ΜΕΤΑ ΟΣΗ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ ΣΕ ΓΡΑΜΜΕΣ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΕΝΤΟΣ ΚΤΙΡΙΩΝ: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟΥ ΜΕΣΟΥ ΚΑΙ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΙΑΘΕΣΙΜΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ

ΜΕΤΑ ΟΣΗ Ε ΟΜΕΝΩΝ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΧΥΤΗΤΩΝ ΣΕ ΓΡΑΜΜΕΣ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΕΝΤΟΣ ΚΤΙΡΙΩΝ: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟΥ ΜΕΣΟΥ ΚΑΙ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΙΑΘΕΣΙΜΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΕΣΠΟΙΝΑΣ Β. ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΟΥ ΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΥ ΤΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΡΙΘΜΟΣ ΙΑΤΡΙΒΗΣ 149 ΠΑΤΡΑ 2004

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στο εργαστήριο Θεωρητικής Ηλεκτροτεχνίας και Παραγωγής Β του τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών, του οποίου υπήρξα µέλος από το 1999 µέχρι και σήµερα. Η εργασία εντάχθηκε στο ευρύτερο ερευνητικό πλαίσιο που στηρίζεται από το εργαστήριο και στοχεύει στην ανάπτυξη µεθόδων που θα επιτρέψουν την αξιοποίηση των γραµµών χαµηλής τάσης εντός κτιρίων για τη δηµιουργία ενός τοπικού δικτύου επικοινωνιών που παρέχει στο χρήστη υπηρεσίες ευρείας ζώνης µε µετάδοση δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες. Η εκπόνησή της υποστηρίχθηκε από ίδιους πόρους του εργαστηρίου, από την Επιτροπή Ερευνών του Πανεπιστηµίου Πατρών µέσω του προγράµµατος Βασικής Έρευνας «Κ. Καραθεοδωρή» µε τίτλο Μοντελοποίηση Καναλιών και Αλγόριθµοι Ελέγχου Λαθών για Ψηφιακές Επικοινωνίες, καθώς και από τη Γενική Γραµµατεία Έρευνας και Τεχνολογίας του Υπουργείου Ανάπτυξης µέσω του έργου ΠΑΒΕΤ 2000 µε τίτλο Τεχνολογία επικοινωνιών υψηλών ταχυτήτων για γραµµές χαµηλής τάσης, που διεκπεραιώθηκε στα πλαίσια της συνεργασίας της 7 ης ερευνητικής µονάδας του Ινστιτούτου Τεχνολογίας Υπολογιστών µε την εταιρία ATMEL HELLAS ΑΒΕΕ. Από τη θέση αυτή θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τα πρόσωπα που µε την πολύτιµη συµβολή τους βοήθησαν στη διεκπεραίωση της εργασίας αυτής: Πρώτα απ όλα θα ήθελα να εκφράσω την ευγνωµοσύνη µου στον αναπληρωτή καθηγητή Θεόδωρο Αντωνακόπουλο, ο οποίος µε τη συνεχή του καθοδήγηση, το ακούραστο ενδιαφέρον του και την εµπιστοσύνη που µου έδειξε δηµιούργησε τις κατάλληλες συνθήκες, ώστε να ολοκληρωθεί το έργο που παρουσιάζεται στη διατριβή. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τον καθηγητή Βασίλειο Μακιό που φρόντισε να παρέχει σε όλα τα µέλη του εργαστηρίου την αµέριστη συµπαράστασή του, την επιστηµονική του καθοδήγηση και την υποδοµή για να µπορούν να προκύψουν τα αποτελέσµατα που παρουσιάζονται στην παρούσα εργασία. Εξίσου θερµά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή ηµήτριο Τσανάκα, ο οποίος συνέβαλε µε εύστοχες παρατηρήσεις και πολύτιµες συµβουλές που βοήθησαν, ώστε η παρούσα διατριβή να φθάσει στην τελική της µορφή. Θα ήθελα επίσης, να εκφράσω την ευγνωµοσύνη µου στους συναδέλφους µου Αγγελική Πανταζή, Νικόλαο Παπανδρέου, Παναγιώτη Σαββόπουλο, Μαρία Βαρσάµου και Χρήστο

Σταυρουλόπουλο για την αµέριστη υποστήριξη και συνεργασία τους, καθώς και στους Τάσο και Ντίνα Ξυπολιά που υπήρξαν πάντα πρόθυµοι να παράσχουν τη βοήθειά τους. Τέλος, θα ήταν παράλειψη να µην ευχαριστήσω την οικογένειά µου που πίστεψε σε µένα και µε στήριξε µε αυτοθυσία στα δύσκολα αυτά χρόνια, καθώς και στο Γιάννη Αγναντιάρη που στάθηκε δίπλα µου και µοιράστηκε τις αγωνίες και τις χαρές µου σε όλη τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας αυτής. Η συγγραφέας Πάτρα, 1-7-2004

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείµενο της παρούσας διατριβής είναι η αξιοποίηση των γραµµών χαµηλής τάσης εντός κτιρίων για τη δηµιουργία ενός τοπικού δικτύου επικοινωνιών για µετάδοση δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες µε σκοπό την παροχή υπηρεσιών ευρείας ζώνης στον τελικό χρήστη. Η χρήση του δικτύου παροχής ηλεκτρικής ενέργειας ως επικοινωνιακό µέσο σε υψηλές συχνότητες εξαρτάται από την αντιµετώπιση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της συµπεριφοράς του, που περιλαµβάνουν επιλεκτική εξασθένηση πλάτους συναρτήσει της συχνότητας, παραµόρφωση φάσης που εξαρτάται από τα µήκη των γραµµών, ισχυρό κρουστικό θόρυβο και παρεµβολές στενής ζώνης. Οι συνθήκες µετάδοσης επηρεάζονται επίσης δυσµενώς από την εξάρτηση των παραπάνω χαρακτηριστικών από το χρόνο, η οποία οφείλεται στη µεταβολή της φόρτισης του δικτύου. Η σύγχρονη αντιµετώπιση του επικοινωνιακού µέσου στηρίζεται σε εµπειρικά µοντέλα συµπεριφοράς, που πηγάζουν από µετρητικά δεδοµένα σε πειραµατικά δίκτυα και επιχειρεί να καλύψει αξιόπιστα µε κατάλληλες τεχνικές µετάδοσης τη χειρότερη περίπτωση σε ότι αφορά τις συνθήκες του καναλιού, χωρίς να βοηθά στην κατανόηση των παραγόντων που επηρεάζουν τη συµπεριφορά του µέσου, ώστε να είναι εφικτή και η ουσιαστική αντιµετώπισή τους. Η παρούσα εργασία ακολουθεί µια διαφορετική προσέγγιση για την αξιοποίηση του µέσου, που στοχεύει στην ουσιαστική αντιµετώπιση της χρονικά µεταβαλλόµενης συµπεριφοράς του µέσου, προτείνοντας διαδικασίες και τεχνικές που προσαρµόζουν τη µετάδοση στο υφιστάµενο επικοινωνιακό περιβάλλον. Η ανάπτυξη των διαδικασιών αυτών στηρίχθηκε σε ένα πρότυπο περιβάλλον επικοινωνιών που καλείται pdsl (powerline Digital Subscriber Lines) και προτάθηκε για να αποτελέσει το πλαίσιο, σύµφωνα µε το οποίο αναπτύχθηκαν διαδικασίες ανίχνευσης και προσαρµογής της µετάδοσης στις συνθήκες του καναλιού. Στο pdsl περιβάλλον ορίζονται επικοινωνιακά κανάλια που ισοδυναµούν µε σηµείο-προς-σηµείο ζεύξεις µεταξύ της pdsl πύλης (κεντρική µονάδα του δικτύου και µονάδα διασύνδεσης του τοπικού δικτύου µε άλλα δίκτυα) και των pdsl επικοινωνιακών συσκευών, όπως ονοµάζονται οι ηλεκτρονικές συσκευές που απαιτούν υπηρεσίες µετάδοσης δεδοµένων υψηλών ταχυτήτων. Η ανάπτυξη των τεχνικών µετάδοσης που αντιµετωπίζουν τις συνθήκες που επικρατούν στο επικοινωνιακό µέσο στηρίζεται στο χαρακτηρισµό της συµπεριφοράς του. Πρώτο βήµα της διαδικασίας αυτής αποτελεί η σύνδεση της απόκρισης του καναλιού µετάδοσης µε τα χαρακτηριστικά του δικτύου γραµµών. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε και παρουσιάζεται ένας αλγόριθµος ανάλυσης της πολυοδικής µετάδοσης του σήµατος στο δίκτυο των γραµµών χαµηλής τάσης, ο οποίος προσδιορίζει µε αναλυτικό τρόπο τα προϊόντα της µετάδοσης που πραγµατοποιείται µέσω πολλαπλών διαδροµών στο δίκτυο

