Powerline, aneb přenos dat po 220 voltech

Odborná veřejnost již zažila celou řadu menších i velkých projektů, které slibovaly mnoho, a nakonec byly v tichosti ukončeny. V poslední době se ale zdá, že přeci jen odchází k jistému oživení na poli přenosů po silových rozvodech 220V - první produkty již jsou na trhu, stejně jako první veřejné služby, a pracuje se i na přípravě nezbytných standardů pro tento typ technologie, pro kterou se mezitím vžilo označení "powerline" (resp. powerline communications).

Jak se psala historie

Nejznámějším průkopníkem myšlenky přenosů po silových rozvodech 220 voltů je určitě americká společnost Nortel, která se v Evropě spojila s britskou energetickou společnosti United Utilities PLC (resp. s její dceřinnou společností Norweb Communications, zabývající se komunikacemi). Společnými silami, pod hlavičkou společného podniku Nor.Web DPL, pak vyvinuli technologii přenosu po silových rozvodech 220V s názvem Digital PowerLine. Ještě v roce 1998 byla na CeBITu 98 představena nejnovější verze této technologie pod označením DPL 1000 a vše nasvědčovalo tomu, že datové přenosy po silových rozvodech čekají velmi slibné zítřky. Všichni si mnuli ruce a chystali se na masové nasazení, které by skutečně mohlo přinést nebývalé přínosy jak prodejcům, tak i koncovým uživatelům. Samotný Nor.Web mezitím rozjel velký testovací projekt v Manchesteru, a hovořit se začalo i o dalších obdobných testovacích projektech realizovaných dalšími subjekty. Pro nás byly zajímavé hlavně zprávy o německé RWE, která je zastoupena v Aliatelu, a také neoficiální informace o samotném Aliatelu, který prý něco zkoušel i u nás v Plzni.

V červenci 1999 však přišlo pořádné vystřízlivění, když Nor.Web oznámil předčasné ukončení svého pilotního projektu v Manchesteru i aktivit Nor.Web-u, a rozhodl se nepokračovat dále ve vývoji technologie pro přenosy dat po silových rozvodech 220V. Podle dostupných informací byly skutečné důvody především ekonomické, a ne až tak technické. Samotná technologie DPL prý ještě nebyla zcela "dotažena", ale principiální překážky prý již nestály v cestě jejímu úspěšnému doladění. Co se ale rýsovalo jako nepřekonatelný problém byla ekonomická a "organizační" stránka - vše se ukazovalo jako příliš drahé, a praktické nasazení vyžadovalo přizpůsobit se reáliím různých států, které řeší své silové rozvody často i dosti odlišným způsobem. Stejně dopadnul i obdobně zaměřený projekt německého koncernu Siemens, který byl také ukončen (poměrně nedávno, v březnu 2001), víceméně ze stejných důvodů.

"Odpískání" Nor.Webu (a nejnověji i projektu firmy Siemens) vypadalo jako zásadní rána pro všechny snahy využít silové rozvody pro datové přenosy. Naštěstí ale praxe rozhodla jinak Po určité době ticha se naopak jako houby po dešti začaly objevovat první produkty pro přenosy dat po silových rozvodech, a začaly se i prodávat. Již na CeBITu 2000 měly tyto technologie společnou expozici s názvem PowerLine Center, která nechyběla ani letos (kdy v rámci ní vystavovalo své produkty a služby na 22 velkých i malých firem z celého světa). Co se tedy změnilo, že došlo k tak zásadnímu obratu?

Co se změnilo?

Skutečně zásadní změnou byla změna problému, který měla technologie PowerLine řešit. Původní projet Nor.Web totiž řešil problém tzv. poslední míle, neboli to jak "rozvádět" data z jednoho místa do většího počtu lokalit (budov) současně. V praxi by to pak vypadalo tak, že poskytovatel služeb, nejspíše tedy internetový provider, by vybudoval jednu přípojku vedoucí z jeho sítě k transformační stanici, na které je napojen určitý počet budov. Pomocí technologie DPL by se pak jeho služby "rozvedly" do všech budov, které jsou napojeny na stejný napájecí rozvod 220 V (tj. na transformátor z vyššího napětí na 220 V), a v každé z budov by takovýto rozvod končil "krabičkou", umístěnou před každým elektroměrem (tedy vlastně na vstupu do bytu či kanceláře). Odsud by pak rozvody pokračovaly klasickou cestou, například pomocí strukturované kabeláže, po koaxiálních kabelech, bezdrátově, obecně jakýmkoli dostupným způsobem, který dokáže vše rozvést do jednotlivých místností a ke konkrétním "spotřebičům". Šlo tedy v jistém smyslu o analogii tzv. místních smyček, které začínají na telefonní ústředně (zde: u transformátoru) a končí jedním výstupem v bytě či kanceláři.

