VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS SIMULÁTOR PŘENOSOVÝCH FUNKCÍ SILNOPROUDÉHO VEDENÍ V NS3 DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR Bc. JAN KOLÁŘ BRNO 2015

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS SIMULÁTOR PŘENOSOVÝCH FUNKCÍ SILNOPROUDÉHO VEDENÍ V NS3 DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. JAN KOLÁŘ Ing. PETR MLÝNEK, Ph.D. BRNO 2015

3 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací Diplomová práce magisterský navazující studijní obor Telekomunikační a informační technika Student: Bc. Jan Kolář ID: Ročník: 2 Akademický rok: 2014/2015 NÁZEV TÉMATU: Simulátor přenosových funkcí silnoproudého vedení v NS3 POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Seznamte se s datovou komunikací po silnoproudém vedení (PLC) a frameworkem pro simulaci PLC v prostředí NS3. Analyzujte tento framework a ukázkové kódy pro simulaci PLC. Navrhněte a realizujte jejich rozšíření. Proveďte analýzu negativních vlivů PLC komunikace a implementujte je do simulací. Realizujte vlastní simulační scénáře (pro rušení, pro rozsáhlé topologie, pro časově-frekvenčně proměnné impedance, pro různé přístupy k výpočtu primárních parametrů atd.). Uvažujte nové standardy a modulace pro úzkopásmovou PLC technologii. V nově realizovaných ukázkových scénářích pro simulaci PLC proveďte simulace přenosových funkcí několika topologií (pro malou topologii s 3 odbočkami a pro rozsáhlou topologii). Dále proveďte simulaci vlivu jednotlivých typů rušení na komunikaci a výsledky diskutujte. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] F. Aalamifar, A. Schloegl, D. Harris, L. Lampe, Modelling Power Line Communication Using Network Simulator-3, IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), Atlanta, GA, USA, December [Online] Available: [2] Hošek, J. Pokročilé komunikační techniky laboratorní cvičení. Skripta, Termín zadání: Termín odevzdání: Vedoucí práce: Ing. Petr Mlýnek, Ph.D. Konzultanti diplomové práce: UPOZORNĚNÍ: doc. Ing. Jiří Mišurec, CSc. Předseda oborové rady Autor diplomové práce nesmí při vytváření diplomové práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

4 ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá problematikou přenosu dat po silnoproudém vedení se zaměřením na simulace přenosových funkcí. V úvodu práce jsou shrnuty základní informace o PLC. Následuje analýza dostupného simulátoru PLC Software (realizovaného v NS- 3). Poté následuje analýza implementovaného rušení a jeho rozšíření. Jedna kapitola je věnována možnostem výpočtu kapacity linky. V rámci diplomové práce byly implementovány různé postupy k výpočtu primárních parametrů přenosového vedení a simulátor byl porovnán s jinými volně dostupnými simulátory. Následně byly provedeny simulace zaměřené na přenosové funkce v různých topologiích, na změny impedancí odboček, délky odboček a změny v přímé cestě mezi komunikujícími uzly. KLÍČOVÁ SLOVA PLC, simulace, přenosová funkce, PLC simulátor, NS-3, impedance ABSTRACT This thesis deals with the powerline communication focusing on the simulations of channel transfer functions. The introduction summarizes basic information about PLC followed by the analysis of the available PLC Software simulator (implemented in NS-3) and the analysis of implemented noises and interferences and its extensions. One chapter is devoted to possibilities of link capacity calculation. Within the thesis, various methods of calculation of primary parameters of transmission line were implemented and the simulator was compared with other freely available simulators. Subsequently, simulations were carried out focused on channel transfer functions in different topologies, on the impedance changes of branch, on the lengths of branch, and changes in the direct path between communicating nodes. KEYWORDS PLC, simulation, transfer function, PLC simulator, NS-3, impedance KOLÁŘ, Jan Simulátor přenosových funkcí silnoproudého vedení v NS3: diplomová práce. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací, s. Vedoucí práce byl Ing. Petr Mlýnek, Ph.D.

5 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou diplomovou práci na téma Simulátor přenosových funkcí silnoproudého vedení v NS3 jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a/nebo majetkových a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení S 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů, včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb. Brno (podpis autora)

6 PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu práce Ing. Petru Mlýnkovi, Ph.D. za odbornou pomoc a užitečné rady při tvorbě diplomové práce. Mé poděkování také patří mým rodičům a přítelkyni, kteří mne podporovali po celou dobu studia. Brno (podpis autora)

7 Faculty of Electrical Engineering and Communication Brno University of Technology Purkynova 118, CZ Brno Czech Republic PODĚKOVÁNÍ Výzkum popsaný v této diplomové práci byl realizován v laboratořích podpořených z projektu SIX; registrační číslo CZ.1.05/2.1.00/ , operační program Výzkum a vývoj pro inovace. Brno (podpis autora)

8 OBSAH Úvod 12 1 PLC Základní rozdělení PLC Úzkopásmová PLC Širokopásmová PLC Charakteristika přenosových vedení Náhradní model přenosového kanálu Primární parametry Odpor Indukce Kapacita Svod Sekundární parametry Charakteristická impedance Měrný činitel přenosu Rušení PLC Simulátor Vlastnosti NS-3 Simulátoru Uzly Vedení Ukázkové programy Program: plc-psd-example Popis zdrojového kódu programu Výstup programu Program: plc-mac-example Popis zdrojového kódu Výstup programu Program plc-test Výstup programu Rušení Šum na pozadí Impulzní rušení Shrnutí vlivu rušení v NS-3 Simulátoru

9 6 Kapacita linky 35 7 Různé přístupy k výpočtu primárních parametrů Odvozený výpočet Výpočet dle FTW Porovnání přístupů k výpočtu Simulace Simulace v GUI Výhody a nevýhody GUI Spektrální hustota výkonu Kabel CYKY Kabel NAYY50SE Vliv velikosti impedance a vzdálenosti Topologie s třemi odbočkami Rozsáhlá topologie Závěr 57 Literatura 59 Seznam symbolů, veličin a zkratek 62 Seznam příloh 63 A Obsah přiloženého CD 64

10 SEZNAM OBRÁZKŮ 2.1 Zjednodušené schéma komunikačního řetězce [7] Náhradní model přenosového vedení [8] Rušení na silnoproudém vedení Grafické zobrazení hodnot v souboru Freqvarying.vdf Grafické zobrazení hodnot v souboru ScenarioA.vdf Výstup programu plc-psd-example Výstup scénáře plc-test Základní šum na pozadí Průběhy šumu na pozadí pro obytnou a průmyslovou zónu Průběhy všech případů barevného šumu Model pro impulzní rušení Impulzní rušení vygenerované v NS Zjednodušený komunikační řetězec [24] Porovnávací topologie Průběhy CTF pro odvozený výpočet a FTW PLC simulátor Průběhy CTF pro odvozený výpočet a Cañete simulátor Vlevo je porovnání CTF mezi výpočtem dle FTW (l = 1) a FTW Simulátorem (l = 1) a vpravo porovnání CTF mezi výpočtem dle FTW (l = 1) a Cañete Simulátorem (l = 5) Vlevo je Porovnání CTF mezi NS-3 (l = 5) a FTW Simulátorem (l = 5) a vpravo porovnání CTF mezi NS-3 (l = 5) a Cañete Simulátorem (l = 5) Vlevo porovnání CTF mezi výpočtem dle FTW (l = 0,35) a FTW Simulátorem (l = 0,35) a vpravo porovnání CTF mezi výpočtem dle FTW (l = 0,35) a Cañete Simulátorem (l = 5) Porovnání všech simulátorů s nejlepším korelačním faktorem Topologie PLC sítě skládající se z 30 uzlů s pevnou impedancí Přenosová funkce linky z uzlu Zs do uzlů Z7, Z12 a Z Topologie obsahující časově (Z3 ) a frekvenčně proměnnou (Z1 ) impedanci Časově a frekvenčně proměnná CTF mezi Zs a Z Časově a frekvenčně proměnná CTF mezi Zs a Z Porovnávací topologie CYKY - PSD na straně přijímače [mw/hz] CYKY - PSD na straně přijímače [db] CYKY - Poměr signál - šum [ - ] CYKY - Odstup signál - šum [db]