και συνθέτει την κρουστική και φασµατική απόκρισή του. Ο αλγόριθµος βασίζεται στην περιγραφή της τοπολογίας, των χαρακτηριστικών µετάδοσης των καλωδίων και των εµπεδήσεων των φορτίων τερµατισµού της. Η εργασία περιλαµβάνει επίσης την ανάπτυξη δύο πειραµατικών µεθοδολογιών µε τις οποίες πραγµατοποιείται η εκτίµηση των χαρακτηριστικών µετάδοσης των καλωδίων χαµηλής τάσης στις υψηλές συχνότητες και της εµπέδησης των ηλεκτρικών φορτίων που συνδέονται στα δίκτυα αυτά. Τα µεγέθη αυτά προκαλούν την εξάρτηση της συµπεριφοράς του µέσου µετάδοσης από τη συχνότητα και το χρόνο και ο προσδιορισµός τους είναι αναγκαίος για την εφαρµογή της ανάλυσης και της πρόβλεψης της συµπεριφοράς του καναλιού µε τη βοήθεια του αλγορίθµου ανάλυσης. Η αξιοπιστία των µεθόδων πιστοποιήθηκε µε τη σύγκριση της πειραµατικής και της θεωρητικής συνάρτησης µεταφοράς των καναλιών που σχηµατίζονται σε πειραµατικές τοπολογίες γραµµών χαµηλής τάσης, οι οποίες κατασκευάστηκαν για το σκοπό αυτό. Στην παρούσα εργασία, η ανάλυση της συµπεριφοράς του µέσου πλαισιώνεται µε τη σχεδίαση και την υλοποίηση ενός εξοµοιωτή πραγµατικού χρόνου του επικοινωνιακού καναλιού, ο οποίος εξοµοιώνει τη χρονικά µεταβαλλόµενη συµπεριφορά του µέσου µε βάση την τοπολογία και τη φόρτιση του. Ο εξοµοιωτής αυτός µπορεί να αποτελέσει πολύτιµο εργαλείο ελέγχου νέων τεχνικών µετάδοσης, κάτω από διαφορετικές συνθήκες επικοινωνίες. Τέλος, µε βάση το χαρακτηρισµό της συµπεριφοράς του επικοινωνιακού µέσου που προηγήθηκε επιχειρείται η ανάπτυξη διαδικασιών που αποσκοπούν στην ανίχνευση των συνθηκών που επικρατούν στο επικοινωνιακό κανάλι και στην προσαρµογή της τεχνικής µετάδοσης σε αυτές, στα πλαίσια της pdsl αρχιτεκτονικής επικοινωνιών. Για την ανίχνευση των συνθηκών µετάδοσης στις επικοινωνιακές ζεύξεις αναπτύχθηκαν δύο επιµέρους διαδικασίες: η αρχική συνθηκοθέτηση του καναλιού, που πραγµατοποιείται κατά την αρχικοποίηση των επικοινωνιακών ζεύξεων και η ενδιάµεση συνθηκοθέτηση που εκτελείται περιοδικά και επανεκτιµά τις συνθήκες του καναλιού κατά τη διάρκεια της µετάδοσης. Η δεύτερη διαδικασία, η οποία υπόκειται σε εξαιρετικά αυστηρούς χρονικούς περιορισµούς, πλαισιώθηκε από µια µέθοδο πρόβλεψης της συµπεριφοράς του µέσου που επιταχύνει και συµπληρώνει τη διαδικασία ενδιάµεσης συνθηκοθέτησης και βασίζεται στη διαθέσιµη πληροφορία εκτίµησης του καναλιού και στον αλγόριθµο ανάλυσης της µετάδοσης στο κανάλι. Η προτεινόµενη διαδικασία προσαρµογής της µετάδοσης στις τρέχουσες συνθήκες που επικρατούν στο κανάλι στοχεύει στην κατάλληλη ανακατανοµή του διαθέσιµου εύρους ζώνης στις επικοινωνιακές ζεύξεις, Η διαδικασία αξιοποιεί την πληροφορία της εκτίµησης των συνθηκών στο µέσο και επιχειρεί να χαρακτηρίσει τα διαθέσιµα υπο-κανάλια ως προς την καταλληλότητα τους για µετάδοση δεδοµένων, ώστε να τα κατανείµει µε βέλτιστο τρόπο στις ζεύξεις, ανάλογα µε τις απαιτήσεις τους σε ρυθµό µετάδοσης.

Στους γονείς µου

Περιεχόµενα ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 1.1. ΟΙ ΓΡΑΜΜΕΣ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΕΝΤΟΣ ΚΤΙΡΙΩΝ ΩΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟ ΜΕΣΟ 1 1.2. Η pdsl ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 4 1.3. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΩΝ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΣΤΟΧΩΝ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 11 ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ 11 2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 11 2.2. ΙΕΘΝΗ ΠΡΟΤΥΠΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ 12 2.3. ΜΕΤΡΗΣΗ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟΥ ΜΕΣΟΥ 14 2.3.1. Μεθοδολογία µετρήσεων και µοντελοποίησης του µέσου 14 2.3.1.1. Μετρητικές διατάξεις και µετρούµενα µεγέθη 16 2.3.2. Θόρυβος 19 2.3.2.1. Περιβάλλων θόρυβος (Background noise) 21 2.3.2.2. Παρεµβολές ηλεκτρικών συσκευών 21 2.3.2.3. Επαγόµενες παρεµβολές στενής ζώνης 23 2.3.3. Εξασθένηση πλάτους 23 2.3.4. Παραµόρφωση φάσης 26 2.3.5. Εµπέδηση του καναλιού 26 2.3.6. Χαρακτηριστική συνάρτηση και µοντελοποίηση των γραµµών 28 2.4. ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΩ ΙΚΟΠΟΙΗΣΗΣ ΚΑΙ ΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ 34 2.4.1. Τεχνικές Κωδικοποίησης 34 2.4.2. Τεχνικές ιαµόρφωσης 35 2.4.2.1. Τεχνικές Στενής Ζώνης 36 i

Περιεχόµενα 2.4.2.2. Τεχνικές ιάχυσης Φάσµατος και Πολύπλεξης στον Κώδικα 37 2.4.2.3. Τεχνικές Πολύπλεξης στη Συχνότητα 39 2.4.2.4. Σύγκριση τεχνικών διαµόρφωσης 41 2.5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 45 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΕΝΤΟΣ ΚΤΙΡΙΩΝ 45 3.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 45 3.2. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΜΕ ΤΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΩΝ ΙΘΥΡΩΝ ΙΚΤΥΩΝ 46 3.2.1. Μεθοδολογία προσδιορισµού της συνάρτησης µεταφοράς του καναλιού 47 3.2.2. Θεωρητικός προσδιορισµός των χαρακτηριστικών παραµέτρων του καλωδίου 50 3.2.3. Υπολογισµός συνάρτησης µεταφοράς σε πειραµατική τοπολογία 53 3.3. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΣΕ ΓΡΑΜΜΗ ΜΗΚΟΥΣ l 54 3.4. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΩΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΙΑ ΡΟΜΩΝ 58 3.4.1. Ανάλυση της µετάδοσης µέσω πολλαπλών διαδροµών 60 3.4.2. Αλγόριθµος προσδιορισµού των πολυοδικών προϊόντων της µετάδοσης 62 3.4.2.1. Περιγραφή του δικτύου γραµµών χαµηλής τάσης 63 3.4.2.2. ιαδικασία υπολογισµού των συντελεστών ανάκλασης 65 3.4.2.3. ιαδικασία υπολογισµού των εµπεδήσεων εισόδου 68 3.4.2.4. Παράδειγµα υπολογισµού των προϊόντων της πολυοδικής µετάδοσης 71 3.4.3. Υπολογισµός της χαρακτηριστικής συµπεριφοράς του καναλιού. 73 3.5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 79 ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΤΩΝ ΚΑΛΩ ΙΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ 79 4.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 79 ii

Περιεχόµενα 4.2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΚΑΛΩ ΙΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ 80 4.2.1. Μετρητική διάταξη και συλλογή µετρήσεων 81 4.2.2. Επεξεργασία µετρήσεων 82 4.2.2.1. Εκτίµηση της µετρούµενης συνάρτησης µεταφοράς της γραµµής _ 82 4.2.2.2. ηµιουργία και επίλυση συστήµατος εξισώσεων 83 4.2.3. Πειραµατικά αποτελέσµατα και έλεγχος της αξιοπιστίας της µεθόδου 85 4.3. ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΜΠΕ ΗΣΗΣ ΗΛΕΚΡΤΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ 89 4.3.1. Μετρητική διάταξη 90 4.3.2. ιαδικασία µετρήσεων 93 4.3.3. Επεξεργασία µετρήσεων - Αλγόριθµος αναγνώρισης φορτίου 94 4.3.3.1. Μέθοδος αναγνώρισης κρουστικής απόκρισης 95 4.3.3.2. Μέθοδος αθροισµένων πολυοδικών προϊόντων του σήµατος 101 4.3.4. Πειραµατικά αποτελέσµατα και ανάλυση της αξιοπιστίας της µεθόδου 104 4.4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 110 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 113 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΟΙΟΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΟΥ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΚΟY ΚΑΝΑΛΙΟY 113 5.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 113 5.2. ΠΕΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ 114 5.2.1. Μεθοδολογία διεξαγωγής και επεξεργασίας των µετρήσεων 115 5.2.2. Επίδραση της τάσης παροχής στην απόκριση του καναλιού 118 5.2.3. Έλεγχος της αξιοπιστίας της θεωρητικής ανάλυσης 118 5.2.4. Μετρήσεις της επίδρασης των φορτίων στη συνάρτηση µεταφοράς 124 5.2.5. Μετρήσεις θορύβου 127 5.3. ΠΟΙΟΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΣΤΟ ΚΑΝΑΛΙ 132 5.3.1. Επίδραση της µεταβαλλόµενης φόρτισης 132 5.3.2. Μελέτη χαρακτηριστικών παραµέτρων της µετάδοσης 137 5.4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 139 iii

Περιεχόµενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 141 ΕΞΟΜΟΙΩΤΗΣ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΩΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟ ΜΕΣΟ 141 6.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 141 6.2. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΕΞΟΜΟΙΩΤΗ ΚΑΝΑΛΙΟΥ 142 6.2.1. Χαρακτηριστικές παράµετροι συµπεριφοράς του καναλιού 143 6.2.2. Αρχιτεκτονική του εξοµοιωτή καναλιού 145 6.3. ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ ΕΞΟΜΟΙΩΤΗ ΚΑΝΑΛΙΟΥ 151 6.4. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΟΥ ΕΞΟΜΟΙΩΤΗ ΚΑΝΑΛΙΟΥ _ 156 6.5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 164 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 167 ΙΑ ΙΚΑΣΙΕΣ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ ΣΤΙΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ 167 7.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 167 7.2. ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΣΤΟ ΚΑΝΑΛΙ 168 7.2.1. ιαδικασία αρχικής συνθηκοθέτησης του καναλιού 169 7.2.1.1. Αναγνώριση απόκρισης καναλιού 170 7.2.1.2. Αναγνώριση συνθηκών θορύβου 173 7.2.1.3. Προσαρµογή αναµενόµενης απόκρισης καναλιού 173 7.2.2. ιαδικασία ενδιάµεσης συνθηκοθέτησης του καναλιού 174 7.2.2.1. Προσδιορισµός των συνθηκών σε ολόκληρο το εύρος ζώνης 176 7.2.3. Παρουσίαση αποτελεσµάτων αναγνώρισης του καναλιού 177 7.3. ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΤΟΥ ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ 182 7.3.1. Ανάπτυξη αλγορίθµου ανακατανοµής του εύρους ζώνης 183 7.3.2. Αποτελέσµατα κριτηρίων ανακατανοµής του εύρους ζώνης 185 7.4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 190 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 193 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ 193 iv