Ovšem v různých částech světa i v různých zemích stejné části světa mohou být silové rozvody řešeny dosti odlišně - například někde je na jeden transformátor napojeno na 200 budov, zatímco jinde mohou být tyto počty podstatně menší. Stejně tak se mohou výrazně lišit i další aspekty, včetně způsobu jištění/zemnění, vedení fází či legislativních opatření nutných pro možnost napojit se na silové rozvody atd. Představa, že jediné technické řešení dokáže vyhovět situaci v různých částech světa zřejmě opravdu nebyla příliš reálná, a individuální přizpůsobení by bylo příliš drahé - právě to zřejmě bylo příčinou konce projektu Nor.Web a posléze i Siemens.

Problém překlenutí tzv. poslední míle je samozřejmě stále velmi aktuální, ale vedle něj se objevily i další aktuální požadavky. Jedním z nich je rozvedení "datového signálu" v bytech, kancelářích, učebnách atd. do všech místností, bez nutnosti budování nových rozvodů (např. strukturované kabeláže). Souvisí to s nástupem tzv. domácího síťování (home networking), které usiluje o propojení (resp. připojení) nejrůznějších spotřebičů a předmětů, od počítačů až po inteligentní ledničky, trouby, různá čidla, měřící a zabezpečovací systémy atd., samozřejmě s co nejnižšími náklady. Jednou z možností je využití bezdrátového způsobu komunikace, které dokáže vyhovět i požadavkům na vnitřní mobilitu (možnost pohybu uvnitř objektů). Další možností, která se zákonitě nabízí, je využít za tímto účelem silové rozvodu 220 V, které jsou dnes zdaleka "nejrozvětvenější". Navíc snad každý spotřebič se tak jako tak připojuje k napájecí síti, tak proč by měl potřebovat nějakou další přípojku pro přenos dat? Proč by nemohl využít pro přenos dat svou již existující přípojku k napájecí síti 220 V?

Zásadní změnou tedy bylo "přestěhování" řešeného problému: z problému poslední míle se přešlo k řešení problému "domácího síťování". Při určitém zjednodušení to lze vyjádřit také tak, že dosud se technologie Powerline snažily řešit rozvody končící u elektroměru na vstupu do bytu či kanceláře. Nyní se přesunuly za tento elektroměr.

Jak se nyní ukazuje, řešení "za elektroměrem" je přeci jen jednodušší a může být i univerzálnější. Proto současný boom technologie Powerline i nástup konkrétních produktů se týká především této varianty, a o jeho významnosti svědčí i to, že se zde silně projevují snahy o standardizaci dosud proprietárních řešení. Na druhou stranu však zcela nezanikly ani aktivity "před elektroměrem" - například v Německu se objevily první veřejně nabízené služby tohoto typu (viz dále).

Co by to přineslo?

Využití existujících silových rozvodů pro přenosy dat je opravdu velmi lákavé. Nevyžadovalo by žádné stavební úpravy ani instalační práce s pokládkou nových kabelů, a umožnilo by připojit prakticky cokoli a kdekoli. Mohly by se tak realizovat celé domácí datové sítě včetně připojení k Internetu. Snad není nutné rozvádět, co by to přineslo pro zařízení "počítačového typu", která by mohla být trvale připojena k Internetu skutečně odkudkoli v dosahu napájecí sítě.

Pro docenění všech možností je ale vhodné si naznačit i další možné efekty, například na spotřební elektroniku. Možné by bylo například to, aby v bytě byla hi-fi soustava v jedné místnosti, zatímco její reproduktory, propojené se zdrojem signálu přes napájecí síť, by se mohly nacházet kdekoli v bytě - ve stejné místnosti, nebo třeba také v jiné místnosti.

Pokud jde o rychlost, kterou mohou přenosy po silových rozvodech nabídnout, pak i zde vše vypadá optimisticky. Dnes jsou dostupná řešení fungující na rychlostech standardního Ethernetu (kolem 10 Mbps), a v laboratorních podmínkách se dnes daří dosahovat rychlostí v řádu desítek megabitů za sekundu. Autoři technického řešení, které má šanci prosadit se jako standard v této oblasti (viz dále), uvádí že jejich technologie může dosáhnout až 100 Mbps. Současně s tím se zdá, že přenosy po silových rozvodech napájecí sítě budou podporovat i garance kvality služeb a vyhrazené přenosové kapacity - což je víceméně nutnost pro to, aby na nich bylo možné provozovat multimediální přenosy včetně přenosů živého hlasu a obrazu.

