INTERNET SÄHKÖVERKON KAUTTA


22.11.1998


Tanja Dubrovin

Rakennus- ja yhdyskuntetekniikan osasto
Tanja Dubrovin
Teknillinen Korkeakoulu

Janne Tiittanen

Sähkötekniikan osasto
Teknillinen Korkeakoulu
Janne Tiittanen


Tiivistelmä

Visio siitä, että kodin jokaisella sähkölaitteella olisi oma internetosoite ja että ne olisivat verkon kautta säädettävissä, voi tulla todeksi piankin. Sähköyhtiöt ovat työstäneet hanketta, jossa internetiä voitaisiin käyttää sähköverkon kautta ja menetelmää on kokeiltu koeprojekteina. Etuna on se, että verkko on jo valmiiksi olemassa ja laitteet saavat virtansa samalla kuin verkkoyhteyden. Sähköverkon kautta päästään nopeisiin tiedonsiirtonopeuksiin eikä tarvetta hitaamman puhelinverkon kuormittamiseen ole. Periaatteena on, että sähköverkko toimii ikäänkuin lähiverkkona, joka on liitetty perinteiseen Internet -runkoverkkoon. Liittäminen tapahtuu kolmitasoisen laitehierarkian kautta. Multipleksaukseen tekniikka käyttää ortogonaalista taajusmultipleksausta. Sähköverkko aiheuttaa datasiirrolle helposti häiriöitä, joiden poistamisessa riittäneekin pohdittavaa. Menetelmän lopulliset kustannukset määrännevät tekniikan lopullisen yleisyyden tulevaisuudessa.

1. Johdanto

Internetistä on tullut yhä tärkeämpi osa yhteiskuntaamme. Kuitenkin vain viidellä prosentilla kotitalouksista euroopassa on pääsy internetiin. Vastaavasti PC löytyy jo kymmeneltä prosentilta kotitalouksista. Internetin läyttäjien määrä on kovassa kasvussa, maailmanlaajuisestikin käyttäjämäärä kaksinkertaistuu vuodessa. Internetin suurimpana ongelmana on ollut hitaat yhteydet ja käyttäjätasolla hankala asennus. Kotikäyttäjillä yleisimpinä yhteystapoina on modeemipohjainen tai ISDN-pohjainen yhteys. Yhtenä varteenotettavana ratkaisuna on esitetty tiedonsiirtoa sähköverkkoa pitkin. Tämä mahdollistaisi kotitalouksille nopean kiinteän ja helposti asennettavan yhteyden. ISDN:n verrattuna sähköverkossa voitaisiin siirtää tietoa hyvinkin kymmenkertaisella nopeudella, mikä avaa mahdollisuuden hyvälaatuisen reaaliaikaisen kuvan siirtoon kuten mm kuvapuhelimen ja videokuvan siirtoon. [2] Tämä tekniikka saattaa olla myös varsin kilpailukykyinen kotitalouksien automatisoinnissa. Tekniikka automatisointiin on jo olemassa, ongelmina ovat lähinnä hintataso sekä kaapeloinnin aiheuttamat ongelmat. Tiedon siirto sähköverkossa ei sinänsä ole mikkä uusi idea vaan jo kolmekymmentäluvulta alkaen sähköverkkoa on käytetty jakelujärjestelmien ohjaustietojen siirtoon. Mittaustietoja on siirretty sähköverkossa 1980 luvulta alkaen. [6] .

2. Hankkeessa mukana

Hankkeessa on innolla mukana ymmärrettästitä syistä suurimpia sähkönjakelijoita. Tietoliikenne on yksi nopeimmin kasvavista aloista, josta myös sähkönjakelijat miellellään ottavat osansa. Kanadalainen Nortel johtaa hanketta, jonka tarkoituksena on tuoda sähköverkon kautta asiakkaille nopa internetyhteys. Tähän Digital Power Line -hankkeeseen on lähtenyt mukaan kymmenen alan yritystä euroopasta ja aasiasta ja uusista yhteistyökumppaneista ollaan neuvottelemassa. Tällä hetkellä hankkeelle olisi n. 35 miljoonaa potentiaalista asiakasta hankkeeseen osallistuvien yritysten kautta. Lähialueilta mm. ruotsalainen Sydkraft ja englantilainen Norweb ovat hankkeessa mukana. [1] , [3] Ruotsalainen Vattenfall ja saksalainen RWE molemmat tutkivat parhaillaan hankkeen teknisiä kehitysmahdollisuuksia, kaupallista kannattavuutta ja mahdollisuuksia lähteä henkkeeseen mukaan [7] , [5]. Suomalaisia yrityksiä ei hankkeessa toistaiseksi ole mukana, vaikkakin VTT:llä on yhteistyönä Enermetin kanssa ollut alaan liittyvä kehityshanke [8].