Περιεχόµενα ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α 197 ΙΑ ΙΚΑΣΙA ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΚΟΜΒΙΚΩΝ ΕΜΠΕ ΗΣΕΩΝ 197 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β 205 ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΑΠΤΥΞΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 205 B.1. H ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ ΑΝΑΠΤΥΞΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 205 B.1.1. Υλοποίηση συστήµατος διασύνδεσης µε υπολογιστή 209 B.2. ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ 211 B.1.2. Υλοποίηση συστήµατος ποµποδέκτη 211 B.3. ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΕΞΟΜΟΙΩΤΗ ΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ 215 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 219 v

Περιεχόµενα ΣΧΗΜΑΤΑ Σχήµα 1.1. Η δοµή της πρότυπης αρχιτεκτονικής επικοινωνιών pdsl. 6 Σχήµα 1.2. Οι ζώνες συχνοτήτων µετάδοσης στο pdsl περιβάλλον. 8 Σχήµα 2.1. Το Ευρωπαϊκό πρότυπο της CENELEC. 13 Σχήµα 2.2. Τυπική µετρητική διάταξη. 17 Σχήµα 2.3. Ζευκτικά κυκλώµατα στην περιοχή συχνοτήτων (α) 10-500 khz, (b) 1-70 ΜΗz. 18 Σχήµα 2.4. Μετρητική διάταξη µε χρήση PN Generator. 19 Σχήµα 2.5. ιάγραµµα του καναλιού µε όλα τα είδη των παρεµβολών. 21 Σχήµα 2.6. Τιµές εµπέδησης από µετρήσεις στην Ευρώπη ([18], p.37, Fig.2 Aggregate European powerline impedance ) 28 Σχήµα 2.7. Μοντέλο του καναλιού Ν διαδροµών. 30 Σχήµα 2.8. Αποτελέσµατα µοντέλου Ν διαδροµών ([20], p.16, Fig.3 Transfer function and phase characteristics of measurement and echo model ). 30 Σχήµα 2.9. Μοντέλο καναλιού µε κυκλώµατα συντονισµού σε σειρά. 31 Σχήµα 2.10. Αποτελέσµατα µοντέλου κυκλωµάτων συντονισµού ([20], p.19, Fig.8 Transfer function and phase characteristics of measurement and SRC model ). 31 Σχήµα 2.11. (a) προσέγγιση µετρούµενου θορύβου µε πηγές λευκού θορύβου, (b) πλήρες µοντέλο θορύβου. 32 Σχήµα 2.12. Αποτελέσµατα µοντέλου θορύβου ([20], p.20, Fig.12 Measured noise distribution and noise model ). 32 Σχήµα 2.13. Σύγκριση αποτελεσµάτων µετρήσεων και προτεινόµενου µοντέλου ([21], p.114, Fig.6 Attenuation measurement results for a 130m earth cable link, Fig.7 Simulation results for the earth cable link from Fig. 6 32 Σχήµα 2.14. Σύγκριση αποτελεσµάτων µετρήσεων και προτεινόµενου µοντέλου ([4], p.50, Fig.7 Measurement of the model of the sample network, Fig.8 33 Σχήµα 2.15. ιάγραµµα συστήµατος DS-CDMA. 38 Σχήµα 2.16. ιάγραµµα OFDM συστήµατος. 41 Σχήµα 3.1. Θεωρητικό µοντέλο γραµµής. 47 Σχήµα 3.2. Γενικό µοντέλο διθύρου δικτύου. 48 Σχήµα 3.3. Γενικό µοντέλο διθύρου κυκλώµατος από άκρο-σε-άκρο. 48 Σχήµα 3.4. Γενικό µοντέλο τοπολογίας µε τµήµατα διακλαδώσεων. 49 Σχήµα 3.5. ιατοµή καλωδίου τύπου H05VV-F. 50 Σχήµα 3.6. Παράδειγµα τοπολογίας δικτύου γραµµών χαµηλής τάσης. 53 vi

Περιεχόµενα Σχήµα 3.7. Συνάρτηση µεταφοράς των καναλιών Α-Β, Α-C, A-D της πειραµατικής τοπολογίας. 55 Σχήµα 3.8. ιάγραµµα µετάδοσης σήµατος µέσω γραµµής µήκους l. 56 Σχήµα 3.9. Μοντέλο καθυστερηµένων διακλαδώσεων για την n th συνιστώσα του σήµατος εισόδου. 62 Σχήµα 3.10. Ενδεικτικό διάγραµµα επεξήγησης συµβολισµών. 65 Σχήµα 3.11. ύο χαρακτηριστικές διαδροµές του σήµατος στο κανάλι. 72 Σχήµα 3.12. ιάγραµµα επικοινωνιακού συστήµατος. 73 Σχήµα 3.13. Συναρτήσεις µεταφοράς των καναλιών Τ 1 -Τ 2, Τ 1 -Τ 3 και Τ 1 -Τ 4 της πειραµατικής τοπολογίας. 75 Σχήµα 3.14. Εξάρτηση της απόκρισης του καναλιού Τ 1 -Τ 4 από τη φόρτιση. 76 Σχήµα 3.15. Παρακολούθηση του µεταβατικού φαινοµένου στην έξοδο του καναλιού Τ 1 -Τ 3. 76 Σχήµα 3.16. Κρουστική απόκριση του καναλιού Τ 1 -Τ 3 στα 5 MHz. 77 Σχήµα 4.1. Μετρητική διάταξη χαρακτηρισµού γραµµών χαµηλής τάσης. 81 Σχήµα 4.2. Εκτίµηση της χαρακτηριστικής εµπέδησης (Ζ 0 ) του καλωδίου. 87 Σχήµα 4.3. Εκτίµηση της σταθεράς διάδοσης (γ) του καλωδίου. 87 Σχήµα 4.4. Μετρούµενη και θεωρητική απόκριση γραµµής µήκους 22.3 m. 88 Σχήµα 4.5. Μετρούµενη και θεωρητική απόκριση γραµµής µήκους 53.3 m. 88 Σχήµα 4.6. Μετρητική διάταξη χαρακτηρισµού ηλεκτρικών φορτίων. 90 Σχήµα 4.7. Κυκλωµατικό διάγραµµα του κατωδιαβατού φίλτρου ισχύος. 91 Σχήµα 4.8. Συνάρτηση µεταφοράς του φίλτρου ισχύος. 91 Σχήµα 4.9. Προτεινόµενη συνδεσµολογία ζευκτικού κυκλώµατος. 93 Σχήµα 4.10. Συνάρτηση µεταφοράς προτεινόµενου ζευκτικού κυκλώµατος. 93 Σχήµα 4.11. ιάγραµµα φίλτρου µιγαδικών συντελεστών για το υπο-κανάλι n. 97 Σχήµα 4.12. ιάγραµµα σύγκρισης πειραµατικής και µερικής απόκρισης. 100 Σχήµα 4.13. ιάγραµµα ροής του αλγορίθµου της πρώτης προσέγγισης. 102 Σχήµα 4.14. ιάγραµµα συσχέτισης του σφάλµατος εκτίµησης µε τις τιµές των µεγεθών. 106 Σχήµα 4.15. Τετραγωνικό σφάλµα εκτίµησης της εµπέδησης για F s =100 MHz. 107 Σχήµα 4.16. Τετραγωνικό σφάλµα εκτίµησης της εµπέδησης για F s =70 MHz. 107 Σχήµα 4.17. Τετραγωνικό σφάλµα εκτίµησης της εµπέδησης για F s =50 MHz. 108 Σχήµα 4.18. Τετραγωνικό σφάλµα εκτίµησης της εµπέδησης ως προς τις αποκλίσεις της εκτιµούµενης συνάρτησης µεταφοράς. 109 Σχήµα 4.19. Τετραγωνικό σφάλµα εκτίµησης της εµπέδησης ως προς το πλήθος των υπολογιζόµενων διαδροµών του σήµατος. 109 vii