Na druhou stranu je nutné se zmínit také o "konkurenčních" přístupech k řešení celého domácího síťování. Jde jednak o bezdrátové technologie, které oproti drátovým nabízí skutečnou mobilitu uvnitř objektů i v jejich těsné blízkosti (například na balkonech a terasách), a také nevyžadují žádné instalační práce a budování nových drátových rozvodů. Souboj mezi technologiemi Powerline a bezdrátovými technologiemi se zřejmě bude odehrávat v rovině cenové, ale velmi pravděpodobné je i hybridní řešení, kombinující oba přístupy. Pro některá zařízení (například inteligentní ledničky či mikrovlnné trouby, stolní počítače atd.) totiž mobilita nemá význam, zatímco pro jiné (notebooky, PDA, web pady atd.) smysl má. Konkrétní podobou koexistence obou přístupů může být např.připojení nemobilních zařízení přes napájecí síť, ke které se připojí i základnové stanice pro bezdrátové připojení těch zařízení, která mobilitu dokáží využít.

Ještě dalším konkurentem pro technologie Powerline je využití existujících telefonních rozvodů pro potřeby datových přenosů - bez narušení jejich původní funkce, tedy bez omezení možnosti běžného telefonování. Jde v jistém smyslu o lokální variantu xDSL technologií, které usilují o podobný efekt ale na místních smyčkách (tedy v rámci problému tzv. poslední míle). nevýhodou je zde ale podstatně menší hustota telefonních rozvodů uvnitř objektů - v nově budovaných již mohou být telefonní zásuvky v každé místnosti, ale ve starších objektech bývá jen jedna, maximálně dvě.

Jak to funguje?

Princip datových přenosů po silových rozvodech není nijak složitý - po galvanickém oddělení a "odfiltrování 220 V" zbývá možnost přenášet po silovém vedení signály vyšších frekvencí, které mohou být vhodně modulovány a "nést" na sobě číslicová data. Praktická realizace je ale velmi náročná nejen kvůli specifickým odlišnostem silových rozvodů v různých zemích, ale zejména kvůli dějům, které v napájecí síti probíhají. Jde zejména o nejrůznější druhy rušení a interference, způsobované hlavně elektrickými spotřebiči - bez zabíhání do přílišných technických detailů je možné konstatovat, že prostředí silových rozvodů napájecí sítě je "velmi nehostinné" k datovým přenosům a vyžaduje velmi propracované techniky modulace a přenosu dat, které by se s touto "nehostinností" dokázaly poprat a dosáhnout co nejvyšších přenosových rychlostí, bez ohledu na momentální stav sítě (na zapínání/vypínání spotřebičů, na jejich chod atd.). Možných řešení je samozřejmě celá řada a ty nejefektivnější nutně musí být adaptivní, neboli musí pružně reagovat na momentální stav v napájecí síti a přizpůsobovat se mu.

Pro ilustraci si naznačme jeden z principů, který má šanci stát se základem pro společný standard technologií Powerline. Jde o tzv. OFDM modulaci, neboli o ortogonální frekvenční multiplex. Vychází z toho, že celý rozsah frekvencí které jsou silové rozvody schopny přenášet (tj. celé jejich přenosové pásmo) bude rozdělen na větší počet samostatných frekvenčních kanálů, a v každém z nich se bude přenášet samostatný signál (tzv. nosná). Přitom je průběžně sledováno jak dobře jsou tyto nosné přenášeny, jak moc se na nich projevují nejrůznější rušení, poruchy a další zkreslující a tlumící vlivy, a podle toho jsou buď skutečně využívány pro modulaci a přenos dat nebo naopak využívány nejsou.

Samotná modulace pak probíhá pomalu (s nízkou modulační rychlostí), aby se co nejméně projevoval vliv různých odrazů jednoho a téhož signálu. Data jsou přitom "rozkládána" mezi jednotlivé nosné (proto "ortogonální" frekvenční multiplex), a to opět adaptivním způsobem, který reaguje na to které nosné jsou momentálně k dispozici. Výsledným efektem je to, že celková přenosová kapacita silových rozvodů se může dynamicky měnit, podle toho jak se modulace adaptuje na momentální stav sítě a rušení v ní. Pokud mají být v takovéto síti garantovány přenosové kapacity, pak to znamená, že celková přenosová kapacita bude rozdělena na dvě části - jedna bude vždy stejně velká a bude představovat onu garantovanou kapacitu, vhodnou například pro multimediální přenosy. Zbývající přenosová kapacita, která se bude průběžně měnit podle aktuálního stavu sítě, pak může být využívána pro tradiční datové přenosy, které nemají významnější nároky na garanci přenosové kapacity - například přenosy souborů, el. poštu, event. brouzdání webem atd.