11 8.11 NAYY 50SE - PSD na straně přijímače [mw/hz] NAYY 50SE - PSD na straně přijímače [db] NAYY 50SE - Poměr signál - šum [ - ] NAYY 50SE - Odstup signál - šum [db] Porovnávací topologie Změna impedance na uzlu n Změna impedance na uzlu n Změna impedance na uzlu n Změna vzdálenosti uzlu n Změna vzdálenosti uzlu n Změna vzdálenosti mezi uzly n 2 a n Změna impedance na uzlu n Rozsáhlá topologie s vyznačenými uzly Změna impedance na uzlu Z Změna vzdálenosti uzlu Z Změna impedance na uzlu Z Změna délky odbočky k uzlu Z

12 SEZNAM TABULEK 1.1 Rozdělení frekvenčních pásem podle normy CENELEC Parametry uzlů v topologii Parametry kabelu CYKY 3x2,5 [22] Parametry kabelu CYKY 3x2,5 pro výpočet dle FTW [13] Hodnoty impedancí v rozsáhlé topologii Hodnoty impedancí v topologii

13 ÚVOD V současné době máme k dispozici celou řadu telekomunikačních technologií a prostředků. Tyto prostředky můžeme rozdělit podle typu přenosového média na drátová a bezdrátová. Drátová jsou například síťové kabely LAN nebo optické kabely a mezi bezdrátová přenosová média můžeme zařadit Wi-Fi nebo satelitní přenosy. V praxi mohou nastat i takové případy, kdy výše zmíněné technologie nebudou dostupné nebo budou nevhodné například z ekonomického hlediska. To je důvodem, proč se i v dnešní době, kdy máme k dispozici mnoho rozvinutých telekomunikačních služeb, věnovat možnosti využití silnoproudého vedení jakožto dalšího přenosového média pro možnost realizace telekomunikačních sítí. Myšlenka využití silnoproudého vedení i pro jiné služby než pro přenos elektrické energie je známá už od počátku 20. století. Tato myšlenka je také zajímavá z toho důvodu, že sítě silnoproudého vedení patří mezi nejrozsáhlejší infrastruktury světa. V prvopočátcích se jednalo o služby pro kontrolu a sledování elektrické sítě. Postupem času se přidala telefonie a v dnešní době jsou největší požadavky kladeny na datové přenosy. Sítě silnoproudého vedení však nebyly primárně určeny pro přenos dat a z tohoto důvodu mají některé negativní vlastnosti pro datový přenos. Za účelem využití silnoproudého vedení jako přenosového média jsou vyvíjeny technologie, které se souhrnně nazývají PLC (Power Line Communications). PLC se skládá z různých variant využití silnoproudých vedení. Nabízí množství služeb od telefonie, úzkopásmových datových přenosů až po širokopásmové přenosy dat jako například připojení k internetu. Bohužel není k dispozici velký výběr volně dostupných simulačních nástrojů pro technologii PLC a simulační programy, jako jsou například Opnet IT Guru nebo Omnet++, technologii PLC vůbec neuvažují, což je důvodem pro tvorbu této diplomové práce. Cílem je analyzovat a optimalizovat nebo rozšířit dostupný softwarový simulátor PLC Software. Tento simulátor je koncipován jako framework pro síťový simulátor NS-3. Cílem je také navrhnout a realizovat vlastní simulační scénáře (pro různé topologie, různé typy přístupu k výpočtu primárních parametrů vedení atd.). První dvě kapitoly se zabývají PLC obecně a definují přenosová vedení jako komunikační kanál. Další dvě kapitoly jsou věnovány zkoumanému simulátoru a analýze ukázkových scénářů. Následují kapitoly zaměřené na využití rušení a kapacity linky v simulátoru. Poslední dvě kapitoly jsou věnovány implementaci různých přístupů k výpočtu primárních parametrů vedení a realizovaným simulacím. 12

14 1 PLC Power Line Communication (dále jen PLC) je obecný termín používající se pro přenos dat po silnoproudém vedení. Existují dvě varianty PLC. Úzkopásmová, která se využívá pro přenos malého objemu dat, a širokopásmová sloužící k přenosu velkého objemu dat. Princip funkce PLC je vcelku jednoduchý. Jelikož je pro silnoproudé vedení důležitá frekvence 50 Hz, používá se pro komunikaci v PLC vysokofrekvenční signál (v řádech desítek khz až MHz). Tento signál je nejdříve vhodnou modulací modulován a následně injektován pomocí kapacitní nebo induktivní vazby na rozvody nízkého napětí. Na přijímací straně jsou odděleny signály v komunikačním pásmu, ze kterých se po demodulaci získá posílaný signál. Toto je ovšem část pouze teoretická. Jelikož elektrická síť není primárně určena k přenosu dat, tak se v praxi vyskytuje několik problémů, kterým musí PLC čelit a vyrovnat se jim. Jedním z problémů je rušení (šum na pozadí, úzkopásmové rušení, impulzní rušení), které je způsobeno nejrůznějšími spotřebiči (spínané zdroje, tyristorové regulátory, zářivky, televize atd.). Dalším problémem je útlum, který je způsoben rostoucí vzdáleností a přechodem přes jistící prvky. Jako další problém se jeví to, že PLC může komunikovat pouze v rámci jednoho transformátoru, což je způsobeno galvanickým oddělením. Řešení tohoto problému spočívá v přemostění transformátoru. Posledním větším problémem je změna impedance v síti, která je způsobena připojováním a odpojováním spotřebičů. Tyto problémy se dají řešit pomocí různých modulací vysokofrekvenčního signálu. [1] 1.1 Základní rozdělení PLC PLC systémy lze rozdělit na 3 hlavní oblasti [2]: PLC s ultra úzkou šířkou pásma (z angl. Ultra Narrow Band -UNB) pracuje s velice malou přenosovou rychlostí (100 b/s) v nízkofrekvenčím pásmu. UNB využívá jednocestné komunikace a dá se použít na velké vzdálenosti (stovky kilometrů). PLC s úzkou šířkou pásma (dále jen úzkopásmová PLC) pracuje ve frekvenčním pásmu CENELEC (od 3 do 148,5 khz pro Evropu). Úzkopásmová PLC s použitím jedné nosné dosahuje přenosových rychlostí několika kb/s. Nyní se začíná používat technologie s více nosnými ( z angl. multicarrier technologies), která dosahuje rychlosti až 500 kb/s. PLC s širokou šířkou pásma (dále jen širokopásmová PLC) využívá frekvenční pásmo od 1,6 do 250 MHz a dosahuje přenosových rychlostí v řádu několika Mb/s až stovky Mb/s. V rámci práce je uvažováno frekvenční pásmo od 1,6 do 30 MHz. 13

15 1.1.1 Úzkopásmová PLC Úzkopásmová PLC není určena pro přenos velkého objemu dat, a proto se tento typ komunikace hodí pro automatizaci a sběr dat. Jako příklad mohu uvést dálkový odečet z elektroměrů nebo ovládání čidel v tzv. chytrých domech. Tento typ komunikace je také užíván v tzv. inteligentních sítích (Smart grids) [3]. Úzkopásmovou PLC definuje norma CENELEC EN [4]. Tento standard popisuje frekvenční pásmo od 3 khz do 148,5 khz a rozděluje ho do 5 kategorií, viz tabulka 1.1. Přenosové rychlosti se pohybují v řádech desítek až tisícovek kilobitů za sekundu při vzdálenosti do 1 km. Má-li být komunikace využita na větší vzdálenost, tak se musí na přenosové trase použít opakovače [5]. Tab. 1.1: Rozdělení frekvenčních pásem podle normy CENELEC Pásmo Frekvenční rozsah [khz] Určeno pro Přístupový protokol 3 až 9 Dodavatele NE A 9 až 95 Dodavatele NE B 95 až 125 Odběratele NE C 125 až 140 Odběratele ANO D 140 až 148,5 Odběratele NE Jednotlivé části pásma jsou určeny pro různé potřeby dodavatele i odběratele. Většina odběratelských zařízení pracuje v pásmech B a C. Tato pásma jsou využívána například pro dálková měření, dálková ovládání nebo dálkovou signalizaci. Při využití pásma C je vyžadován protokol o přistoupení k dohodě [3], [5]. Používá se přístupový protokol CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection). Důležitým kmitočtem je kmitočet 132,5 khz, který informuje o probíhající komunikaci Širokopásmová PLC Na rozdíl od úzkopásmové se širokopásmová PLC hodí pro přenos velkého objemu dat, například pro přenos souborů nebo přístup do internetové sítě. Využívané pásmo je v tomto případě od 1,6 MHz do 30 MHz. Frekvenční pásmo lze také rozdělit podle místa použití. Pro přenos po venkovních vedení (tzv. outdoor system) se volí pásmo 1,6 MHz až 13 MHz a pro přenos uvnitř budov pásmo 15 MHz až 38 MHz (tzv. indoor system) [3],[6]. Přímý dosah signálu je však relativně velmi malý. Podle způsobu vazby a konfigurace distribuční sítě činí nejčastěji řádově desítky až stovky metrů. Dosahované rychlosti přenosu dat se většinou pohybují v jednotkách až stovkách Mbit/s [3]. 14