3. Käytännön sovellutukset

Sähköverkkojen käyttö tiedonsiirtoon avaa melkoiset mahdollisuudet. Kotitalouksissa jokaisesta pistorasiasta avautuu yhteys verkkoon. Tämä mahdollistaa helposti automatisoitavan kodin. Jokaisella kodein sähkölaitteella on oma osoite ja kaikkia laitteita voidaan ohjata miltä tahansa tietokoneelta. Näin ollen olisi helppo kytkeä hälytyslaite päälle tai vaikkapa valita pesukoneen pesuohjelma. Nopeutensa ansiosta verkkoa voi käyttää myös liikkuvan kuvan siirtoon, kuten valvontakameran kuvan tai videon siirtoon. Käyttäjähän voi olla kytkettynä verkkoon ympäri vuorokauden. Mahdollista olisi myös kuvapuhelimen käyttö. Myös sähkömittarin lukeminen, joka tähän asti on tehty manuaalisesti, voitaisiin tehdä helposti verkon kautta. [5] Esimerkiksi yrityksissä ja kouluissa, joissa on useita koneita, on helppoa muodostaa nopea lähiverkko sähköverkon kautta. Menetelmästä saattaisi kehittyä kilpailija yrityksissä käytetyille Ethernet-verkoille suuren siirtonopeuden ja olemattomien perustamiskustannusten ansiosta. Tekniikan etuna on erityisesti se, että tarvittava paikallisverkko on jo valmiiksi olemassa. [4] Suuren tiedonsiirtokapasiteettinsa ansiosta tekniikka soveltuu hyvin myös puhelinliikenteen siirtämiseen IP-protokollan avulla [6] Teollisuuden automaatiossa tekniikka saattaa olla hyvinkin kilpailukykyinen esim. IRDA:han ja RS-485:en verrattuna. Mikäli sähköverkko osoittautuu luotettavaksi järjestelmäksi teollisuuden tiedonsiirtoon, tekniikan yleistyminen saattaa tapahtua varsin nopeasti.

4. Rakenne ja tekniikka

Sähköverkko ei sovellu Internetin runkoverkon korvaamiseen joten runkoverkot tulevat edelleen olemaan valokaapeli- tai kuparipohjaisia, vaikka sähköverkko otettaisiinkin tiedonsiirtoon mukaan. Lähiön muuntamoissa tieto siirretään runkoverkosta edelleen pienjännitteiseen jakeluverkkoon. Nortelin tekniikassa tämän hoitaa DPL 1000 -jakeluasemayksikkö, jonka laitteistoon kuuluu tietoverkkokytkin, joka hallinnoi ja keskittää IP-liikenteen runkoverkolle päin. Jakeluyksikkö hallinnoi verkon dataliikennettä ja pystyy myös välittämään muita runkoverkon palveluita. Kuluttajille menevän jakeluverkon puolella sijaitsee DPL 1000 -tukiasemayksikkö, jonka tehtävänä on yhdistää pienjännitteinen jakeluverkkotietoliikenneverkkoon. Kuluttajan kiinteistössä sähkömittarin läheisyyteen sijoitetaan DPL 1000 -kytkentäyksikkö, joka lähettää ja vastaanottaa kaikkien informaatiopalveluiden dataa pienjännitejohtimen kautta. Kytkentäyksikkönä esimerkiksi tietokoneen ja pienjännitejohtimen välillä toimii DPL 1000 -liikenneyksikkö. [6] Virtajohdoilla tapahtuva tiedonsiirto tapahtuu parhaimmillaan yhden megabitin sekuntinopeudella.