Περιεχόµενα Σχήµα 5.1. ιάγραµµα των δύο πειραµατικών τοπολογιών δικτύων. 116 Σχήµα 5.2. Συναρτήσεις µεταφοράς καναλιών παρουσία και απουσία τάσης 230V / 50 Hz. 119 Σχήµα 5.3. Σύγκριση θεωρητικής και πειραµατικής συνάρτησης µεταφοράς καναλιών. 121 Σχήµα 5.4. Θεωρητική και µετρούµενη απόκρισης καναλιού Τ 1 - Τ 3 (1-2 MHz). 122 Σχήµα 5.5. Θεωρητική και µετρούµενη απόκρισης καναλιού Τ 1 - Τ 3 (7-8 MHz). 122 Σχήµα 5.6. Θεωρητική και µετρούµενη απόκρισης καναλιού Τ 1 - Τ 5 (1-2 MHz). 123 Σχήµα 5.7. Θεωρητική και µετρούµενη απόκρισης καναλιού Τ 1 - Τ 5 (7-8 MHz). 123 Σχήµα 5.8. Επίδραση χωρητικού φορτίου στη συνάρτηση µεταφοράς του Α-D. 125 Σχήµα 5.9. Επίδραση στην εξασθένηση πλάτους εξαιτίας ενός στεγνωτήρα µαλλιών στο Τ 1. 126 Σχήµα 5.10. Επίδραση στην εξασθένηση πλάτους εξαιτίας ενός τροφοδοτικού Η/Υ στο Τ 1. 127 Σχήµα 5.11. Παρεµβολές στο σηµείο T 3 εξαιτίας 4 ηλεκτρικών φορτίων στο σηµείο Τ 4. 128 Σχήµα 5.12. Παρεµβολές στο σηµείο T 1 εξαιτίας στεγνωτήρα µαλλιών στα σηµεία Τ 2, Τ 3 και Τ 4. 129 Σχήµα 5.13. Παρεµβολές στα σηµεία Τ 1, Τ 3 και Τ 4 εξαιτίας κλιµατιστικού στο σηµείο T 2. 130 Σχήµα 5.14. Παρεµβολές συναρτήσει χρόνου στο Τ 1 εξαιτίας στεγνωτήρα µαλλιών στο Τ 3. 131 Σχήµα 5.15. Παρεµβολές συναρτήσει χρόνου στο Τ 1 εξαιτίας τροφοδοτικού στο Τ 3. _ 131 Σχήµα 5.16. Τοπολογία πολύπλοκου δικτύου γραµµών χαµηλής τάσης. 133 Σχήµα 5.17. Φασµατική απόκριση καναλιών υπό µεταβαλλόµενη φόρτιση. 135 Σχήµα 5.18. Κρουστική απόκριση του καναλιού Τ 1- Τ 4 για τη φόρτιση Φ1. 136 Σχήµα 5.19. Κρουστική απόκριση του καναλιού Τ 1- Τ 4 για τη φόρτιση Φ2. 136 Σχήµα 5.20. Χρονική διασπορά του σήµατος στο κανάλι Τ 1 -Τ 4 για δύο τύπους καλωδίου. 139 Σχήµα 6.1. Αρχιτεκτονική του εξοµοιωτή καναλιού στο πεδίο του χρόνου. 147 Σχήµα 6.2. Εναλλακτική αρχιτεκτονική του εξοµοιωτή στο πεδίο του χρόνου. 148 Σχήµα 6.3. Αρχιτεκτονική του εξοµοιωτή καναλιού στο πεδίο της συχνότητας. 149 Σχήµα 6.4. Λειτουργικό διάγραµµα του υλοποιηµένου εξοµοιωτή καναλιού. 153 Σχήµα 6.5. ιάγραµµα χρονικής εξέλιξης της επεξεργασίας N δειγµάτων. 155 Σχήµα 6.6. Παραδείγµατα τοπολογιών δικτύου (α) απλή (β) σύνθετη. 157 Σχήµα 6.7. Κρουστική απόκριση του καναλιού T 1 -T 3 της τοπολογίας (α) στα 2 ΜHz. 160 viii

Περιεχόµενα Σχήµα 6.8. Κρουστική απόκριση του καναλιού T 2 -T 5 της τοπολογίας (β) στα 2 ΜHz._ 160 Σχήµα 6.9. Εξοµοίωση της χρονικής µεταβολής του καναλιού (β). 161 Σχήµα 6.10. Είσοδος και έξοδος του εξοµοιωτή καναλιού (α). 162 Σχήµα 6.11. Είσοδος και έξοδος του εξοµοιωτή καναλιού (β). 162 Σχήµα 6.12. Παραµόρφωση σήµατος εξόδου καναλιού (α). 163 Σχήµα 6.13. Παραµόρφωση σήµατος εξόδου καναλιού (β). 163 Σχήµα 7.1. Αλγόριθµος υπολογισµού των συντελεστών απόκρισης του καναλιού. 172 Σχήµα 7.2. Τοπολογία πολύπλοκου δικτύου γραµµών χαµηλής τάσης. 178 Σχήµα 7.3. Τύποι ακολουθιών αναγνώρισης. 179 Σχήµα 7.4. Εκτίµηση συντελεστών καναλιού (16k δείγµατα). 179 Σχήµα 7.5. Εκτίµηση συντελεστών καναλιού (16k, 8k, 4k δείγµατα, SNR = 40dB). 180 Σχήµα 7.6. Εκτίµηση συντελεστών καναλιού (2k δείγµατα, δεύτερη ακολουθία). 181 Σχήµα 7.7. Εκτίµηση συντελεστών καναλιού (2k δείγµατα, πρώτη ακολουθία). 181 Σχήµα 7.8. Απόκριση καναλιού Τ 2 Τ 5 για 3 σενάρια φόρτισης (Φ1, Φ2, Φ3). 187 Σχήµα 7.9. Ακατάλληλα υπο-κανάλια του Τ 2 -Τ 1 (απόκλιση 0.5 db, BW=93kHz). 188 Σχήµα 7.10. Ακατάλληλα υπο-κανάλια του Τ 2 -Τ 5 (απόκλιση 0.5 db, BW=93kHz). 188 Σχήµα 7.11. Ακατάλληλα υπο-κανάλια του Τ 2 -Τ 1 (α) για 3 σενάρια φόρτισης. 189 Σχήµα 7.12. Ακατάλληλα υπο-κανάλια του Τ 2 -Τ 5 (b) για 3 σενάρια φόρτισης. 189 Σχήµα Α.1. Τοπολογία δικτύου πριν την αναδιάταξη των κοµβικών σηµείων (α) και µετά (β). 202 Σχήµα Β.1. Αρχιτεκτονική της αναπτυξιακής πλατφόρµας. 208 Σχήµα Β.2. Λειτουργικό διάγραµµα του συστήµατος διασύνδεσης µε υπολογιστή. 210 Σχήµα Β.3. οµικό διάγραµµα του υβριδικού συστήµατος µετάδοσης. 212 Σχήµα Β.4. Λειτουργικό διάγραµµα του συστήµατος του ποµποδέκτη. 214 Σχήµα Β.5. οµή των επιµέρους µονάδων του εξοµοιωτή καναλιού. 217 ΠΙΝΑΚΕΣ Πίνακας 3.1. Προϊόντα 3 διαδροµών του καναλιού σε διάφορες συχνότητες. 73 Πίνακας 7.1. Επιλογή εύρους BW max µε το κριτήριο µέγιστης απόκλισης ισχύος. 186 Πίνακας Β.1. οµή των καταχωρητών της διασύνδεσης (PCMCIA). 210 ix

x

ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ γ α β v ω δ U in Ζ 0 Z in Ζ L Ζ T i Ζ Ζ l i τ i XY i j in XY i j σταθερά διάδοσης σταθερά απόσβεσης σταθερά φάσης φασική ταχύτητα κυκλική συχνότητα επιδερµικό βάθος τάση εισόδου χαρακτηριστική εµπέδηση εµπέδηση εισόδου εµπέδηση φορτίου εµπέδηση φορτίου στο τερµατικό σηµείο Τ i συνολική εµπέδηση στο σηµείο X i για σήµα προερχόµενο από το σηµείο Y j εµπέδηση εισόδου στον κλάδο που σχηµατίζεται από το σηµείο Y j προς το σηµείο X i µήκος διαδροµής i καθυστέρηση διάδοσης διαδροµής i l XY µήκος γραµµής από το σηµείο Y i j j προς το σηµείο X i ρ τ XY i j XY i j συντελεστής ανάκλασης σήµατος που κατευθύνεται από το σηµείο Y j προς το σηµείο X i συντελεστής διάδοσης σήµατος που κατευθύνεται από το σηµείο Y j προς το σηµείο X i jθ re in in παράγοντας ανακλάσεων διαδροµής i στο υπο-κανάλι n -ani l e παράγοντας απωλειών διαδροµής i στο υπο-κανάλι n pcf in tcf n µιγαδικός συντελεστής διαδροµής i στο υπο-κανάλι n συνολικός µιγαδικός συντελεστής στο υπο-κανάλι n xi

xii

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 11 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. ΟΙ ΓΡΑΜΜΕΣ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ ΕΝΤΟΣ ΚΤΙΡΙΩΝ ΩΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΟ ΜΕΣΟ Στην εποχή της συνεχούς αύξησης της χρήσης του διαδικτύου (Internet) και της διαρκούς εξάπλωσης του λεγόµενου έξυπνου σπιτιού, όπου το οικιακό περιβάλλον ή το γραφείο είναι πλήρως εξοπλισµένα µε ηλεκτρονικούς υπολογιστές και κάθε είδους ψηφιακές συσκευές, η ζήτηση για υπηρεσίες µετάδοσης δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες αυξάνεται ραγδαία. Το γεγονός αυτό δηµιούργησε την ανάγκη για εκµετάλλευση κάθε µορφής εναλλακτικού µέσου µετάδοσης για τη δηµιουργία ενός τοπικού δικτύου επικοινωνιών στο εσωτερικό των κτιρίων, το οποίο να παρέχει υπηρεσίες ευρείας ζώνης και σύνδεση µε τα παγκόσµια δίκτυα κορµού. Στα πλαίσια αυτής της διερεύνησης, οι γραµµές χαµηλής τάσης εντός κτιρίων έχουν συγκεντρώσει αρκετό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια. Μέχρι πρόσφατα, τα δίκτυα αυτά χρησιµοποιούταν σχεδόν αποκλειστικά για τη µεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας και σε ελάχιστες περιπτώσεις για υπηρεσίες µετάδοσης δεδοµένων ελέγχου σε χαµηλές συχνότητες. Ωστόσο, η σύγχρονη τεχνολογία δηµιουργεί τις προϋποθέσεις αξιοποίησής τους για την παροχή επικοινωνιών ευρέως φάσµατος µε υψηλές ταχύτητες µετάδοσης δεδοµένων. Μπορούµε ενδεικτικά να αναφέρουµε ορισµένα πολύ σηµαντικά πλεονεκτήµατα που καθιστούν τη χρήση των δικτύων χαµηλής τάσης εντός κτιρίων, ως επικοινωνιακό µέσο, εξαιρετικά ενδιαφέρουσα: Μηδενικό κόστος εγκατάστασης δικτύου. Σηµαντική πυκνότητα σηµείων πρόσβασης στο δίκτυο (ηλεκτρικές πρίζες) σε σχέση µε οποιοδήποτε άλλο µέσο. 1