16 2 CHARAKTERISTIKA PŘENOSOVÝCH VE- DENÍ Komunikační systém můžeme zjednodušeně popsat jako řetězec ve schématu s vyznačením negativních vlivů (obrázek 2.1). Reálný komunikační systém je pochopitelně značně složitější, ale pro objasnění a identifikaci zásadních vlivů je tento model dostatečný. Z obrázku 2.1 je patrná struktura jak modemu, tak i okolního prostředí, které má významný vliv na výslednou účinnost přenosu informací. Zdroj Kódování zdroje Kanálové kódování Rušení Přenosový kanál Změna topologie, Změna impedance Kanálové dekódování Dekódování zdroje Příjemce Obr. 2.1: Zjednodušené schéma komunikačního řetězce [7] 2.1 Náhradní model přenosového kanálu Silnoproudé rozvody se dají zobecnit na sériově-paralelní obvod, který se vyznačuje poměrně velkým útlumem. Útlum je způsoben výraznou paralelní kapacitou a sériovou indukčností. Silnoproudé vedení tedy můžeme nahradit schématem, které charakterizuje jeho skutečné hodnoty. Náhradní schéma je zobrazeno na obrázku 2.2. Pro charakteristiku přenosových vedení se používají čtyři charakteristické veličiny, tzv. primární parametry. Těmito parametry popisujeme přenosové vlastnosti vedení a využíváme je pro výpočty a náhradní modely vedení. Za primární parametry považujeme: odpor - R (Ω), 15

17 Zdroj Náhradní model vedení Zátěž Z S R dx L dx C dx G dx U U S U 1 U x-du x U 2 x Z L x = 0 x x+dx x = l Obr. 2.2: Náhradní model přenosového vedení [8] indukčnost - L (H), kapacita - C (F), svod - G (S) [9]. Z primárních parametrů jsou odvozeny sekundární parametry: charakteristická impedance - Z C (Ω), měrný činitel přenosu - γ (-). 2.2 Primární parametry Primární parametry můžeme vypočítat z rozměrů a fyzikálních vlastností materiálů vedení podle vzorců [10]: Odpor kde μ r - relativní magnetická permeabilita, μ 0 - permeabilita vzduchu, σ - konduktivita, a - poloměr vodiče, d - vzdálenost mezi středy vodičů. d R μr μ 0 f = 2a πσa 2, (2.1) ( d 2a ) Indukce L = μ rμ 0 π cosh 1 ( ) d. (2.2) 2a 16

18 2.2.3 Kapacita kde ε r - relativní permitivita, ε 0 - permitivita vakua. C = πε r ε 0 cosh ( ), (2.3) 1 d 2a Svod G = 2πfC tan δ. (2.4) 2.3 Sekundární parametry Sekundárními parametry jsou charakteristická impedance Z C a měrný činitel přenosu γ. Sekundární parametry jsou odvozeny z primárních parametrů Charakteristická impedance Charakteristickou impedanci lze vyjádřit komplexním číslem, které je definováno vztahem: Z C = Měrný činitel přenosu Měrný činitel přenosu popisuje rovnice: kde α - měrný útlum, γ = β - měrný fázový posuv. R + jωl G + jωc. (2.5) (R + jωl)(g + jωc) = α + jβ, (2.6) 2.4 Rušení Rušení nebo jakýkoliv signál se dá popsat spektrální hustotou výkonu. Spektrální hustota výkonu se dá definovat jako [11]: Na spektrum signálu se lze dívat jako na funkci, která nám říká, jaká část výkonu je nesena jakými frekvenčními složkami: je to funkce spektrální hustoty výkonu. Celkový výkon přenášený signálem pak bude integrál PSD od - nekonečna do nekonečna. PSD například šumu se udává ve Wattech na Hertz. 17

19 PSD PSD PSD PSD PSD Charakterizování vlivu rušení v PLC prostředí bylo věnováno hodně prací a měření. Zajímavý popis je uveden v [9] a [12], kde je charakterizováno jako součet pěti různých typů rušení. Liší se od sebe jejich vznikem, délkou trvání, obsazením frekvenčního pásma a intenzitou. Zjednodušený blokový model, kde jsou zahrnuty všechny druhy rušení, znázorňuje obrázek f f f f f Vysílač s(t) Kanál r(t) Přijímač Obr. 2.3: Rušení na silnoproudém vedení Barevný šum na pozadí (typ 1) má relativně nízkou spektrální hustotu výkonu (PSD), závislou na frekvenci. Jeho PSD je proměnná v čase a tento typ rušení je v silnoproudé síti vždy přítomen. Barevný šum na pozadí je tvořen součtem velkého počtu zdrojů rušení s nízkou PSD. Úzkopásmové rušení (typ 2) je většinou tvořeno sinusovými signály s vysokou spektrální hustotou výkonu. Tento typ rušení je způsoben hlavně vlivem rozhlasových stanic vysílajících ve středovlnném a krátkovlnném pásmu. Úroveň šumu se během dne mění. Je to způsobeno lidskou aktivitou. Periodické impulzní rušení, asynchronní k síťové frekvenci (typ 3). Tyto pulzy se ve většině případů opakují s periodou od 50 khz do 200kHz. Doba trvání je od několika μs až po ms. Tento druh rušení je způsobován působením spínacích prvků v distribuční síti. Periodické impulzní rušení, synchronní se síťovou frekvencí (typ 4). Tyto pulzy se opakují s frekvencí 50 Hz (pro Evropu). Trvají jen krátkou dobu (několik μs) a jejich PSD s rostoucí frekvencí klesá. Je způsobováno např. zdroji energie. Asynchronní impulzní rušení (typ 5) se objevuje zcela náhodně a trvá od několika μs až po pár ms. Hodnota spektrální hustoty výkonu může dosáhnout až o 50 db více než šum na pozadí. 18

20 3 PLC SIMULÁTOR Na rozdíl od jiných technologií je pro PLC k dispozici pouze několik volně dostupných simulačních nástrojů. Většina z nich je realizována v prostředí programu Matlab. K dispozici jsou například simulátory Cañete [13] nebo FTW [14]. Z důvodu nedostatku simulačních nástrojů byl na univerzitě ve Vancouveru 1 vyvinut framework pro simulace PLC komunikace v prostředí NS-3 (Network Simulator 3) [15]. Framework pro simulace PLC komunikace v prostředí NS-3 (dále jen NS-3 Simulátor) umožňuje definovat nejrůznější topologie a zahrnout do simulace časově a frekvenčně proměnné chování PLC kanálu. Výhodou NS-3 oproti Matlabu je, že v NS-3 jsou implementovány knihovny pro velké množství komunikačních technologií. Díky tomu může uživatel spojit více technologií a simulovat například aplikace pro chytré sítě (Smart grid) či heterogenní/hybridní sítě. NS-3 Simulátor se skládá z modulu určeného NS-3 a grafického rozhraní (dále jen GUI - Graphic User Interface). Modul PLC simulátoru umožňuje provádět simulace PLC sítí v simulačním prostředí NS-3. Modul je určen pro vývoj a testování aplikací v rámci přenosu výkonu mezi PLC zařízeními v síťové topologii. Uživatel musí specifikovat parametry topologie jako jsou geometrické uspořádání, používané typy kabelů, hodnoty impedancí a umístění PLC zařízení v síti [16]. Pro práci s PLC simulátorem v NS-3 se využívá editor eclipse. Tento editor umožňuje tvořit, měnit a ladit ( debuggovat ) C++ soubory v NS-3. V rámci softwaru PLC simulátoru autoři [15] vytvořili grafické rozhraní, které slouží k visuální reprezentaci navrhované sítě. Rozhraní umožňuje uživateli intuitivní tvorbu topologií, přiřazování parametrů jednotlivých prvků a generování přenosových funkcí. Pracovní adresář GUI obsahuje spouštěcí soubory pro grafické rozhraní, simulátor přenosových funkcí a tři pracovní adresáře. Pro práci jsou důležité adresáře data a diagrams. V adresáři cables se nachází seznam kabelů, které je možné použít pro simulaci pomocí GUI. 3.1 Vlastnosti NS-3 Simulátoru Zde budou popsány vlastnosti NS-3 Simulátoru v počátečním stavu od autorů [15]. 1 University of British Columbia, Vancouver, Canada 19

