OFDM μπορεί να εξυπηρετήσει τις τηλεπικοινωνιακές ανάγκες. Στην παρακάτω γραφική παράσταση παρουσιάζονται οι καμπύλες που αφορούν το BER ως προς το SNR για 32, 64, 128 και 256 υποφέροντα αντίστοιχα σε συνδυασμό με την θεωρητική καμπύλη του BER. Το κανάλι όπως έχει προαναφερθεί έχει λευκό γκαουσιανό θόρυβο (AWGN). Για την απλοποίηση κατά την προσομοίωση και σύμφωνα με τον θεωρητικό μοντέλο έχουμε υποθέσει ότι η διάρκεια των συμβόλων ισούται με Τ = ΝΤb όπου N είναι ο αριθμός των υποφερόντων (Ν = 32, 64, 128, 256) και Tb είναι η διάρκεια των bit. Στο μοντέλο προσομοίωσης του OFDM συστήματος για κάθε φασιθετικό μετρητή έχουμε 1500kbps. Τα 6000kbps αντιστοιχούν αθροιστικά στις απαιτήσεις για έναν γραμμικό κλάδο του δικτύου όπου έχουμε την συγκέντρωση τεσσάρων διαφορετικών φασιθετικών μετρητών. Έχουμε υποθέσει το χειρότερο δυνατό 79