5. Modulaatiotekniikka

5.1. OFDM

Modulaatiotekniikaksi sähköverkkoa käytettäessä parhaiten soveltuu ortogonaalinen taajuusmultipleksointi (Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM). Tekniikka on tuttu radiotekniikasta jo 30 vuoden takaa. Menetelmässä taajuusalue on jaettu useille kantoaalloille ja siirrettävää dataa multipleksoidaan eli jaetaan näille muodostetuille kanaville. Koska jokainen kantoaalto vaatii itselleen vain osan taajuusalueesta, saadaan siirtonopeuksista sitä suurempia, mitä useammalla taajuudella dataa voidaan lähettää. Ortogonaalisuus tarkoittaa sitä, että kun yhden kantoaallon taajuus on keskikohdassaa, ovat muiden kantoaaltojen amplitudit nollassa. Ortogonaalisuus takaa sen, ettei kantoaallot vaikuta toisiinsa yksittäisten tietovirtojen rinnakkaisessa siirrossa. Multipleksaaja toimittaa datavirrat modulaattoriin, joka muuttaa ne analogiseksi signaaliksi, jotta ne voidaan lähettää rinnakkain. Modulaattori voidaan toteuttaa esimerkiksi niin monella signaaligeneraattorilla kuin on lähetettäviä tietovirtoja. Kuitenkin kantoaaltojen määrä voi olla niin suuri, että tarvittavien signaaligeneraattorien määrä olisi kohtuuton. Siinä tapauksessa olisi edullisempaa käyttää käänteistä Fourier-muunnosta (IFFT). Laskennan tarve on suuri, mutta tarkoitukseen sopivan Cooley-Tuker-algoritmin ja nykyisten laitteiden avulla se sujuu ongelmitta. Vastaanottajan päässä demodulaattori ja demultipleksaaja muuttavat signaalin takaisin bittivirraksi. Nyt alkuperäinen tieto saadaan aikaiseksi nopealla Fourier-muunnoksella, sillä tieto on käänteisessä Fourier-muodossa.

5.2. Suojaintervalli

Jotta data voitaisiin palauttaa täysin alkuperäiseen muotoonsa, on varmistettava, että kantoaaltojen ortogonaalisuus säilyy. Jokaiseen fyysiseen siirtotiehen liittyy myös dynaamista sähköistä käyttäytymistä lähetyksen aikana. Siitä voidaan määritellä impulssivastaus, joka on kestoltaan T. Kahden kanttiaallon saapuessa siirtotien päähän ne saattavat näyttää yhdeltä, jos niiden väli on pieni. Tämä voidaan estää laittamalla lähetettävien signaalien väliin suojaintervalli, joka on vähintään impulssivastauksen pituinen. Suojaintervallin haittana on lähetyksen hidastuminen, etenkin pitkillä siirtomatkoilla. [6]

6. Ratkaisuja häiriöihin

Tiedonsiirron saaminen luotettavaksi sähköverkon häiriöitä vastaan vaatii vielä paljon työtä. Mahdollisia siirtovälillä vaikuttavia häiriötekijöitä ovat lyhytaikaisetimpulssinomaiset signaalit, joilla on suuri amplitudi. Lyhyen kestonsa ansiosta niillä on erittäin suuri taajuusalue. OFDM:ssa data jaetaan useille kantoaalloille, mikä mahdollistaa kantoaaltoakohen lähetettävän bitin ajallisen keston kasvattamisen. Näin lyhytkestoiset häiriöpulssit eivät aiheuta niin paljoa vahinkoa. Olisi myös mahdollistia tehdä oppivia järjestemiä, jotka ennekoisivat häiriösignaaleja löytääkseen vapaita ikkunoita tiedonsiirtoon. Tämä ei auttaisi kuitenkaan yksinkertaisiin häiriösignaaleihin, kuten yksittisestä valokatkaisijasta syntyviin. [6]

7. Nykytilanne ja tulevaisuus

Tietoliikenteen nopea kehittyminen ja multimedian nopea käyttöönotto vaativat jatkuvasti nopeampia tiedonsiirtomenetelmiä. Puhelinlinojoja pitkin tiedonsiirtonopeus ei ole kasvanut riittävällä nopeudella. ISDN:n tarjoaa nopeamman siirtotien kutta sekin on vain lyhytaikainen apu. Sähvöverkon suuri tiedonsiirtokapasiteetti ja kiinteä yhteys ovat melkoisia kilpailuetuja. Tekniikka on tällä hetkellä kuitenkin testausvaiheessa, joten minkäänlaisia hinta-arvioita ei ole esitetty. Kustannukset tulevat määräämään pitkälti tekniikan yleisyyden. Puhelinlinjoja pitkin tapahtuva tiedonsiirto on hyvin kilpailtu ja siten varsin edullinen yhteysmuoto, joten kuluttajat eivät ole valmiitta maksamaan paljoa kiinteästäkään yhteydestä. Varsinaisen verkkopäätteen hinnaksi on arvioitu aluksi n. 3000 mk, joka muutamassa vuodessa tekniikan yleistyessä pienenee huomattavasti. Tekniikan kilpailukykyyn vaikuttaa myös suuresti muuntamoihin tuotavien runkoverkkojen kapasiteetti. Nykyisellä internetin kasvuvauhdilla ei tarpeeksi nopeita runkoverkkoja pystytä järjestämään jo olemassa oleville yhteyksille. Miäli hintatasosta tulee kohtuullinen voidaan tekniikan yleistymistä pitää varmana ja sitä voidaan verrata vaikkapa kaapelitelevision hankintaan verrattavaksi asiaksi taloyhtiölle. Harvaan asutuille aluille tekniikka tuskin tulee soveltumaan. [6]