21 3.1.1 Uzly Uzly reprezentují vrcholy nebo křižovatky v topologii. Mohou mít přiřazené speciální role jako vysílač nebo přijímač, zdroj rušení nebo jako bod křížení. Impedance Framework podporuje až čtyři druhy impedancí. Jsou to pevná (fixní), frekvenčně proměnná, časově proměnná a kombinace frekvenčně a časově proměnné impedance [15]. Pevná impedance je nejjednodušší typ impedance, který je vyjádřen pouze komplexním číslem. Frekvenčně proměnná impedance se může zadávat jako vektor komplexních čísel, kde každé komplexní číslo odpovídá impedanci pro jednotlivý vzorek frekvence. Druhou možností (využívanou v prostředí eclipse) je zadání impedance definované jako parametry paralelního rezonančního RLC obvodu. V grafickém rozhraní je impedance zadávána pomocí souboru s příponou vdf. Tvůrci k simulátoru přidali soubor s frekvenčně proměnnou impedancí. Byl pojmenován Freqvarying a jeho průběh je zobrazen na obrázku 3.1. Průběh frekvenčně proměnné impedance je v rozporu s průběhy v literatuře [5]. Ve zdrojových kódech ani v dokumentaci k simulátoru není definováno, v jakých veličinách jsou vdf soubory. Časově proměnná impedance je zadávána jako vektor komplexních čísel. Stejně jako frekvenčně proměnná je zadávána pomocí vdf souboru. Tvůrci opět přiložili vdf soubor (ScenarioA). Obsah souboru je vykreslen na obrázku 3.2. Průběh časově proměnné impedance je také v rozporu s literaturou [5] a z tohoto důvodu nebudou tyto soubory pro další simulace využitelné. Frekvenčně a časově proměnná impedance se zadává jako matice komplexních čísel. Tento typ impedance kombinuje vlastnosti frekvenčně a časově proměnných impedancí. Každý prvek matice odpovídá specifickému páru času a frekvence. PLC uzel Je základním prvkem celé topologie. Uzlu, kterému je přiřazena role vysílače nebo přijímače, může být přiřazena hodnota impedance. Zdroj rušení Uzel může být také v roli zdroje rušení. Pro reprezentaci souhrnného zdroje rušení na pozadí byly implementovány dvě funkce. První funkcí je bílý šum určité úrovně 20

22 10 9 Zreal(f) Zimag(f) 25 Zreal(f) Zimag(f) Impedance (Ω) Impedance (Ω) Frekvence (khz) Time (ms) Obr. 3.1: Grafické zobrazení hodnot Obr. 3.2: Grafické zobrazení hodnot v souboru Freqvarying.vdf v souboru ScenarioA.vdf a druhou funkcí je barevný šum [15]. Pro simulaci impulzního rušení byly zavedeny další dvě funkce. První funkcí je zdroj rušení s uživatelem nastavenou spektrální hustotou výkonu a druhá funkce generuje náhodné proměnné pro určení délky rušícího impulzu [15]. Funkci rušení je možné využít pouze u simulací prováděných v NS-3, jelikož tato funkce nebyla do grafického rozhraní implementována Vedení Hrana neboli vedení spojuje dva uzly v síti a je druhým základním prvkem v topologii. V rámci simulátoru byly implementovány 3 typy kabeláže používané v USA. Jmenovitě to jsou čtyřžilové kabely NAYY 150SE, NAYY 50SE a třížilový kabel AL3X95XLPE. 21

23 4 UKÁZKOVÉ PROGRAMY PLC Simulátor obsahuje celkem čtyři ukázkové programy. Základní znalosti pro práci s PLC simulátorem jsou demonstrovány v programech plc-psd-example a plc-macexample. Z tohoto důvodu je těmto dvěma scénářům věnována větší pozornost a jsou detailně popsány jednotlivé části zdrojového kódu. Také jsou popsány výsledky po spuštění ukázkových programů. 4.1 Program: plc-psd-example Tento ukázkový program slouží jako základní návod pro práci s PLC Simulátorem. V programu je demonstrováno, jak vytvořit nové uzly, kabely a také jak vypočítat spektrální hustotu výkonu (PSD) a SINR na straně přijímače [16]. Jelikož se jedná o základní program, ze kterého vychází všechny další programy, bude detailně popsán krok za krokem Popis zdrojového kódu programu Vytvoření jednoduché topologie s 2 uzly Vytvoříme nejjednodušší topologii skládající se ze dvou uzlů spojených kabelem. Nejprve vytvoříme uzly n1 a n2 a přiřadíme jim pozici. // Vytvoření uzlů Ptr < PLC_Node > n1 = CreateObject < PLC_Node > (); Ptr < PLC_Node > n2 = CreateObject < PLC_Node > (); n1 -> SetPosition (0,0,0) ; n2 -> SetPosition (1000,0,0) ; PLC_ NodeList nodes ; nodes. push_back (n1); nodes. push_back (n2); Propojení uzlů kabelem Stejně jako v grafickém rozhraní musíme spojit uzly kabelem. K tomuto účelu slouží následující část kódu. // Vytvoření určitého typu kabelu Ptr < PLC_ Cable > cable = CreateObject < PLC_ NAYY150SE_ Cable > ( sm); // Propojení uzlů CreateObject < PLC_Line > ( cable, n1, n2); 22

24 Definice spektrálního modelu // Definice spektrálního modelu PLC_SpectrumModelHelper smhelper ; Ptr < const SpectrumModel > sm, sm1 ; sm = smhelper. GetSpectrumModel (0, 10 e6, 100) ; Vytvoření přenosového kanálu // Vytvoření kanálu PLC_ ChannelHelper channelhelper ( sm); channelhelper. Install ( nodes ); Ptr < PLC_ Channel > channel = channelhelper. GetChannel (); Vytvoření vysílacích a přijímacích rozhraní // Vytvoření rozhraní Ptr < PLC_ TxInterface > txif = CreateObject < PLC_ TxInterface > ( n1, sm); Ptr < PLC_ RxInterface > rxif = CreateObject < PLC_ RxInterface > ( n2, sm); // Přiřazení rozhraní ke kanálu channel -> AddTxInterface ( txif ); channel -> AddRxInterface ( rxif ); Nyní jsme úspěšně vytvořili topologii s vysílačem a přijímačem. Výpočet přenosové funkce kanálu Chceme-li počítat CTF, je nutné nejdříve inicializovat vysílací kanál: channel -> InitTransmissionChannels (); channel -> CalcTransmissionChannels (); Druhý řádek počítá CTF mezi všemi uzly. Chceme-li získat hodnotu jen mezi dvěma uzly (například i a j), tak použijeme: Ptr < PLC_TransferBase > ctv = channel -> GetChannelTransferData (i,j); Výpočet PSD na přijímací straně Abychom mohli vypočítat PSD na straně přijímače, je nutné nejdříve definovat PSD na straně vysílače: Ptr < SpectrumValue > txpsd = Create < SpectrumValue > ( sm); (* txpsd ) = 1e -8; // -50 dbm /Hz 23

25 Nyní můžeme vypočítat PSD na straně přijímače jako funkci PSD na straně vysílače: Ptr < PLC_ChannelTransferImpl > chimpl = txif -> GetChannelTransferImpl ( PeekPointer ( rxif )); NS_ASSERT ( chimpl ); Ptr < SpectrumValue > rxpsd = chimpl -> CalculateRxPowerSpectralDensity ( txpsd ); Pro výpis PSD na straně vysílače a přijímače slouží příkazy: NS_ LOG_ UNCOND (" Transmit power spectral density :\ n" << * txpsd << "\ n "); NS_LOG_UNCOND (" Receive power spectral density :\n" << * rxpsd << "\n" ); Výpočet Signal-to-noise-plus-interference-ratio Pro výpočet SINR je nutné nastavit úroveň šumu na přenosovém kanálu. Úroveň šumu je nastavována metodou SetNoiseFloor z třídy definující rušení. Tato metoda se aktivuje funkcí StartRx. Poté je možné provést výpočet SINR pomocí funkce GetSinr(). // SINR je počítán funcemi z třídy PLC_ Interference PLC_ Interference interference ; Ptr < SpectrumValue > noisefloor = Create < SpectrumValue > ( sm); (* noisefloor ) = 1e -9; interference. SetNoiseFloor ( noisefloor ); interference. StartRx ( rxpsd ); Ptr < const SpectrumValue > sinr = interference. GetSinr (); Pro výpis úrovně šumu a hodnot SINR se použijí příkazy: NS_ LOG_ UNCOND (" Noise power spectral density :\ n" << * noisefloor << " \n"); NS_ LOG_ UNCOND (" Signal to interference and noise ratio :\ n" << * sinr ) ; Výstup programu Výstupem programu je výpis PSD na straně vysílače, PSD na straně přijímače, PSD šumu a vypočítané hodnoty SINR. Výpis z konzole je zachycen na obrázku