Velmi důležité je uvědomit si, že silové rozvody napájecí sítě se uvnitř objektů (přesněji: za elektroměrem) chovají jako sdílené - pokud se tedy na nich dosáhne určité konkrétní rychlosti, vzniká tím přenosová kapacita která je všemi zařízeními společně sdílena (jde tedy o obdobu sdíleného segmentu v Ethernetu).

Jak postupuje standardizace?

Konkrétních technických řešení datových přenosů po silových rozvodech samozřejmě může být celá řada. Výše popisovaný princip s technikou OFDM je charakteristický pro taková řešení, která usilují o dosažení co nejvyšších přenosových rychlostí a je konkrétně použit v technologii s názvem Power Packet, kterou vyvinula americká společnost Intellon (a která by měla být schopna dosáhnout rychlosti až 100 Mbps).

Právě technologie Power Packet od firmy Intellon se stala základem standardu v oblasti technologií Powerline, který připravuje sdružení HomePlug Power-line Alliance, založené na jaře loňského roku. Jsou v něm zastoupena jak velká jména IT průmyslu, jako např. 3Com, AMD, Cisco Systems, Compaq, Conexant, Intel, Panasonic, Texas Instruments, Motorola, S3 Diamond Multimedia a další, tak i jména dosud nepříliš známá. Počátkem letošního roku však byl k dispozici teprve první návrh společného standardu, který se teprve finalizuje a začíná testovat. Vydání finální podoby standardu (verze 1.0) se očekává v červnu 2001, a první produkty založené na tomto standardu jsou očekávány ve druhém pololetí roku 2001. Mělo by se přitom jednat o řešení co do rychlosti srovnatelné s klasickým Ethernetem, tj. přenášející data rychlostí kolem 10 Mbps.

Co bylo k vidění na CeBiT-u 2001?

Na letošním CeBITu byla technologii Powerline věnována celá tematická expozice s názvem Powerline Center. Zastoupena zde byla jak samotná HomePlug Power-line Alliance, tak i další firmy působící v této oblasti. K vidění byly i konkrétní exponáty, prozatím ale stále všechny proprietárního charakteru (když dosud neexistuje společný standard).

K vidění zde byly například "síťové karty" Powerline, které vypadaly jako kdyby se mohly nainstalovat přímo do počítače PC a sloužit zde místo klasické ethernetové síťové karty pro propojení s dalšími počítači. Tomu ale brání požadavky bezpečnosti, které nedovolují žádné komponentě uvnitř počítače mimo napájecí zdroj pracovat s napětím 220 V. Proto se jednalo o karty určené k zabudování do externích zařízení - externích adaptérů zakončených nejčastěji USB rozhraním pro připojení k počítači. Takovéto adaptéry i samotné karty většinou pracují s rychlostmi několika megabitů za sekundu. K vidění ale byly i specializované Powerline čipy zajišťující OFDM modulaci, pracující až rychlostí 34 Mbps. Stejně tak ale byla k vidění i lacinější zařízení určená pro méně náročné aplikace, dosahující rychlostí jen několika stovek kilobitů za sekundu. I to je ale, ve srovnání s běžnými telefonními modemy, podstatný pokrok.

RWE PowerNet

Velmi zajímavá byla CeBITová prezentace německé společnosti RWE Plus AG, která po předchozích pilotech spouští k polovině letošního roku komerční služby na bázi technologie Powerline. Jde o řešení založené na technologiích firmy ASCOM, a svým zaměřením stojící někde na půli cesty mezi "poslední mílí" a "domácím síťováním". Umožňuje totiž překlenout domácí elektroměry a rozvést datové přípojky až do jednotlivých domácností. Celkový dosah je cca 300 metrů, což umožňuje napojit jednotlivé budovy na vhodné vnější rozvody realizované jiným způsobem, a tím "dovést" do domácností Internet. To je ostatně obsahem služby RWE PowerNet, kterou bude od poloviny roku nabízet dceřinná společnost RWE Powerline koncernu RWE. Základní varianta připojení, určená hlavně domácnostem, přijde na 49 DEM měsíčně a zahrnuje přenos 250 MB dat. Za 99 DEM měsíčně je pak možné míst v ceně 20 GB dat.

• HomePlug Power-Line Alliance: http://www.homeplug.org/
• Intellon: http://www.intellon.com
• RWE PowerLine: http://www.rwe-powerline.de/
• Ascom: http://www.ascom.com