CC BY
46
7 декабря 2011 г. 16:58
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Домовая инфокоммуникационная сеть на базе концепции ITU G.hn
Следуя концепции С.Ьп, разработанной МСЭ, изложены принципы построения умного дома 5лю/1Ноизе. Описаны протоколы концепции С./т. В качестве примера разработки домовых устройств приведены изделия для учета потребления воды по протоколу те1ег-Ьо$ по проводам и по радио.
Шнвпс-Шнвппв М.А.,
Генеральный директор ЗАО "ЦКБ-Абавонет",
Д.Т.К, профессор, академик МД
1. Телефонная линия как основа домовых сетей
12 декабря 2008 г. в Женеве произошло событие, примечательное для мирового инфокоммуникационного сообщества: Международный Союз Электросвязи сдобрил архитектуру нового поколения домовых сетей G.hn (сокращение от слов "next generation" home network), a 9 октября 2009 г. принял базовую Рекомендацию G.9960 [ 1 ]. Это итог работы группы ведущих мировых телефонных операторов, производителей средств связи и автоматизации дома. Суть нового стандарта G.9960 состоит в том, что основной физической средой домовых сетей признается телефонная линия (витая пара). Наряду с этим, допускается коаксиальный или оптический кабель, силовая линия, а также радиоканал — как резервный вариант.
Основным принципом модуляции признается частотная модуляция с ортогональными поднесущими OFDM (Orthogonal Frequency-Drvision Multiplexing). Сам алгоритм OFDM и связанный с ним метод быстрого преобразования Фурье (FFT, Fast Fourier transform) разработаны еще 1960-х гг., но только сейчас стали доступны дешевые сигнальные процессоры в 10 и более миллионов операций в секунду, которые д олжны быть в каждом домовом устройстве, выходящем на домовую сеть. Развитие микроэлектроники вернуло в жизнь и другое полузабытое достижение — исправление ошибок передачи сигнала при помощи кедов LDPC (Low-Density-Parity-Check).
Надеясь на окончание многолетнего непримиримого соперничества разных подходов к построению домовых сетей, безоговорочную поддержку новому стандарту выразили многие компании, например, телефонная компания AT&T и Best Buy (крупнейший торговец бытовой электроникой в США). Поддержали и организации по автоматизации дома, которые в настоящее время вынуждены пользоваться множеством нестыкующихся технологий: Continental Automated Buildings Association (САВА), CEPCA HomePNA и Universal Powerline Association
Привлекательность нового подхода состоит в том, что он позволяет создавать домашную сеть или сеть малого офиса с использованием существующей телефонной проводки. История создания стан-
О.
15Гц 4кГц 26«Гц і 1 мГц 4ыГц іОмГц частої*
телефонная линия ADSL Home network
hie 1. Разделение полосы чостот в домовой сети G.hn
до ртов G.hn берет начало с 1996 г., когда ведущими производителями телекоммуникационного оборудования был образован альянс, получивший название Home Phoneline Networking Alliance, и в 1998 г. появился стандарт передачи данных по телефонным линиям, названный HPNA. Самая современная на данный момент версия — HPNA 3.1 была разработана в компании Coppergate Communications (Израиль) и одобрено в ITU как рекомендация G.9954 (в январе 2007 г.). Допускается скорость передачи до 240 Мбит/с. Используемый частотный д иапазон 4-10 МГц Максимальное число пользователей—до 64 (нос ростом их числа скорость обмена подает). Одну из 64 позиций занимает домовой шлюз RG (выполняя роль ведущего устройства, master). Остальные пользователи выполняют роль ведомых устройств (slaves). Это решение оптимально для передачи голоса, данных и видеоизображений на расстоянии до 600 метров.
2. Основы технологии G.hn
В настоящее время широко внедрены услуги triple play с использованием ADSL модемов, что сохраняется и в сетях G.hn. Передача донных по технологии ADSL реализуется через обычную аналоговую телефонную линию при помощи модема ADSL и мультиплексора доступа DSLAM, находящегося на той же АТС, что и абонентский комплект. Чтобы не мешать использованию телефонной сети по ее-прямому назначению (для передачи голоса в полосе 0...4 кГц), в ADSL нижняя граница диапазона частот находится на уровне 25 кГц Верхняя же граница, исходя из требований к скорости передачи донных и возможностей телефонного кабеля, составляет 1,1 МГц (или 2,2 МГц — по технологии ADSL2+). Эта полоса делится на две части: частоты от 26 кГц до 138 кГц отведены восходящему потоку донных (от дома к АТС), а частоты от 138 кГцдо 1,1 МГц — нисходящему Такое частотное разделение позволяет по одной и той же линии одновременно как разговаривать по телефону, так и производить двухсторонний обмен данными.