26 Obr. 4.1: Výstup programu plc-psd-example 4.2 Program: plc-mac-example Tento ukázkový program se zabývá použitím implementovaného protokolu o přístupu ke sdílenému médiu. Konkrétně autoři implemetovali protokol CSMA/CA [16]. Topologie je stejná jako u předchozího příkladu, a tudíž je první část zdrojového kódu shodná s předešlým programem (vytvoření uzlů a propojení kabelem). Program demonstruje, jak povolit protokol CSMA/CA na každém uzlu. Paket je odesílán z jednoho uzlu na druhý. Po povolení logování a tisku paketů jsou všechny události spojené s přístupem ke sdílenému médiu vypisovány do konsole Popis zdrojového kódu Povolení logování a tisk paketů // Povolení logování LogComponentEnableAll ( LOG_PREFIX_TIME ); LogComponentEnable (" PLC_Mac ", LOG_LEVEL_FUNCTION ); // Povolení tisku paketů Packet :: EnablePrinting (); Vytvoření vývodů Na jednotlivé uzly jsou instalovány vývody a každému vývodu je přiřazeno poloduplexní fyzické rozhraní. Ptr < PLC_Outlet > o1 = CreateObject < PLC_Outlet > (n1); Ptr < PLC_Outlet > o2 = CreateObject < PLC_Outlet > (n2); 25

27 Vytvoření fyzických rozhraní Ptr < PLC_ InformationRatePhy > phy1 = CreateObject < PLC_ InformationRatePhy >() ; Ptr < PLC_ InformationRatePhy > phy2 = CreateObject < PLC_ InformationRatePhy >() ; phy1 -> CreateInterfaces (o1, txpsd ); phy2 -> CreateInterfaces (o2, txpsd ); Nastavení šumu na pozadí pro každé fyzické rozhraní Ptr < SpectrumValue > noisefloor = CreateWorstCaseBgNoise (sm) -> GetNoisePsd (); phy1 -> SetNoiseFloor ( noisefloor ); phy2 -> SetNoiseFloor ( noisefloor ); Nastavení modulace a kódování phy1 -> SetHeaderModulationAndCodingScheme ( ModulationAndCodingScheme ( BPSK_1_2,0) ); phy2 -> SetHeaderModulationAndCodingScheme ( ModulationAndCodingScheme ( BPSK_1_2,0) ); phy1 -> SetPayloadModulationAndCodingScheme ( ModulationAndCodingScheme ( BPSK_RATELESS,0) ); phy2 -> SetPayloadModulationAndCodingScheme ( ModulationAndCodingScheme ( BPSK_RATELESS,0) ); Vytvoření MAC vrstev // Vytvoření Arq - MAC protokolů Ptr < PLC_ ArqMac > mac1 = CreateObject < PLC_ ArqMac > (); Ptr < PLC_ ArqMac > mac2 = CreateObject < PLC_ ArqMac > (); Ke každému mac je přiřazeno fyzické rozhraní mac1 -> SetPhy ( phy1 ); mac2 -> SetPhy ( phy2 ); Každému mac je přiřazena mac adresa mac1 -> SetAddress ( Mac48Address (" 00:00:00:00:00:01 ")); mac2 -> SetAddress ( Mac48Address (" 00:00:00:00:00:02 ")); 26

28 Nastavení funkce Callback Funkce Callback je vyvolána po vzniku určité události. Uživatel může funkci Callback využít pro různá opatření. Například přijetí ACK: mac1 -> SetMacAcknowledgementCallback ( MakeCallback (& ReceivedACK )); Uživatel může definovat svou funkci, která bude provedena po provedení požadované akce: void ReceivedACK ( void ) { NS_LOG_UNCOND ( Simulator :: Now () << ": ACK received!"); } Vytvoření paketu a naplánování jeho odeslání popisuje následující část zdrojového kódu: // Vytvoření paketu pro odeslání Ptr < Packet > p = Create < Packet > (1024) ; // Naplánování odeslání paketu p z fyzického rozhraní 0 na rozhraní 1 v čase 1 s Simulator :: Schedule ( Seconds (1), & PLC_Mac :: Send, mac1, p, Mac48Address (" 00:00:00:00:00:02 "));} Výstup programu Výstupem programu je výpis všech akcí spojených s přístupem ke sdílenému médiu. Důležité části výpisu i s časy jsou následující: 0 s - přiřazení fyzických rozhraní a mac adres, 0s PLC_Mac : SetCcaRequestCallback (0s PLC_Mac : DoGetPhy (0 x8b0a378 ) PLC_Mac [, Node1, ] :, 0 x8b0a378 ) 0s PLC_Mac : SetCcaRequestCallback (0s PLC_Mac : DoGetPhy (0 x8af2700 ) PLC_Mac [, Node2, ] :, 0 x8af2700 ) 0s PLC_Mac : SetAddress (0 x8b0a378, 00:00:00:00:00:01) 0s PLC_Mac : SetAddress (0 x8af2700, 00:00:00:00:00:02) 1,01792 s - odeslání paketu uzlem 1, s PLC_Mac : TriggerTransmission ( s PLC_Mac : DoGetPhy (0 x8b0a378 ) PLC_Mac [, Node1, ] :, 0 x8b0a378 ) s Sending data : ns3 :: PLC_ MacHeader ( destination address = 00:00:00:00:00:02, source address = 00: 00: 00: 00: 00: 01, type = 0, sequence number = 61859, message length = 1024, has relay mac header = 0) Payload ( size =1024) 27

29 1,25298 s - přijetí paketu uzlem 2, s PLC_Mac : DoGetPhy (0 x8af2700 ) PLC_Mac [ Node2 ]: Received packet : ns3 :: PLC_ MacHeader ( destination address = 00: 00: 00: 00: 00: 02, source address = 00:00:00:00:00:01, type = 0, sequence number = 61859, message length = 1024, has relay mac header = 0) Payload ( size =1024) 1,2709 s - odeslání ACK z uzlu 2 na uzel 1, s PLC_Mac : TriggerTransmission ( s PLC_Mac : DoGetPhy (0 x8af2700 ) PLC_Mac [, Node2, ] :, 0 x8af2700 ) s Sending ack : ns3 :: PLC_ MacHeader ( destination address = 00:00:00:00:00:01, source address = 00: 00: 00: 00: 00: 02, type = 1, sequence number = 61859, message length = 0, has relay mac header = 0) 1,28447 s - přijetí ACK a výpis zprávy o přijetí ACK. V posledním řádku je vypsán uplynulý čas od odeslání paketu až po přijetí ACK s PLC_Mac : DoGetPhy (0 x8b0a378 ) PLC_Mac [ Node1 ]: Received packet : ns3 :: PLC_ MacHeader ( destination address = 00: 00: 00: 00: 00: 01, source address = 00:00:00:00:00:02, type = 1, sequence number = 61859, message length = 0, has relay mac header = 0)) s PLC_Mac : NotifyAcknowledgement ( s PLC_Mac : DoGetPhy (0 x8b0a378 ) PLC_Mac [, Node1, ] :, 0 x8b0a378 ) ns: ACK received! 4.3 Program plc-test V programu je ukázáno, jak může uživatel vytvářet topologie s více prvky. Poté jsou pomocí funkcí InitTransmissionChannels a CalcTransmissionChannels vypočítány přenosové funkce mezi jakýmikoliv dvěma uzly v síti. Za pomoci plánovací funkce je na jeden vývod v topologii připojena frekvenčně a časově proměnná impedance (time-variant frequency selective impedance) v čase 0,5 s. Následně jsou ve smyčce vypočítávány přenosové funkce mezi jakýmikoliv dvěma uzly v síti a následně je rozhodnuto, která přenosová funkce je časově proměnná. 28