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Ύπαρξη εγκατεστηµένου δικτύου ακόµα και σε σηµεία που δεν υπάρχουν άλλου είδους καλωδιώσεις ούτε ασύρµατη κάλυψη. Υποχρεωτική σύνδεση των περισσότερων συσκευών στο δίκτυο, προκειµένου να τροφοδοτούνται µε ηλεκτρική ενέργεια. Είναι σηµαντικό να τονίσουµε ότι η σύγχρονη τεχνολογία που αφορά τα συστήµατα µετάδοσης επιτρέπει τη δηµιουργία χαµηλού κόστους εξοπλισµού για τη µετάδοση δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες µέσω των γραµµών χαµηλής τάσης, ώστε η τεχνολογία επικοινωνιών που χρησιµοποιεί το µέσο αυτό να είναι ανταγωνιστική ως προς τις εναλλακτικές τεχνολογίες που χρησιµοποιούνται σήµερα στο περιβάλλον εντός κτιρίων (ασύρµατες επικοινωνίες, µετάδοση µέσω δισύρµατων γραµµών και οµοαξονικών καλωδίων κ.α.). Από την άλλη πλευρά, εξαιτίας του προσανατολισµού των δικτύων αυτών στη µεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, η χρήση τους ως µέσο µετάδοσης ψηφιακών δεδοµένων θα πρέπει να αντιµετωπίσει τις αντίξοες συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων, οι οποίες πρόκειται να χρησιµοποιηθούν (1-30 MHz περίπου). Τα κυριότερα χαρακτηριστικά των γραµµών αυτών ως επικοινωνιακό µέσο, που πρέπει να αντιµετωπιστούν από ένα τηλεπικοινωνιακό σύστηµα είναι τα εξής: 1. Η εξασθένηση πλάτους, η οποία οφείλεται στη µετάδοση του σήµατος στις γραµµές και εντείνεται λόγω της διάδοσης µέσω πολλαπλών διαδροµών στα δίκτυα αυτά, επηρεάζει την απαραίτητη ισχύ εκποµπής των µεταδιδόµενων σηµάτων, µε διαφορετικό τρόπο ανάλογα µε τη συχνότητά τους. 2. Η παραµόρφωση φάσης, η οποία σχετίζεται µε την καθυστέρηση οµάδας και έµµεσα µε το µέγιστο µήκος συµβόλου που µπορεί να µεταδοθεί (µε ή χωρίς εξισορρόπηση) και επηρεάζει επίσης, το είδος της τεχνικής διαµόρφωσης και συγχρονισµού που θα χρησιµοποιηθεί. 3. Η ποικιλία των εµπεδήσεων του µέσου µετάδοσης στα σηµεία εκποµπής και λήψης του σήµατος, λόγω των διαφορετικών τύπων καλωδίων που χρησιµοποιούνται και των φορτίων που συνδέονται στο δίκτυο, η οποία επηρεάζει την ικανότητα προσαρµογής των διατάξεων των ποµποδεκτών του συστήµατος. 4. Ο θόρυβος που εµφανίζεται εξαιτίας των συνδεδεµένων ηλεκτρικών φορτίων ή επάγεται στις γραµµές από το περιβάλλον τους, µε σηµαντικότερα χαρακτηριστικά του την ύπαρξη χρωµατισµένου περιβάλλοντος θορύβου (colored background noise), κρουστικού θορύβου (impulsive noise) και παρεµβολών στενής ζώνης (narrow band 2

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή noise). Ο θόρυβος που επικρατεί στο µέσο επηρεάζει τις τεχνικές κωδικοποίησης και διαµόρφωσης που θα χρησιµοποιηθούν για την αποτελεσµατική αντιµετώπισή του. Επίσης, το µέσο µετάδοσης εκτός από µεταβαλλόµενη συµπεριφορά συναρτήσει της συχνότητας, εξαιτίας των φυσικών χαρακτηριστικών των καλωδίων και της πολυοδικής διάδοσης του σήµατος, παρουσιάζει και χρονική µεταβολή της, η οποία οφείλεται στις αλλαγές της φόρτισης του δικτύου. Οι χρονικές µεταβολές των συνθηκών που επικρατούν στο µέσο προκαλούνται τόσο από τη σύνδεση και την αποσύνδεση των ηλεκτρικών φορτίων, όσο και από τη µεταβολή των χαρακτηριστικών τους συναρτήσει της κατάστασης λειτουργίας τους. Τα φορτία αυτά επηρεάζουν χρονικά την απόκριση των επικοινωνιακών καναλιών µέσω της εµπέδησης που εµφανίζουν στα σηµεία τερµατισµού του δικτύου, αλλά και µεταβάλουν τα επίπεδα θορύβου στο δίκτυο. Τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί έντονο επιστηµονικό ενδιαφέρον που αφορά το χαρακτηρισµό της συµπεριφορά του µέσου και την αντιµετώπιση των παραπάνω χαρακτηριστικών µε στόχο τη βελτίωση της απόδοσης του συστήµατος µετάδοσης. Σε δηµοσιευµένες εργασίες, έχει προταθεί η µοντελοποίηση του επικοινωνιακού µέσου, που στηρίζεται σε εµπειρικό προσδιορισµό των παραµέτρων της, µέσω µετρήσεων σε πρακτικά δίκτυα γραµµών. Ως αποτέλεσµα, έχει σκιαγραφηθεί το είδος της συµπεριφοράς του, χωρίς όµως να έχει προσδιοριστεί ένα γενικά αποδεκτό µοντέλο του. Επίσης, η συµπεριφορά του µέσου µετάδοσης δεν έχει συνδεθεί άµεσα µε τους φυσικούς παράγοντες που την προκαλούν, κάτι που θα βοηθούσε στην καλύτερη κατανόησή της και στην ανάπτυξη µεθόδων που την αντιµετωπίζουν µε βέλτιστο τρόπο. Επιπρόσθετα, τα χαρακτηριστικά µετάδοσης των καλωδίων χαµηλής τάσης συνήθως προσδιορίζονται µε προσεγγιστικές-αναλυτικές σχέσεις που, λόγω των αναπόφευκτων απλοποιήσεων του µοντέλου που χρησιµοποιούν, δεν ανταποκρίνονται µε την απαιτούµενη ακρίβεια στις πραγµατικές τιµές τους. Επίσης, λόγω της δυσκολίας µέτρησης της εµπέδησης των ηλεκτρικών φορτίων στις υψηλές συχνότητες συναρτήσει της κατάστασης λειτουργίας τους, η πληροφορία αυτή δεν είναι διαθέσιµη στη διεθνή βιβλιογραφία. Από την άλλη πλευρά, έχει διερευνηθεί η εφαρµογή σύγχρονων τεχνικών κωδικοποίησης και διεµπλοκής (interleaving), προκειµένου να χρησιµοποιηθούν οι συνθήκες θορύβου που επικρατούν στο επικοινωνιακό µέσο µε αρκετή επιτυχία και πολλά περιθώρια βελτίωσης. Στο ίδιο πλαίσιο, µελετούνται αποτελεσµατικές τεχνικές µετάδοσης µε στόχο την αύξηση της απόδοσης του συστήµατος µετάδοσης ευρείας ζώνης. Το διεθνές ενδιαφέρον επικεντρώνεται σε τεχνικές που πραγµατοποιούν διαχωρισµό των καναλιών µετάδοσης στη συχνότητα (Frequency Division Multiple Access), όπως η OFDM 3

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή (Orthogonal Frequency Division Multiplex) και η DMT (Discrete Multi-Tone) µε διαµόρφωση πλάτους QAM ή φάσης QPSK. Οι τεχνικές αυτές επιτυγχάνουν υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης δεδοµένων µερικών Mbps, µε µελλοντική πρόβλεψη για συστήµατα που θα αγγίζουν ρυθµούς αρκετών δεκάδων Mbps. Από τα παραπάνω γίνεται αντιληπτό ότι προκειµένου να αναπτυχθούν διαδικασίες και αλγόριθµοι που αντιµετωπίζουν τη συµπεριφορά του µέσου καθώς µεταβάλλεται στο χρόνο και στη συχνότητα, είναι χρήσιµο να προσδιοριστεί σαφώς το επικοινωνιακό περιβάλλον, στο οποίο θα εφαρµοστούν. Για το σκοπό αυτό, στην παρούσα διατριβή προτείνεται η πρότυπη αρχιτεκτονική επικοινωνιών που καλείται pdsl (power-line Digital Subscriber Lines), η οποία µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να περιγράψει το περιβάλλον µετάδοσης δεδοµένων υψηλών ταχυτήτων εντός κτιρίων. Με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης του συστήµατος µετάδοσης στο pdsl επικοινωνιακό περιβάλλον αναπτύχθηκαν διαδικασίες που επιτρέπουν την εφαρµογή προσαρµοζόµενων τεχνικών µετάδοσης. Οι διαδικασίες αυτές ανιχνεύουν περιοδικά τις συνθήκες που επικρατούν στο µέσο και µεταβάλλουν κατάλληλες παραµέτρους της τεχνικής µετάδοσης, ώστε να βελτιώνεται η αξιοποίηση των διαθέσιµων καναλιών, να µειώνονται οι ρυθµοί εµφάνισης λαθών και να αυξάνεται η ταχύτητα µετάδοσης. Οι διαδικασίες δυναµικής προσαρµογής της µετάδοσης βασίστηκαν στην ανάλυση της πολυοδικής διάδοσης του σήµατος στα δίκτυα γραµµών χαµηλής τάσης και τη σύνδεση της απόκρισης των επικοινωνιακών καναλιών µε τα φυσικά χαρακτηριστικά της τοπολογίας, των καλωδίων και των τερµατικών φορτίων του δικτύου. Η πρότυπη αρχιτεκτονική επικοινωνιών pdsl, που αποτελεί τη βάση για την ανάπτυξη όλων των παραπάνω διαδικασιών, παρουσιάζεται λεπτοµερώς στην επόµενη παράγραφο και ακολουθείται από την οργάνωση των επιµέρους στόχων της παρούσας εργασίας, µε σκοπό την παρουσίαση των αποτελεσµάτων που προέκυψαν κατά τη διάρκεια εκτέλεσή της. 1.2. Η pdsl ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Η αρχιτεκτονική επικοινωνιών pdsl προσδιορίζει µια νέα µορφή επικοινωνιών υψηλής ταχύτητας στο περιβάλλον εντός κτιρίων στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων (πέραν του 1 MHz). Στόχος της είναι η εκµετάλλευση του ήδη εγκατεστηµένου δικτύου γραµµών χαµηλής τάσης για την παροχή υπηρεσιών µετάδοσης δεδοµένων µε υψηλές απαιτήσεις σε ταχύτητα και διαθέσιµο εύρος ζώνης, όπως υπηρεσίες τηλεδιάσκεψης (video 4