Существующие домовые устройства, которые имеют стык Ethernet, не прийдется менять, так как в сети G.hn уровень передачи донных (Data link Layer) работает по технологии Ethernet, т.е. данные от приложений поступают в вице фреймов IEEE 802.3 Ethernet, а на
^Demctc ІХІГМСГ ьоигве исцелит .гх* с(П«по<МДС1 снс
7 1 1 в 7 ото л
вогзклвгтжнтг*
Эу*с Hifval АссуяКЧ Stone* interval PCCU Frame
Но і» PKxwIn»* М *urti* у Пн’н Fr«n*
|— Phoneine Headef Чеplacemen -----------1---------------------- Unchanged-1
FWi 2. Вэбота сети G.hn (нижняя часть рисунка) основана на использовании технолога Ethernet (верхняя часть рисунка)
30
T-Comm, #7-2010
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
физическом уровне PHY — восемь первых октетов убираются и заменяются на PHY-эаголовок (рис 2). На приемном конце фреймы меняются в обратном порядке
3. Стек протоколов G.hn
Стек протоколов G.hn (рис 3) предполагается реализовать в чипсетах G.hn. Стек содержит два уровня (уровень передачи данных и физический уровень) и шесть подуровней. В системе G.hn управление средой передачи MAC (Media Access Control) не зависит от физической среды передачи (отсюда обозначение Mil — Media Independent Interface) и основано на временном делении канала согласно архитектуре ТОМА И что важно, в последней версии G.hn не применяется метод IEEE 802.3 CSMA/CD (т.е. отсутствуют коллизии и установлением соединений между устройствами занимается домовой шлюз).
На физическом уровне G.hn PHY используется модуляция OFDM и метод быстрого преобразования Фурье FFT. На каждой поднесущей частоте сигналы кодируются методом квадратурной амплитудной модуляции QAM (вплоть до 12-битовой сложности). Физический уровень G.hn PHY завершается интерфейсом MDI (Media Dependent Interface), зависящим от среды передачи (силовая линия, телефонная линия или коаксиальный кабель). Это единственное место в стеке протоколов, где учитываются особенности среды передачи. Остальные пять подуровней стека протоколов не зависят от среды передачи, а согласование работы сети в разных средах обеспечивает домовой шлюз (Residential Gateway).
За качество связи QoS отвечает канальный уровень. Введены восемь приоритетов. При установлении очередного соединения домовой шлюз выбирает необходимое качество QoS, и ток как в среде передачи отсутствуют конфликты (не применяется метод CSMA/CD), то требуемое качество удается обеспечить.
4. Как строить умный дом
SmartHouse—это терл^н, которым обозначают европейскую концепцию умного дома (синонимьс к^ггеллектуальный дом, цифровой дом и тл). Термин введен нормирующим документом по благоустройству жильк домов [2], которьй в 2005 г. обнародовал Европейский комитет по стандартизации в электротехнже CENELEC
В архитектуре умного дома (рис 4) выделяются три подсети: ин-фокоммуникационная (телефонная связь, интернет, телевидение,
т.е. нак называемый набор услуг triple play), развлекательная и автоматизации дома. Они пользуются общей инфраструктурой передачи информации внутри квартиры (дома). Через сеть доступа (Communication Networks) домовой шлюз RG общается с другими домами, сетями операторов и сервис-провайдерами и отвечает за доведение сервисов до пользователя. Слева на рисунке перечислены сервис-провайдеры (идем сверху вниз), которые борются за клиента: коммунальные услуги (utilities), телекоммуникационные услуги, правительственные, общественные, корпоративные (например, работа на дому), развлекательные, вещание.
Разрабатывая требования к умному дому, CENELEC следовала принципу консенсуса и считала допустимыми любые информационные технологии, что порождает чрезвычайное многообразие протоколов работы домовых устройств и увеличивает стоимость домовых сетей. Этот недостаток устраняет концепция ITU G.hn (рис 5). Домовой шлюз RG берет на себя управление доступом к G.hn-шине, а домовые устройство выходят на эту шину через устройства G.hn node, в которых реализуется стек протоколов, что на рис 3.
5. Интерфейс Meter-Bus в домовой сети.
Пример реализации
Ранее нами [3] опубликованы вопросы разработки программного обеспечения домовых шлюзов, а в настоящей статье расматри-ваются особенности разработки оборудования домовых шлюзов и систем автоматизации дома в целом И наша цель — показать, что производство домовых устройств вполне по силам отечественным производителям
Рисунок 6 демонстрирует текущее представление об умном доме. Ключевым элементом является домовой (квартирный) контроллер. К нему поступает информация от множества контролируемых домовых устройств. А долее по телефону (фиксированному или мобильному), через интернет или через диспетчера она передается клиенту. Для сбора информации испольуется множество домовых устройств иностранного производства, которые работают по разным интерфейсам (BACnet, Lon Works, KNX, CAN и др.).