30 4.3.1 Výstup programu Obr. 4.2: Výstup scénáře plc-test 29

31 5 RUŠENÍ Autoři do frameworku implementovali dva typy rušení. Podle uvedené teorie v kapitole 2.4 se jedná o šum na pozadí (typ 1) a asynchronní impulzní rušení (typ 5). Také v simulátoru pro odstup signálu od šumu užívají zkratku SINR (Signal-To- Interference-plus-Noise Ratio) místo zkratky SNR (Signal-To-Noise Ratio) užívané v jiných zdrojích, které se zabývají problematikou rušení v PLC komunikaci ([9], [17], [18]). Rozdíl mezi SNR a SINR není jednoznačně definován a pojem SINR se více využívá v bezdrátových technologiích. V tomto případě bylo pravděpodobně záměrem autorů rozlišit vliv šumu na pozadí (ve zkratce SINR jako Noise) a impulzního rušení (Interference). 5.1 Šum na pozadí V NS-3 Simulátoru byly implementovány dvě funkce pro šum na pozadí. Konkrétně se jedná o bílý a barevný šum. Bílým šumem je myšleno rušení o určité hodnotě PSD, které se nemění v čase ani ve frekvenci. U barevného šumu autoři vycházeli z měření uvedených v literatuře [19], kde je šum definován rovnicí: S n (f) = a + b f c [dbm/hz], (5.1) kde a, b a c jsou parametry závislé na místě, kde bylo prováděno měření a f reprezentuje frekvenci v MHz. Jsou uvažovány dva případy. Nejlepší případ, kde hodnoty (a,b,c) jsou (-140; 38,75; -0,720), a nejhorší případ, kde hodnoty (a,b,c) jsou (-145; 53,23; -0,337). Průběhy obou případů jsou zobrazeny na obrázku Comparison of noise cases Best noise Worst noise 94 Noise(dBm/Hz) Frequency (MHz) Obr. 5.1: Základní šum na pozadí 30

32 V rámci diplomové práce byl NS-3 Simulátor rozšířen o další tři typy šumu na pozadí. Šum střední úrovně (na obrázku 5.3 zobrazen jako Medium noise floor) a další dva typy jsou založeny na definici šumu na pozadí v literatuře [9] a [12] (dále jen šum dle Hrasnici [9]), kde je popsáno rovnicemi: N BN (f) = e f[mhz] 3,6 (5.2) N BN (f) = e f[mhz] 8,6 (5.3) Šum je v tomto případě vyjádřen v jednotkách dbμv/hz 1/2. První rovnice je určena pro prostředí v obytné zóně (v grafu jako residental noise floor) a druhá je určena pro průmyslovou zónu (v grafu jako industrial noise floor). Průběhy šumu na pozadí pro obytnou a průmyslovou zónu jsou zobrazeny na obrázku Residental and Industrial enviroment noise floor Residental noise floor Industrial noise floor 95 Noise (dbµv/hz 1/2 ) Frequency (MHz) Obr. 5.2: Průběhy šumu na pozadí pro obytnou a průmyslovou zónu Aby bylo možné používat (a provnat) všechny typy šumu na pozadí v simulátoru, bylo nutné převést šum dle Hrasnici na jednotky dbm/hz podle rovnic 5.4 až 5.7. N[dBμV/Hz 1/2 ] = e f[mhz] 3,6, (5.4) N[V/Hz] = 1e 6 10 N[dBμV /Hz1/2 ] 20, (5.5) N[mW/Hz] = 1e 3 (N[V/Hz])2, (5.6) 50 N[dBm/Hz] = 10 log N[mW/Hz]. (5.7) 1e 3 Průběhy všech uvedených možností pro šum na pozadí jsou dostupné v příloze jako mat soubory. Porovnání všech průběhů barevného šumu je zobrazeno na obrázku

33 Comparison of noise floors Best noise floor Medium noise floor Worst noise floor Residental noise floor Industrial noise floor Noise(dBm/Hz) Frequency (MHz) Obr. 5.3: Průběhy všech případů barevného šumu 5.2 Impulzní rušení Impulzní zdroje rušení jsou v NS-3 Simulátoru modelovány prostřednictvím dvou funkcí. První funkce představuje zdroj rušení s uživatelem definovanou úrovní PSD a dobou trvání. Druhá funkce generuje dvě náhodná čísla, která představují hodnoty pro dobu trvání impulzu (rušení aktivní) a dobu mezi pulsy (když je zdroj rušení neaktivní). Nejsou zde žádné přechodné impulsy, které by měly vliv na tvar rušivé PSD. Místo toho se rušivá PSD zapíná a vypíná. Funkce s náhodnou dobou trvání impulzu je v PLC frameworku definována v souboru noise.cc jako: PLC_ImpulsiveNoiseSource (Ptr < PLC_Node > src_node, Ptr < SpectrumValue > noisepsd, RandomVariable * pulselen_ gen, RandomVariable * pulsegap_ gen ) Src_node = uzel, který je zdrojem rušení, noisepsd = PSD rušivého signálu, pulselen_gen = náhodná proměnná, pro dobu trvání rušivého impulsu, pulsegap_gen = náhodná proměnná, pro dobu, kdy je rušení neaktivní. Teoretický model pro impulzní rušení (používaný v tomto simulátoru) je graficky znázorněn na obrázku 5.4 a je definováno třemi parametry: A i je amplituda impulzu, t w je šířka impulzu, t a je interval mezi pulzy. A i je dána hodnotou PSD rušivého signálu a t w a t a jsou náhodné proměnné. Šířka rušivého impulzu (pulselen_gen = t w ) je náhodně volena z rozsahu 0 až 1 s 32

34 Amplitude (V) tw tw Ai ta ta Time (s) Obr. 5.4: Model pro impulzní rušení a šířka mezery (pulselen_gap = t a ) je náhodně volena z rozsahu 0 až 2 s. Použití toho modelu je však v rozporu s teorií uvedenou v kapitole 2.4 (impulzní rušení typ 5), kde se délka rušivého impulzu pohybuje v rozmezí několika μs až ms. Příklad, jak by vypadalo impulzní rušení generované v NS-3, je zobrazen na obrázku 5.5, kde délka pulsu je rovna hodnotě 0,81 s a délka mezery mezi pulzy je 1,81 s. 10 Impulsive noise floor 0 Noise PSD(dBm/Hz) Time (s) Obr. 5.5: Impulzní rušení vygenerované v NS-3 33

35 5.3 Shrnutí vlivu rušení v NS-3 Simulátoru Tvůrci NS-3 simulátoru implementovali dva druhy rušení: šum na pozadí a impulzní rušení. Šum na pozadí je dále rozdělen na dva typy: bílý a barevný šum. Bílým šumem je myšleno rušení o určité hodnotě PSD, které se nemění v čase ani ve frekvenci. Barevný šum se zakládá na měřeních provedených v literatuře [19]. Představují ho dva možné případy (nejhorší a nejlepší). V rámci diplomové práce byl implementován střední případ šumu na pozadí. Dále byly přidány další dva možné typy barevného šumu, které se zakládají na výpočtech v literatuře [9]. Také bylo detailně analyzováno impulzní rušení, ale po zahrnutí impulzního rušení do scénáře dochází k chybě a impulzní rušení není pro simulace využitelné. Simulátor pracuje pouze na fyzické a linkové vrstvě referenčního modelu ISO/OSI a zabývá se hlavně vlastnostmi přenosového kanálu (v obrázku 5.6 pole kanál). Z obrázku 5.6 je také patrné, že vliv rušení je v simulacích přidáván až po vytvoření přenosového kanálu. Aby se mohl projevit a být simulován vliv rušení, bylo by nutné implementovat do komunikačního řetězce všechny funkce vysílací a přijímací části. To však není cílem diplomové práce. Rušení Úzkopásmové rušení Šum na pozadí Impulzní rušení Vysílač s(t) Kanál r(t) Přijímač Obr. 5.6: Zjednodušený komunikační řetězec [24] 34