Lähdeluettelo


[1]
Brown, P. & Linge, N., A Multi-Media Architecture Facilitating Advanced Inter-Active Customer Services [viitattu 5.10.1998]

http://www.nortel.com/powerline/report1.htm

[2]
Inman, Powering the Net, Inman News, 9.10.1998

http://www.inman.com/news/9710/971009b.htm

[3]
Nord, J., Surfa på elnätet [viitattu 5.10.1998]

http://www.sydkraft.se/skakt/198/surfa.htm

[4]
Nortel, Chapter Summary [viitattu 22.11.1998]

http://www.nor.webdbl.com/brochure.html
[5]
RWE Aktiengesellschaft, Ungeahnte Möglichkeiten: RWE stetzt auf Powerline, 1998 [viitattu 5.10.1998]

http://www.rwe.de/deutsch/erleben/archiv/power/power1.html

[6]
Runolinna, M., Internetiin sähköverkon kautta, Prosessori 9/1998 [viitattu 6.10.1998]

[7]
Vattenfall, Smart El - Två hål i väggen med kontroll, kraft, kommunikation & komfort [viitattu 5.10.1998]

http://www.vattenfall.se/press/meddelanden/index.wbs;content=smartel.htm

[8]
VTT Electronics, A Modem for Power Line Data Communication [viitattu 5.10.1998]

http://www.ele.vtt.fi/docs/soh/power.html



Lisätietoja:

Brown, P., Multi-Media Communications over the Electricity Network, British Association Annual Festival University of Birmingham, 15.9. 1996
http://www.nortel.com/powerline/report3.htm
Norwebin sivu. Kertoo yleisellä tasolla sähköverkon internet-mahdolisuuksista, tähänastisista saavutuksista sekä henkkeen tilanteesta.

DiB, Daltek, 29.5.1998
http://www.dib.se/980529.htm
Tietoliikennealan viestejä. Viestejä myös sähköverkkohankkeen osallistujista ja yhteystietoja.

Elcomtech, Products, 1997
http://www.elcomtech.com/products.htm
Elcomtechin tuote-esittely laitteista, joilla saa kodin elektroniikkaa ohjattua sähköverkon kautta.

Garcia, A. & Calvo, M. & de Haro, L., Phase Noise and Sub-carrier Spacing Effects on the Performance of an OFDM Communication System [viitattu 5.10.1998]
http://www.gr.ssr.upm.es/~ana/phase_noise/phase.html
Tietoa ortogonaalisesta taajuusmultipleksoinnista ja häiriösingaaleista.

Green, T., The InteloPORT Power Line Data Networking System, Interlogis Announces, 24.7.1997
http://www.intelogis.com/new.htm
Lehdistötiedote Interlogisin sähköverkossa kulkevasta tiedonsiirtotekniikasta.

Massmann, J., Bei uns kommt das Internet aus der Steckdose, 14.10.1998
http://www.heise.de/newsticker/data/dz-14.10.97-001/
Lyhyt tiedote sähköverkon mahdollisuuksista tiedonsiirtoon, sekä tekniikan kustannuksista.

National Semiconductor, New Powerline Carrier Chipset [viitattu 5.10.1998]
http://www.electronic-services.com/focus/comms/10.htm
Tietoa ICSS:stä (Integrated Circuit Spread Spectrum), joka on tekniikka lähiverkon muodostamiseen sähköverkossa.

Sainio, J., Internet-yhteys tulee sähköverkkoon, Helsingin Sanomat, 9.10.1998
http://www.helsinginsanomat.fi
haku:sähköverkko
Selkeästi esitetty visio sähköverkon internetmahdollisuuksista.

Vislab, Terrestrial WAN, 8/1998
http://vislab-www.nps.navy.mil/~budden/lecture.notes/t_wan/t_wan.html
Yleistä tietoa lähiverkoista ja niiden toteuttamisesta. Sisältää sähköverkon eräänä visiona.

Zhang, R. & De Ar, Y., The Next Generation of internet? Internet Rides on Power Line, Cinet-L Newsletter, 13.4.1998
http://www.cnd.org:8000/CND-China/CND-China.98-04-13.html
Tietoa tietoverkkojen kehittämisestä Kaukoidässä.

Zivadinovic, D., Grosse Schritte, 27.3.1998
http://www.heise.de/ct/98/07/019/
Saksankielinen kirjoitus siitä, mitä eri mahdollisuuksia on liittyä tai päästä käsiksi tietoverkkoon.