Для подключения домовых устройств нами предлагается использовать интерфейс Meter-Bus (M-Bus), что, на наш взгляд позволит производить дешевые домовые устройства. M-bus разработан для удаленного считывания показателей счетчиков бытовых энергоресурсов, например потребления газа или воды в доме, применим так-
Applrcation
Entity
АРС
LLC
MAC
PCS
РМА
PMD
3
-ё
э
о
5
1
0
1
Ccmmjm cat 1 on networks
RG ►miNeusvt
he. 3. Стек протоколов G.hn
T-Comm, #7-2010
F\*c 4. Общая архитектура SmartHouse и ключевая роль домового шлюза RG
31
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
ADSL2* ІІПЄ -
Internet
Рйс5.Дэмоваясетъпокомвпц^1 (TU G.hn
ч
Системе ~ \ Ёчяммебми яц
Счогчи* 9Ш Эл энергии
Клапан f отсечки і
задымленности
Кондиционер
Контроллер умного Дома
упра по и I лисп
вление с телефона, ингернегу, с пульга петчера, службы охраны
шртт
Насосная
станция
їй'чи.
влажности
Рис 6. Существующее представление сб умном доме
c.‘JM Modem
Iа
домовой
явэКС
USU
On*«од изв •
М-ba»
с-*т«мгр:лмс
Р ад и вперед лтчи к
Ь —
Радиосвязь
Я*ЯМГц
Оьчсгввй («ТЧ«
ЛЪ , М DUN
Рис 7. Две схемы учета потребления вода
Радии-лри* мик и г*р*да».«к
Сч#тч»« во^ы с
ИМПуГЬСМЫМ ВЫ* ОДОМ
ш.
же в системах безопасности, управления освещением или теплом. Применение M-Bus упрощается наличием интегральной микросхемы транссиеер TSS721 (Texas Inslruments), а внедрение в России облегчает наличие ГОСТа РЕН 1434-3-2006 "Теплосчетчики" (на базе M-Bus).
Разработан прототип домового шлюза (Web-cepeep) для считывания показаний счетчиков воды (доступен по адресу: http://mbos.linkstore.ru) и реализованы две схемы учета потребления веды (рис 7):
1) считывание показаний по проводам (левая часть на рисунке). Обратим внимание на роль домового счетчика с клапаном. В случае
аварии клапан перекрывает утечку воды. Этот же клапан может помочь в борьбе с хищением воды: нсдо сравнивать суммарные показания квартирных счетчиков и домового счетчика.
2) считывание показаний и передача по радио на частоте 868 МГц и по m-bus. У счетчика в квартире размещен радиопередатчик (с автономным питанием от батарейки), а в коридоре размещен приемопередатчик, который далее общается с конвертером по M-bus.
6. Заключение. Что производить
Домовая сеть по стандартам G.hn и система автоматизации дома в целом состоит из множества устройств, но самой важной и дорогой частью является программное обеспечение (ПО), что включает в себе ПО общедомового компьютера, ПО квартирного контроллера и ПО домовых усто-ройств. Сложность задачи неизбежно требует разработки многих версий ПО, поэтому, планируя разработку и производство домовых усторойств, важно иметь собственное ПО и службу сопровождения ПО для эксплуатации систем автоматизации дома.
В качестве подразделов промьшленной продукции в области автоматизации дома можно указать:
• Учет энергоресурсов (веда холодная и горячая), отопление, газ, освещение,
• Управление климатом (термоизоляция вентиляция и кондиционирование),
• Охран но пожарная сигнализация,
• Система контроля доступа в помещения, контроль протечек воды, утечек газа. Система видео наблюдения,
• Медицинские приборы для слежения за больными,
• Механизация здания (открытие/закрытие ворот, шлагбаумов, электроподогрев ступеней),
• Сети связи по стандартам G.hn (в том числе телефон и локальная сеть здания, квартирная сеть, домовая сеть),
• Программное обеспечение системы автоматизации дома.
Как показывает опыт, разработку и производство домовых устройств можно планировать немедленно, так как уже в 2010 гсду на мировом рынке появятся чипсеты и первые изделия по стандартам ГШ Ghn.
Литература
1. ITU-T Recommendation G.9960. Next generation wireline based Коше networking transceivers — Foundation, 2009.
2. SmartHouse. Code of Prodice. CWA 50487, CENELEC 2005.
3. Schneps-Schneppe M. ITU G.hn concept and home automation//International Conference NEW2AN/ ruSMART Proc, LCNS 5764 (Springer), 2009,- Rl-7.
32
T-Comm, #7-2010