36 6 KAPACITA LINKY Simulátor umožňuje vypočítat kapacitu přenosového AWGN kanálu pro SINR v rozsahu [ 10 : 1 : 40] db [15]. Pro kanál s omezeným kmitočtovým pásmem, kde je k užitečnému signálu přidán bílý šum (AWGN kanál - Additive White Gausian Noise), se kapacita přenosového kanálu počítá jako: ( C = B log S ) R [bit/s], (6.1) N kde B je šířka pásma kanálu a S R /N je odstup signálu od šumu na straně přijímače [20]. Při znalosti PSD na straně přijímače Φ RR (f), na straně vysílače Φ T T (f), rušení Φ NN (f) a přenosové funkce H(f) je možné vypočítat kapacitu pro jednotlivá subpásma podle [20]: C = C = finb log 2 finb ( log 2 ( 1 + Φ ) RR(f) Φ NN (f) 1 + Φ T T (f) H(f) 2 Φ NN (f) ) [bit/s]. (6.2) Kanál je rozdělen do N úzkopásmových subkanálů (subpásem) s šířkou Δf = B/N, kde N je počet vzorků přenosových funkcí H(νΔf) a PSD šumu Φ NN (νδf). Počet subpásem zadáváme při definici spektrálního modelu ve scénáři (příklad v ukázkovém scénáři 4.1). Celková kapacita kanálu se dá vypočítat podle [20]: ( N C Δf log Φ T T (νf) H(νf) 2 ) ν=1 Φ NN (νf) [bit/s]. (6.3) V NS-3 Simulátoru je kapacita linky počítána dle vztahu 6.2 a je vyjádřena v jednotkách bit/s. Na základě znalosti SINR a typu modulace to umožňuje funkce GetCapacity(). Jako konstruktory (vstupy) funkce musíme dosadit vypočítaný odstup signálu od šumu, typ modulace, kterou chceme při přenosu použít, a počet stavů modulace. Příklad použití ve scénáři: Ptr < SpectrumValue > capacity = Create < SpectrumValue > ( sm); (* capacity ) = GetCapacity (* sinr, PSK, 64) ; NS_LOG_UNCOND (" Capacity :\n" << * capacity <<"\n"); Výstupem funkce je kapacita linky pro jednotlivá subpásma. Vztah 6.3 v simulátoru není implementován. 35

37 Modulace a kódovací schémata V simulacích můžeme využít následující modulační a kódovací schémata: BPSK_1_4, BPSK_1_2, QPSK_1_2, QAM16_1_2, QAM64_16_21, BPSK_RATELESS, QAM4_RATELESS, QAM16_RATELESS, QAM32_RATELESS, QAM64_RATELESS Zlomek za modulací určuje kódovací schéma neboli také kódovací rychlost. Tento zlomek vyjadřuje poměr mezi užitečnými a redundantními daty v datovém toku. Tento poměr může být vyjádřen i v procentech. U modulací s příponou RATELESS se negenerují žádná redundantní data, takže z hlediska kódovacích schémat by měly být efektivnější [21]. Na druhou stranu v zarušeném prostředí mohou být efektivnější modulace s nižším užitečným datovým tokem. 36

38 7 RŮZNÉ PŘÍSTUPY K VÝPOČTU PRIMÁR- NÍCH PARAMETRŮ Jak bylo řečeno v kapitole 2, pro charakteristiku přenosových vedení se používají čtyři charakteristické veličiny, tzv. primární parametry: odpor - R (Ω), indukčnost - L (H), kapacita - C (F), svod - G (S). Z primárních parametrů jsou odvozeny sekundární parametry: charakteristická impedance - Z C (Ω), měrný činitel přenosu - γ (-). Při modelování PLC kanálu se na přenosový kanál nahlíží z více pohledů. Na vedení lze nahlížet jako na prostředí s vícecestným šířením signálu nebo jako na řetězec kaskádně zapojených dvojbranů. Framework pro modelování PLC komunikace v NS-3 je založen na teorii kaskádně zapojených dvojbranů. Vedení a prvky sítě jsou reprezentovány dvouvodičovým vedením, které je popsáno ABCD parametry. Tento přístup k modelování je označován jako transmission line theory TLT [15]. PLC Simulátor byl srovnáván s dostupnými simulátory. FTW PLC Simulátorem a Cañete PLC simulátorem. Oba simulační nástroje jsou realizovány v prostředí Matlab. Výhodou FTW simulátoru je volná dostupnost zdrojových kódů, díky čemuž bylo možné prostudovat funkci simulátoru. Naopak simulátor Cañete veřejně nesdílí zdrojový kód a uživatel může upravovat pouze soubor config.m, který umožňuje definici parametrů potřebných pro simulaci. Simulátor Cañete nevykresluje grafy a uživatel si tuto funkci musí obstarat sám. Pro srovnání s jinými volně dostupnými simulátory je uvažována topologie použitá v literatuře [13] a [14]. Topologie je zobrazena na obrázku 7.1. Hodnoty impedancí jednotlivých uzlů a jejich pozice v topologii jsou uvedeny v tabulce 7.1. Pro srovnání byl stejně jako v [13] i [14] použit kabel CYKY 3x2,5. Tento měděný kabel je v současnosti nejvíce využívaný v elektroinstalacích v České republice [22]. Tab. 7.1: Parametry uzlů v topologii Uzel n1 n2 n3 n4 n5 n6 n7 n8 Impedance [Ω] Pozice [x, y, z] 0,0,0 5,0,0 5,10,0 15,0,0 15,5,0 25,0,0 25,5,0 35,0,0 V praxi se pro získání primárních parametrů využívají různé výpočty. Jedním typem výpočtu je výpočet podle rovnic v kapitole 2, které jsou odvozeny z fyzikálních 37

39 n 3 10 m n 5 n 7 5 m 5 m 10 m n 1 n 2 n 4 10 m 5 m 10 m n 6 n 8 Obr. 7.1: Porovnávací topologie parametrů vedení (dále jen odvozený výpočet). Jiný postup pro výpočet primárních parametrů je použit v literatuře [14] (dále jen výpočet dle FTW). Výpočet sekundárních parametrů se shoduje ve všech použitých literárních zdrojích. 7.1 Odvozený výpočet Jak již bylo řečeno v kapitole 2, z telegrafních rovnic byly odvozeny rovnice primárních parametrů: d R μr μ 0 f = 2a πσa 2, (7.1) ( d 2a )2 1 L = μ ( ) rμ 0 d π cosh 1, (7.2) 2a C = πε r ε 0 cosh ( ), (7.3) 1 d 2a G = 2πfC tan δ. (7.4) Porovnání průběhů přenosových funkcí mezi NS-3 Simulátorem a FTW simulátorem zobrazuje obrázek 7.2. Parametry použitého kabelu jsou uvedeny v tabulce 7.2. Porovnání průběhů přenosových funkcí mezi NS-3 Simulátorem a simulátorem Cañete je zobrazeno na obrázku 7.3. Z grafů porovnávajících přenosové funkce mezi simulátory je jasné, že se CTF od sebe výrazně liší. 38

40 Tab. 7.2: Parametry kabelu CYKY 3x2,5 [22] Označení Popis Hodnota a Poloměr vodiče 0,892 mm d Vzdálenost mezi středy vodičů 3,584 mm σ Konduktivita mědi S m 1 μ 0 Permeabilita vzduchu 4 π 10 7 H m 1 μ r Relativní magnetická permeabilita mědi 0,99999 ε 0 Permitivita vakua 8, F m 1 ε r Relativní permitivita izolace FTW Simulator NS 3 Simulator Magnitude [db] Frequency [MHz] Obr. 7.2: Průběhy CTF pro odvozený výpočet a FTW PLC simulátor 39

41 15 10 NS 3 Simulator Canete Simulator 5 Magnitude [db] Frequency [MHz] Obr. 7.3: Průběhy CTF pro odvozený výpočet a Cañete simulátor 7.2 Výpočet dle FTW Tento postup při výpočtu primárních parametrů je použit v literaturách [13] a [14]. U FTW PLC Simulátoru byly primární parametry R, L, C a G odvozeny z dat od výrobců silových kabelů. V [13] jsou uvedeny hodnoty pro různé typy kabelů. Je možné zvolit kabel s průřezem od 1,5 do 10 mm 2, ale obvykle se ve vnitřních elektroinstalacích nepoužívají kabely s větším průřezem než 4 mm 2. Odpor R a vodivost G jsou frekvenčně závislé a jsou popsány rovnicemi: R = R f (7.5) G = G πf (7.6) Hodnoty R 0 a G 0 jsou konstantní, ale pro jednotlivé průřezy kabelů jsou různé. Hondnoty C a L nejsou frekvenčně závislé a jejich hodnota pro jednotlivé průžezy je také různá. Hodnoty pro všechny průřezy kabelů jsou uvedeny v [13]. Pro srovnání s ostatními simulátory byl použit kabel CYKY 3x2,5 a jeho parametry potřebné pro výpočet dle FTW jsou uvedeny v tabulce 7.3. Cañete PLC Simulátor dále obsahuje korelační faktor l pro vodivost G, který určuje ztráty kabelu. Cañete PLC Simulátor tedy pro výpočet G využívá rovnici: G = l G πf (7.7) 40