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή conferencing), πολυµέσων µε αλληλεπίδραση (interactive multimedia), διαδικτύου µε υψηλή ταχύτητα πρόσβασης (fast internet) κ.α.. Πρόκειται για ένα υβριδικό περιβάλλον επικοινωνιών που υλοποιεί το τοπικό δίκτυο στο εσωτερικό των κτιρίων µέσω γραµµών χαµηλής τάσης και αξιοποιεί τις σύγχρονες τεχνολογίες µετάδοσης που καλύπτουν το λεγόµενο last mile των επικοινωνιακών δικτύων (τεχνολογίες xdsl, ασύρµατες ή οπτικής ίνας), για τη σύνδεση µε το ευρύ δίκτυο κορµού (backbone network). Η δοµή αυτή παρουσιάζεται στο Σχήµα 1.1. Η αρχιτεκτονική pdsl σχετίζεται άµεσα µε την ανάγκη περιγραφής του επικοινωνιακού πλαισίου, στο οποίο η µετάδοση δεδοµένων υψηλών ταχυτήτων είναι εφικτή µέσω της ανάπτυξης τεχνικών που επιτρέπουν την αντιµετώπιση των συνθηκών πολυόδευσης του σήµατος και των παρεµβολών που εµφανίζονται στο δίκτυο. Στη συνέχεια, περιγράφεται αναλυτικά η δοµή και οι αρχές λειτουργίας του pdsl δικτύου, στο οποίο θα µπορούσαν να εφαρµοστούν οι διαδικασίες ανίχνευσης και προσαρµογής της µετάδοσης στις συνθήκες του καναλιού. Η pdsl αρχιτεκτονική ορίζει τη δηµιουργία σηµείο-προς-σηµείο επικοινωνιακών ζεύξεων µεταξύ της pdsl πύλης (Gateway) και των pdsl επικοινωνιακών συσκευών. Η pdsl πύλη είναι η κεντρική επικοινωνιακή µονάδα του pdsl δικτύου και διασυνδέει το τοπικό επικοινωνιακό δίκτυο µε τον εξωτερικό κόσµο. Στην pdsl πύλη εκτελούνται οι λειτουργίες συντονισµού των διαδικασιών µετάδοσης και πραγµατοποιείται ο κεντρικοποιηµένος έλεγχος και η ρύθµιση των παραµέτρων τους. Από την άλλη πλευρά, pdsl συσκευές καλούνται όλες οι ψηφιακές συσκευές που χρησιµοποιούν υπηρεσίες µετάδοσης δεδοµένων υψηλών ταχυτήτων. Σε κάθε επικοινωνιακή ζεύξη η µετάδοση πραγµατοποιείται µέσω πολλών διαφορετικών διαδροµών του σήµατος µέσα στο δίκτυο, οι οποίες συνδέουν το ένα επικοινωνιακό άκρο µε το άλλο. Η συµπεριφορά των επικοινωνιακών καναλιών, σύµφωνα µε την περιγραφή της προηγούµενης παραγράφου, παρουσιάζει εξάρτηση τόσο από τη συχνότητα, όσο και από το χρόνο, γεγονός που θα µπορούσε να αντιµετωπισθεί µε την εφαρµογή δυναµικά προσαρµοζόµενων τεχνικών µετάδοσης, ανάλογα µε τις τρέχουσες συνθήκες που επικρατούν στο κανάλι. Στο σηµείο αυτό, θα ήταν χρήσιµο να περιγράψουµε λεπτοµερώς τα είδη των συσκευών που βρίσκονται συνδεδεµένες στο δίκτυο. Οι συσκευές αυτές µπορούν να διαχωριστούν σε δύο βασικές κατηγορίες, δηλαδή σε εκείνες που απαιτούν σύνδεση µέσω ενός δικτύου µετάδοσης δεδοµένων υψηλών ταχυτήτων και σε όσες δε χρειάζονται τέτοιου είδους υπηρεσία. Είναι προφανές ότι η πρώτη κατηγορία αναφέρεται στις λεγόµενες pdsl συσκευές, ενώ η δεύτερη αφορά όλα τα υπόλοιπα ηλεκτρικά φορτία του δικτύου. Στην πρώτη κατηγορία, η ηλεκτρονική / ηλεκτρική συσκευή τροφοδοτείται από το δίκτυο παροχής ηλεκτρικής ενέργειας και ταυτόχρονα το χρησιµοποιεί για τη µετάδοση 5

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Backbone Last Mile Indoor PLC pdsl printer pdsl computer Shopping / Banking Internet Video on Demand Broadband Network Wireless Comm. Tower pdsl Gateway non-pdsl device pdsl link Power Line Network non-pdsl device Telemedicine Video conferencing xdsl Central Office pdsl TV non-pdsl device pdsl camera Σχήµα 1.1. Η δοµή της πρότυπης αρχιτεκτονικής επικοινωνιών pdsl. δεδοµένων µε υψηλό ρυθµό. Η σύνδεσή της στο pdsl δίκτυο γίνεται µέσω ενός pdsl modem που συνδέεται παράλληλα µε το τροφοδοτικό της συσκευής σε οποιαδήποτε ηλεκτρική πρίζα. Ως αποτέλεσµα της παράλληλης αυτής σύνδεσης οι επικοινωνιακές συσκευές αποκτούν ένα πολύ σηµαντικό χαρακτηριστικό. Στη γενική περίπτωση που το τροφοδοτικό της συσκευής παρουσιάζει σχετικά µεγάλη τιµή εµπέδησης στις υψηλές συχνότητες, η εµπέδηση του pdsl modem, η οποία προσεγγίζει τη χαρακτηριστική εµπέδηση του καλωδίου και είναι σχετικά µικρή, εµφανίζεται κυρίαρχη στη συνολική εµπέδηση που προκύπτει από τον παραλληλισµό τους. Έτσι, µπορούµε να θεωρήσουµε ότι οι pdsl συσκευές (συµπεριλαµβανοµένης και της πύλης) παρουσιάζουν εµπεδήσεις περίπου ίσες µεταξύ τους. Το γεγονός αυτό, µετατρέπει τα επικοινωνιακά κανάλια σε συµµετρικές ζεύξεις που παρουσιάζουν την ίδια απόκριση στις δύο κατευθύνσεις µετάδοσης. Η παρατήρηση αυτή ισχύει, καθώς έχει αποδειχθεί ότι, παρά τη µη συµµετρική δοµή της τοπολογίας και της φόρτισης του δικτύου, αν οι εµπεδήσεις των δύο επικοινωνιακών άκρων ενός καναλιού είναι ίσες µεταξύ τους, τότε το κανάλι είναι συµµετρικό [77]. Η ιδιότητα αυτή θα αποδειχθεί εξαιρετικά χρήσιµη όταν θα συζητηθούν οι διαδικασίες ανίχνευσης των συνθηκών που επικρατούν στο κανάλι, διότι η ύπαρξη συµµετρίας επιτρέπει τη χρήση της εκτίµησης της συµπεριφοράς του καναλιού στη µία κατεύθυνση µετάδοσης και στην αντίθετη κατεύθυνση. Στη δεύτερη κατηγορία, ανήκουν όλες οι ηλεκτρικές συσκευές του δικτύου που τροφοδοτούνται από αυτό µε ηλεκτρική ενέργεια και δεν απαιτούν µετάδοση δεδοµένων σε υψηλές συχνότητες. Κατά τα άλλα, οι συσκευές αυτές µπορούν να χρησιµοποιούν τις 6