42 Tab. 7.3: Parametry kabelu CYKY 3x2,5 pro výpočet dle FTW [13] Označení Hodnota Průřez [mm 2 ] 2,5 Z 0 [Ω] 234 C [pf/m] 17,5 L [μh/m] 0,96 R 0 [Ω/m] 9,34 G 0 [S/m] 34,7 Korelační faktor má na vodivost G velký vliv a je uvažován, aby se v simulaci lépe projevil vliv ztrát na kabelu a bylo dosaženo realističtějších výsledků. Korelační faktor je uvažován jen pro tuto referenční topologii. Používá se, protože porovnávací topologie se skládá pouze ze sedmi kabelů s relativně malou délkou. Pro rozsáhlejší topologie není korelační faktor brán v úvahu. Na základě měření provedených v [13] byla u Cañete PLC Simulátoru a FTW PLC Simulátoru hodnota korelačního faktoru nastavena na 5. Po implementaci výpočtu dle FTW do NS-3 Simulátoru bylo provedeno srovnání s ostatními simulátory. Výsledky jsou rozděleny podle nastavené hodnoty korelačního faktoru. U Cañete PLC Simulátoru bohužel nelze nastavovat hodnotu korelačního faktoru, a proto bylo provedeno porovnání vlivu korelačního faktoru hlavně s FTW PLC Simulátorem. Výsledky porovnání jsou zobrazeny na obrázcích 7.4 až FTW Simulator NS 3 Simulator NS 3 Simulator Canete Simulator Magnitude [db] Frequency [MHz] Obr. 7.4: Vlevo je porovnání CTF mezi výpočtem dle FTW (l = 1) a FTW Simulátorem (l = 1) a vpravo porovnání CTF mezi výpočtem dle FTW (l = 1) a Cañete Simulátorem (l = 5) 41

43 0 20 FTW Simulator NS 3 Simulator 0 20 NS 3 Simulator Canete Simulator Magnitude [db] Magnitude [db] Frequency [MHz] Frequency [MHz] Obr. 7.5: Vlevo je Porovnání CTF mezi NS-3 (l = 5) a FTW Simulátorem (l = 5) a vpravo porovnání CTF mezi NS-3 (l = 5) a Cañete Simulátorem (l = 5) 0 5 FTW Simulator NS 3 Simulator 0 5 NS 3 Simulator Canete Simulator Magnitude [db] Magnitude [db] Frequency [MHz] Frequency [MHz] Obr. 7.6: Vlevo porovnání CTF mezi výpočtem dle FTW (l = 0,35) a FTW Simulátorem (l = 0,35) a vpravo porovnání CTF mezi výpočtem dle FTW (l = 0,35) a Cañete Simulátorem (l = 5) 7.3 Porovnání přístupů k výpočtu Podle grafů přenosových funkcí (obrázky 7.4 až 7.7) se porovnávaným simulátorům více přibližuje výpočet dle FTW. V druhé polovině frekvenčního pásma (15 až 30 MHz) se projevuje vliv korelačního faktoru. Při nastavení stejného korelačního faktoru jako u ostatních simulátorů se výsledný průběh přenosové funkce výrazně liší. Pro dosažení podobných výsledků musel být korelační faktor upraven. Pro rozsáhlejší topologie však tento faktor není uvažován, jelikož většina topologií obsahuje více než 7 kabelů. Z tohoto důvodu považuji NS-3 Simulátor za srovnatelný s ostatními simulátory. Porovnání všech tří simulátorů je zobrazeno na obrázku

44 0 5 FTW Simulator NS 3 Smulator Canete Simulator Magnitude (db) Frequency [MHz] Obr. 7.7: Porovnání všech simulátorů s nejlepším korelačním faktorem 43

45 8 SIMULACE 8.1 Simulace v GUI V rámci práce s NS-3 Simulátorem byly prozkoumány i možnosti grafického rozhraní. Návrh ukázkových topologií a simulace přenosové funkce V této části jsou popsány výsledky několika navržených topologií. Hlavním výstupem je přenosová funkce mezi vybranými dvěma uzly v síti. Topologie s fixní impedancí První topologie je rozsáhlá PLC síť skládající se z 30 uzlů s pevnou impedancí. Velikost impedancí byla volena z rozsahu hodnot odpovídajících reálnému prostředí (50 až 700 Ω). Hodnoty jsou uvedeny v tabulce 8.1. Z nabídky kabelů dostupných v GUI byl vybrán čtyřžilový kabel typu NAYY 150SE. Topologie je zobrazena na obrázku 8.1. Obrázek 8.2 zobrazuje přenosové funkce pro linky z uzlu Zs do uzlů Z7, Z12 a Z25. Pozorujeme růst útlumu pro větší vzdálenosti a frekvence. Obr. 8.1: Topologie PLC sítě skládající se z 30 uzlů s pevnou impedancí Obr. 8.2: Přenosová funkce linky z uzlu Zs do uzlů Z7, Z12 a Z25 44

46 Tab. 8.1: Hodnoty impedancí v rozsáhlé topologii Uzel Zs Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Impedance [Ω] Uzel Z10 Z11 Z12 Z13 Z14 Z15 Z16 Z17 Z18 Z19 Impedance [Ω] Uzel Z20 Z21 Z22 Z23 Z24 Z25 Z26 Z27 Z28 Z29 Impedance [Ω] Topologie s frekvenčně a časově proměnnou impedancí Topologie (zobrazená na obrázku 8.3) se skládá z šesti uzlů a tří různých druhů impedancí. Hodnoty impedancí jsou shrnuty v tabulce 8.2. Uzel Z1 má frekvenčně proměnnou impedanci definovanou v souboru Freqvarying.vdf. Časově proměnná impedance pro uzel Z3 je definována v souboru ScenarioA.vdf. Soubory s impedancemi byly definovány tvůrci tohoto simulátoru. Jelikož jsou použity i další druhy impedance než pevná, je pro simulaci nutné správně nastavit spektrální a časový model simulátoru. Parametry spektrálního a časového modulu se musí nastavit podle počtu komplexních čísel ve vdf souboru. Soubor s časově proměnnou impedancí (ScenarioA.vdf) obsahuje 400 hodnot (200 komplexních čísel), a tudíž musíme parametr definující časový modul (Samples per cycles) nastavit na 200 vzorků. Soubor definující frekvenčně proměnnou impedanci obsahuje 1000 hodnot (500 komplexních čísel), takže hodnotu definující frekvenční modul (Frequency Bands) nastavíme na 500 khz. Nenastavíme-li spektrální nebo časový modul správně, simulátor vypíše chybu a není možné spustit simulaci. Dalo by se tedy říci, že toto je nejdůležitější nastavení pro práci s jinými druhy impedancí, než je pevná. Obr. 8.3: Topologie obsahující časově (Z3 ) a frekvenčně proměnnou (Z1 ) impedanci Při práci s grafickým rozhraním bylo zjištěno, že když je použita časově proměnná impedance, tak dochází k chybě při vykreslování přenosové funkce. Vždy se 45

47 Tab. 8.2: Hodnoty impedancí v topologii Uzel Zs Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Impedance 20 Ω Freqvarying.vdf 150 Ω ScenarioA.vdf 150 Ω 100 Ω zobrazí prázdný graf. Ve zdrojovém kódu aplikace jsou k dispozici soubory z prostředí Matlab, kterými simulátor zpracovává vypočítané hodnoty přenosové funkce. Jak již bylo vysvětleno výše, po spuštění simulace přenosové funkce se ve složce data vytvoří soubor s daty potřebnými pro vykreslení přenosové funkce. Díky tomu, že jsou k dispozici soubory pro vykreslení grafu přenosové funkce, je možné vykreslit graf alternativním postupem pomocí prostředí Matlab. Nejprve je potřeba načíst hodnoty z vytvořeného souboru. K tomu slouží funkce load_ctf.m. Dalším krokem je výpočet a vykreslení grafu. K tomuto účelu je určeno více funkcí. Simulátor by měl postupovat tak, že podle druhů vstupujících impedancí zvolí správnou funkci. V tomto případě využíváme časově i frekvenčně proměnnou impedanci, a proto musíme použít funkci plot_tvctf.m. Tímto postupem bylo možné získat grafy přenosových funkcí pro linky z vysílacího uzlu (Zs) do uzlů Z1 (obrázek 8.4) a Z5 (obrázek 8.5) Time (s) Frequency (Hz) x 10 5 Obr. 8.4: Časově a frekvenčně proměnná CTF mezi Zs a Z Time (s) Frequency (Hz) x 10 5 Obr. 8.5: Časově a frekvenčně proměnná CTF mezi Zs a Z5 46