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή γραµµές χαµηλής τάσης για µετάδοση δεδοµένων σε χαµηλές συχνότητες (π.χ. για υπηρεσίες αποµακρυσµένου ελέγχου), χωρίς αυτή η επικοινωνία να εµπλέκεται µε το pdsl περιβάλλον επικοινωνιών. Οι συσκευές αυτές παρουσιάζουν εµπεδήσεις που κυµαίνονται από µερικά Ohm σε µερικά kohm, µε ποικίλα χωρητικά ή επαγωγικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, ανάλογα µε την κατάσταση λειτουργίας τους, ορισµένες από αυτές µεταβάλλουν την εµπέδηση που εµφανίζουν, ενώ εµφανίζονται ακόµα ως πηγές χρονικά µεταβαλλόµενων παρεµβολών. Τέλος, έχουν τη δυνατότητα σύνδεσης και αποσύνδεσης σε διάφορα σηµεία του δικτύου, γεγονός που επίσης µεταβάλλει τα χαρακτηριστικά της φόρτισής του. Τα παραπάνω έχουν ως αποτέλεσµα τη χρονικά µεταβαλλόµενη συµπεριφορά του δικτύου των γραµµών χαµηλής τάσης που επηρεάζει ποικιλοτρόπως τα επικοινωνιακά κανάλια. Εποµένως, η βελτίωση της απόδοσης του επικοινωνιακού συστήµατος εξαρτάται σηµαντικά και από τη δυνατότητα προσαρµογής της µετάδοσης στις τρέχουσες συνθήκες του καναλιού. Λόγω της χρονικής µεταβολής του µέσου, η ανίχνευση των συνθηκών πρέπει να πραγµατοποιείται περιοδικά, σε σύντοµα χρονικά διαστήµατα, σε αντίθεση µε σύγχρονα συστήµατα µετάδοσης που ανιχνεύουν τις συνθήκες του καναλιού µόνο µία φορά και µόνο κατά την εγκατάσταση της σύνδεσης και πραγµατοποιούν επανέλεγχο όταν αυξηθεί ο ρυθµός εµφάνισης λαθών (BER) κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Οι διαδικασίες συνθηκοθέτησης του καναλιού (channel training) που αναπτύχθηκαν ειδικά για την περίπτωση του δικτύου αυτού θα περιγραφούν µε λεπτοµέρεια στο έβδοµο κεφάλαιο. Η pdsl αρχιτεκτονική επικοινωνιών ορίζει επίσης τις συχνότητες µετάδοσης που θα χρησιµοποιηθούν στο περιβάλλον αυτό και οι οποίες ανήκουν σε δύο ξεχωριστές περιοχές. Αφενός, η µετάδοση των πληροφοριακών δεδοµένων πραγµατοποιείται στη ζώνη υψηλών συχνοτήτων που καλείται Κανάλι Επικοινωνιών (Communications Channel) και βρίσκεται πέραν του 1 MHz και αφετέρου, η µετάδοση δεδοµένων ελέγχου γίνεται σε χαµηλότερες συχνότητες και µε µικρότερες ταχύτητες, µέσω του λεγόµενου Καναλιού Ελέγχου (Control Channel) που βρίσκεται στην περιοχή των khz. Ο διαχωρισµός των παραπάνω περιοχών συχνοτήτων παρουσιάζεται στο Σχήµα 1.2. Οι επικοινωνιακές συσκευές του δικτύου έχουν τη δυνατότητα µετάδοσης και στις δύο ζώνες συχνοτήτων, προφανώς εφαρµόζοντας διαφορετικές τεχνικές µετάδοσης σε κάθε περίπτωση. Το κανάλι ελέγχου χρησιµοποιείται κατά την αρχικοποίηση των επικοινωνιακών ζεύξεων για την ανταλλαγή παραµέτρων, οι οποίες ρυθµίζουν τη µετάδοση που θα χρησιµοποιηθεί στο κανάλι επικοινωνιών. Όταν εφαρµόζονται διαδικασίες περιοδικής ανίχνευσης των συνθηκών στο µέσο, το κανάλι ελέγχου χρησιµοποιείται για τη µεταφορά των πληροφοριών εκτίµησης που προκύπτουν. 7

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Κανάλι Ελέγχου Κανάλι Επικοινωνιών 1 MHz Frequency Σχήµα 1.2. Οι ζώνες συχνοτήτων µετάδοσης στο pdsl περιβάλλον. Από την άλλη πλευρά, το κανάλι επικοινωνιών είναι χωρισµένο σε ένα µεγάλο αριθµό υπο-καναλιών, τα οποία κατανέµονται κατάλληλα στις αµφίδροµες επικοινωνιακές ζεύξεις που είναι ενεργές ταυτόχρονα στο δίκτυο. Οποτεδήποτε µία νέα ζεύξη ενεργοποιηθεί, ή µία άλλη απενεργοποιηθεί, τότε η κατανοµή αυτή θα πρέπει να αλλάξει. Η διάθεση των υπο-καναλιών στις ενεργές ζεύξεις, εξαρτάται από τις ιδιαίτερες απαιτήσεις τους σε ταχύτητα µετάδοσης και εύρος ζώνης, αλλά και από τις συνθήκες που επικρατούν σε κάθε µία από αυτές. Ο λόγος αυτός απαιτεί τη διερεύνηση της ανακατανοµής του διαθέσιµου εύρους ζώνης στις ζεύξεις, κάθε φορά που οι συνθήκες µετάδοσης αλλάζουν και µε τον τρόπο αυτό να πραγµατοποιείται η επιθυµητή προσαρµογή της µετάδοσης στις νέες συνθήκες. Οι διαδικασίες που επιχειρούν το χαρακτηρισµό των υπο-καναλιών σε κατάλληλα ή ακατάλληλα προς χρήση σε κάθε ζεύξη, καθώς και οι αλγόριθµοι που επιλέγουν τη βέλτιστη κατανοµή των υπο-καναλιών, αναπτύσσονται επίσης στο έβδοµο κεφάλαιο. Εποµένως, όπως είναι ήδη εµφανές, η περιγραφή του επικοινωνιακού περιβάλλοντος pdsl δίνει το έναυσµα για την ανάπτυξη δυναµικά προσαρµοζόµενων τεχνικών µετάδοσης, µε στόχο την ταχύτερη και περισσότερο αξιόπιστη µετάδοση των πληροφοριακών δεδοµένων µέσω των γραµµών χαµηλής τάσης εντός κτιρίων. 1.3. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΩΝ ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΣΤΟΧΩΝ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Από τη συνοπτική παρουσίαση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της συµπεριφοράς του επικοινωνιακού µέσου, αλλά και την περιγραφή της pdsl αρχιτεκτονικής επικοινωνιών δηµιουργήθηκαν ορισµένες ανάγκες τόσο σε ότι αφορά την ανάλυση και τον χαρακτηρισµό της συµπεριφοράς του µέσου, όσο και σε σχέση µε την ανάπτυξη ευέλικτων διαδικασιών που αντιµετωπίζουν τις συνθήκες που επικρατούν στο κανάλι. Με τον τρόπο αυτό προέκυψαν και οργανώθηκαν οι επιµέρους στόχοι της παρούσας εργασίας. 8

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή Αρχικά, ήταν απαραίτητη η λεπτοµερής επισκόπηση της σύγχρονης επιστηµονικής γνώσης που σχετίζεται µε τη χρήση των γραµµών χαµηλής τάσης ως επικοινωνιακό µέσο. Τα σηµαντικότερα αποτελέσµατα που προέκυψαν από τη διαδικασία αυτή παρουσιάζονται στο δεύτερο κεφάλαιο της εργασίας. Στη συνέχεια µε κίνητρο τη ανάγκη συσχέτισης της συµπεριφοράς του µέσου µε τα χαρακτηριστικά της τοπολογίας του δικτύου, των καλωδίων και των φορτίων που συνδέονται σε αυτό, πραγµατοποιήθηκε η ανάλυση της µετάδοσης του σήµατος στο περιβάλλον πολλαπλών διαδροµών που δηµιουργούν τα δίκτυα αυτά. Ο αλγόριθµος ανάλυσης της συµπεριφοράς του καναλιού που αναπτύχθηκε, παρουσιάζεται στο τρίτο κεφάλαιο και αποτελεί τη βάση για τις διαδικασίες εκτίµησης της συµπεριφοράς του µέσου, οι οποίες χρησιµοποιήθηκαν σε επιµέρους στάδια και παρουσιάζονται σε πολλά σηµεία της εργασίας αυτής. Ο παραπάνω αλγόριθµος ανάλυσης της πολυοδικής µετάδοσης του σήµατος πλαισιώθηκε µε δύο πρωτότυπες µεθοδολογίες µέτρησης και εκτίµησης τόσο των χαρακτηριστικών µετάδοσης των καλωδίων χαµηλής τάσης σε υψηλές συχνότητες, όσο και της εµπέδησης των ηλεκτρικών φορτίων που συνδέονται στο δίκτυο, συναρτήσει της κατάστασης λειτουργίας τους. Οι µεθοδολογίες αυτές περιγράφονται αναλυτικά στο τέταρτο κεφάλαιο. Με στόχο την πιστοποίηση της αξιοπιστίας του αλγορίθµου ανάλυσης πραγµατοποιήθηκε µία πειραµατική εκτίµηση και µελέτη της συµπεριφοράς του µέσου σε δύο πρακτικές τοπολογίες δικτύων και τα αποτελέσµατα που προέκυψαν παρουσιάζονται στο πέµπτο κεφάλαιο. Η µελέτη αυτή επεκτάθηκε επίσης στην παρατήρηση των παραγόντων που επηρεάζουν τη συµπεριφορά αυτή, όπως τα συνήθη ηλεκτρικά φορτία και η ύπαρξη εναλλασσόµενης τάσης (230 V / 50 Hz) και στη διερεύνηση της εξάρτησης των παρεµβολών που παράγουν τα φορτία συναρτήσει του χρόνου. Η πειραµατική διαδικασία πλαισιώθηκε από ποιοτική ανάλυση της συµπεριφοράς του επικοινωνιακού καναλιού, µε τη βοήθεια του αλγορίθµου ανάλυσης, που επιτρέπει τη βαθύτερη κατανόηση των χαρακτηριστικών του και τον προσδιορισµό σηµαντικών επικοινωνιακών παραµέτρων, όπως η χρονική διασπορά του σήµατος, η οποία επηρεάζει έµµεσα το ρυθµό µετάδοσης στο µέσο. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ένας εξοµοιωτής καναλιού πραγµατικού χρόνου που υλοποιήθηκε για να αποτελέσει εργαλείο ελέγχου των τεχνικών µετάδοσης κάτω από οποιεσδήποτε επικοινωνιακές συνθήκες. Το σύστηµα που παρουσιάζεται, εξοµοιώνει τη χρονικά µεταβαλλόµενη συµπεριφορά ενός καναλιού σηµείο-προς-σηµείο σε µια 9

Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή οποιαδήποτε τοπολογία γραµµών χαµηλής τάσης, κάτω από µεταβαλλόµενες συνθήκες φόρτισης. Στο έβδοµο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι προτεινόµενες διαδικασίες περιοδικής ανίχνευσης των συνθηκών που επικρατούν σε κάθε επικοινωνιακή ζεύξη στο pdsl περιβάλλον, µε σκοπό την αξιοποίηση της εκτίµησης για την κατάλληλη προσαρµογή της τεχνικής µετάδοσης στις συνθήκες αυτές. Στο ίδιο κεφάλαιο, προτείνεται διαδικασία ανακατανοµής του διαθέσιµου εύρους ζώνης στις ενεργές ζεύξεις, ανάλογα µε τις τρέχουσες συνθήκες των καναλιών, ως εναλλακτικός τρόπος προσαρµογής του συστήµατος µετάδοσης στις χρονικές µεταβολές του επικοινωνιακού µέσου. Η παρούσα εργασία ολοκληρώνεται µε το όγδοο κεφάλαιο, όπου παρατίθενται τα συµπεράσµατα που προέκυψαν καθ όλη τη διάρκεια της εκτέλεσής της και αναφέρονται ενδεικτικά θέµατα που παραµένουν ανοιχτά προς διερεύνηση, ιδιαίτερα όσα προκύπτουν ως άµεση επέκταση της εργασίας αυτής. Τέλος, στο παράρτηµα Α περιγράφεται η µέθοδος που χρησιµοποιείται από τον αλγόριθµο ανάλυσης προκειµένου να υπολογιστούν οι πίνακες των εµπεδήσεων του δικτύου χωρίς περιττά βήµατα. Στο παράρτηµα Β περιγράφεται η δοµή του αναπτυξιακού συστήµατος που υλοποιήθηκε προκειµένου να αποτελέσει την κοινή πλατφόρµα ανάπτυξης του συστήµατος του εξοµοιωτή καναλιού και του συστήµατος του ποµποδέκτη. 10

Κεφάλαιο 2: Επισκόπηση της περιοχής επικοινωνιών µέσω γραµµών χαµηλής τάσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 21 ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΤΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΑΜΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ 2.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Προκειµένου να προταθούν νέες τεχνικές µετάδοσης που θα επιτρέψουν την επίτευξη υψηλών ρυθµών µετάδοσης στο επικοινωνιακό περιβάλλον των γραµµών χαµηλής τάσης στην περιοχή των MHz ήταν απαραίτητο να διερευνηθεί η επιστηµονική περιοχή που πραγµατεύεται τόσο το χαρακτηρισµό και τη µοντελοποίηση της συµπεριφοράς του µέσου, όσο και την ανάπτυξη µεθόδων που αποσκοπούν στη βέλτιστη αντιµετώπισή της. Η πληροφορία που συλλέχθηκε και παρουσιάζεται στο κεφάλαιο αυτό αφορά τα διεθνή πρότυπα που διέπουν τις επικοινωνίες στο εξεταζόµενο µέσο, τις µετρητικές διαδικασίες που έχουν χρησιµοποιηθεί για το χαρακτηρισµό της συµπεριφοράς του και τα αποτελέσµατα που προέκυψαν σχετικά µε την εξασθένηση πλάτους, την παραµόρφωση φάσης και το θόρυβο που εµφανίζεται στα επικοινωνιακά κανάλια. Επίσης, παρουσιάζονται οι σηµαντικότερες προσεγγίσεις που αφορούν τη µοντελοποίηση του µέσου µετάδοσης στις υψηλές συχνότητες. Τέλος, διερευνήθηκαν τεχνικές µετάδοσης (διαµόρφωση, κωδικοποίηση, συγχρονισµός κ.α.) που έχουν χρησιµοποιηθεί µε σκοπό τη βελτίωση της απόδοσης του συστήµατος µετάδοσης. Το σύνολο των συµπερασµάτων που προέκυψαν από αυτή τη διαδικασία βοήθησε να γίνει κατανοητή η συµπεριφορά του καναλιού και να διαπιστωθεί ο τρόπος µε τον οποίο µπορεί να συνδεθεί µε τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του εκάστοτε δικτύου. Επίσης, συλλέχθηκαν πληροφορίες σχετικά µε τον τρόπο που αντιµετωπίζεται, µέχρι σήµερα, η χρονική µεταβολή των συνθηκών της µετάδοσης. Με βάση τα παραπάνω, προσδιορίστηκε η οργάνωση των επιµέρους βηµάτων που είναι απαραίτητο να εκτελεστούν, προκειµένου να επιτευχθεί ο τελικός στόχος που αφορά το χαρακτηρισµό του µέσου, ώστε να µπορούν να αναπτυχθούν διαδικασίες περιοδικής ανίχνευσης και προσαρµογής της µετάδοσης στις υφιστάµενες επικοινωνιακές συνθήκες. 11

Κεφάλαιο 2: Επισκόπηση της περιοχής επικοινωνιών µέσω γραµµών χαµηλής τάσης 2.2. ΙΕΘΝΗ ΠΡΟΤΥΠΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Τα τελευταία χρόνια η διεθνής τηλεπικοινωνιακή κοινότητα ερευνά µε ιδιαίτερο ενδιαφέρον την περιοχή των επικοινωνιών ευρείας ζώνης µέσω του δικτύου παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Πλήθος ερευνητών ασχολούνται µε τη δηµιουργία νέων αλγορίθµων και τεχνικών για τηλεπικοινωνιακά προϊόντα που θα επιτυγχάνουν µετάδοση δεδοµένων µέσω των γραµµών µε υψηλή ταχύτητα και αξιοπιστία. Προκειµένου να δηµιουργηθούν οι κατάλληλες βάσεις για την ανάπτυξη των παραπάνω προϊόντων είναι απαραίτητη η ύπαρξη διεθνών κανονισµών, που διέπουν τη χρήση των γραµµών παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και η δηµιουργία διεθνών προτύπων, που θα καθορίσουν τις προδιαγραφές των παραγόµενων συστηµάτων και των προσφερόµενων υπηρεσιών. Το ενδιαφέρον για τη θέσπιση διεθνών κανονισµών και προτύπων που σχετίζονται µε τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες που αφορούν την περιοχή αυτή, προκύπτει από την ανάγκη ανάπτυξης προϊόντων που έχουν διεθνή χαρακτήρα και χρειάζονται την ελάχιστη δυνατή προσαρµογή στις συνθήκες της χώρας όπου θα χρησιµοποιηθούν. Οι κυριότερες διεθνείς επιτροπές που ασχολούνται µε τη δηµιουργία τέτοιων προτύπων είναι: CENELEC: European Committee for Electrotechnical Standardisation ETSI : European Telecommunications Standards Institute CEPT: European Conference of Postal & Telecommunications Administrations FCC: Federal Communications Commission (USA) Παράλληλα, µεγάλες εταιρίες που ασχολούνται µε το συγκεκριµένο χώρο των τηλεπικοινωνιών έχουν σχηµατίσει οµάδες διακίνησης ιδεών (forum) µε σκοπό την ανάπτυξη διεθνών προτύπων για τη µετάδοση δεδοµένων µέσω των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας, όπως: PLC Forum: Powerline Communications Forum (Europe) HomePlug : HomePlug Powerline Alliance (USA) Οι περιορισµοί που ισχύουν µέχρι σήµερα αφορούν το µέγιστο επίπεδο εκπεµπόµενης ισχύος και διάφορα θέµατα ηλεκτροµαγνητικής συµβατότητας (EMC- Electromagnetic Compatibility). Οι σηµερινοί ευρωπαϊκοί κανονισµοί (EMC Directive and Low Voltage Directive) είναι αυστηρότεροι από τους αντίστοιχους αµερικανικούς (FCC Part 15). Επιτροπές ευρωπαϊκών χωρών όπως της Αγγλίας και της Γερµανίας, προωθούν κατάλληλες νοµοθετικές ρυθµίσεις που θα επιτρέψουν τη δηµιουργία τηλεπικοινωνιακών 12

Κεφάλαιο 2: Επισκόπηση της περιοχής επικοινωνιών µέσω γραµµών χαµηλής τάσης προϊόντων που εκµεταλλεύονται τις γραµµές παροχής ηλεκτρικής ενέργειας για τη µετάδοση πληροφορίας υψηλού ρυθµού. Γενικά, το σύγχρονο ενδιαφέρον για τη µετάδοση δεδοµένων σε δίκτυα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας βρίσκεται στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων. Το Σχήµα 2.1 παρουσιάζει τις µπάντες A,B,C,D της CENELEC µε βάση τις οποίες δηµιουργήθηκαν τα πρώτα προϊόντα µετάδοσης πληροφορίας για εφαρµογές αυτοµατοποιηµένου ελέγχου του δικτύου παροχής ηλεκτρικής ενέργειας µε ρυθµούς µερικών kbps. Τα πρώτα πρότυπα που δηµιουργήθηκαν για τα συστήµατα DLC (Distribution Line Carrier systems) αφορούσαν εφαρµογές αυτοµατοποιηµένου ελέγχου µε χρήση S-FSK (Spread FSK). Ένα τέτοιο πρότυπο είναι και το EHS (European Home System Network) που τυποποιεί ένα plug & play µηχανισµό εγκατάστασης συσκευών µέσω ανταλλαγής σηµάτων πάνω από τις γραµµές χαµηλής τάσης. Σχήµα 2.1. Το Ευρωπαϊκό πρότυπο της CENELEC. Η παραπάνω περιοχή συχνοτήτων (9.5-148.5 khz) µπορούσε να καλύψει τις ανάγκες των εταιριών παροχής ηλεκτρικής ενέργειας για αποµακρυσµένο έλεγχο και διαχείριση του δικτύου, αλλά δεν είναι αξιοποιήσιµη για µετάδοση δεδοµένων και φωνής που σχετίζονται µε σύγχρονες εφαρµογές πολυµέσων και δικτυακών υπηρεσιών. Για την περιοχή των συχνοτήτων πάνω από τα 150 khz το υπάρχον πρότυπο της CENELEC ορίζει µόνο ανώτατα όρια εκποµπής θορύβου. Η αµερικάνική HomePlug Powerline Alliance έχει αναπτύξει και προωθεί την τυποποίηση ενός προτύπου (The Homeplug Standard) που αφορά τη µετάδοση δεδοµένων µε ρυθµό άνω του 1.5 Mbps κατά 98% στην περιοχή συχνοτήτων µεταξύ 4.5 MHz και 21 MHz, βασισµένο στην OFDM τεχνική µετάδοσης. 13