תקשורת נתונים מעל רשת החשמל

תקשורת בקווי חשמל (PLC - Power Line Communication) היא שימוש ברשת החשמל הקיימת לצורך תקשורת נתונים. החל משנות ה-80 של המאה ה-20, התחום התפתח במהירות, בשל היתרונות הרבים הגלומים בטכנולוגיה זאת. במקרים מסוימים, העברת נתונים על-גבי קווי החשמל עדיפה על פני העברתם בסוגי תווך אחרים, כגון תקשורת אלחוטית, וזאת מכמה סיבות: פשטות ההתקנה, שימוש בתשתיות קיימות, זמינות ונגישות לזרם חילופין של 230V, הספק חשמלי גבוה, עלות נמוכה יחסית, אמינות גבוהה ואבטחת מידע טובה יותר. התחום נחקר רבות בשנים האחרונות, ומספר טכנולוגיות וסטנדרטים נחשבים כמובילים בתחום זה. בסוף שנות השבעים של המאה ה-20 יצא לשוק הסטנדרט הראשון X-10 אשר השתמש ברשת החשמל הקיימת לצורך העברת תקשורת בין בקרים שונים. הבקרים מוקמו ביחידות הקצה ונתנו מענה לשליטה על צרכני חשמל כגון מעגלי תאורה, שקעים חשמליים ותריסים חשמליים - כל זאת תוך שימוש בתווך הקיים של חוטי החשמל. סטנדרט זה היה בשימוש שנים רבות, אך התאפיין בכמה בעיות טכניות אשר חייבו שינוי מהותי בטכנולוגיה. הבעיות העיקריות היו קשורות באמינות המערכת, אשר עמדה על סדר גודל של 80–85 אחוזי הצלחה. בעזרת מסננים מתאימים ניתן היה להגיע עד לכ-96 אחוזים, אך לא יותר מזה. חיסרון נוסף נוגע להיותו של פרוטוקול התקשורת של X-10 חד כיווני, שאינו מאפשר קבלת אישור על פקודה הנשלחת אל הבקר, כלומר, לאחר מתן פקודה לבקר מסוים, אין שום אפשרות לדעת האם הפקודה באמת הגיעה אל הבקר, ואם הבקר אכן ביצע את הפקודה המבוקשת. מכשלה נוספת באיכות התקשורת נבעה מכך שהתקשורת בפרוטוקול הייתה אנלוגית ולא דיגיטלית, מה שמנע שימוש בשיטות מתמטיות שונות לשיפור אמינות התקשורת בערוץ. במשך השנים פותחו שיטות חדשות, והוכנסו שיפורים לטכנולוגיות הללו. התחום התפתח משמעותית, וכיום מוצגת בעולם טכנולוגיה ברמת ביצועים גבוהה ובאמינות גבוהה, הכוללת אבטחת מידע מובנית. טכנולוגיה זו קרויה PLC bus. טכנולוגיית ה-PLC bus (באנגלית: Power Line Carrier bus), מהווה שיפור גדול בהשוואה לטכנולוגיות שקדמו לה. השיפור בשיטה זו בא לידי ביטוי במספר תחומים, כאשר העיקרי שבהם הוא היותה טכנולוגיה דיגיטלית. עובדה זו לבדה מבטיחה אמינות גבוהה יותר. פענוח המידע המאופנן על רשת החשמל פשוט ואמין יותר עבור מידע דיגיטלי. ואכן, אחוזי ההצלחה של טכנולוגיה זו גבוהים מאוד, כ-99.95 אחוזים, כלומר – שגיאה ב-5 מכל 10,000 בתים. חידוש נוסף בטכנולוגיית ה-PLC bus הוא היכולת לשדר תקשורת דו-כיוונית. לנושא זה יש חשיבות גדולה, בעיקר כאשר עוסקים באוטומציה ביתית. במסגרת תקשורת דו-כיוונית, הבקר בנקודת הקצה יכול להחזיר אישור קבלה ליחידה המשדרת, ובאמצעותו, לנהל שכבת תעבורה בין שתי הנקודות. יכולת זו מאפשרת, בין היתר, להחזיק בכל מצב נתון את הסטטוס של הבקר, ולנטר את מצב המערכת בבית בכללותה. תקנים נוספים המאפשרים תקשורת נתונים מעל קווי חשמל הם: HomePlug 1.0 (משנת 2001) מספק קצב נתונים תאורטי של 14Mbit/s. HomePlug AV (משנת 2005) מספק קצב נתונים של 189Mbit/s, ומאפשר העברת וידאו בהבחנה גבוהה ותקשורת VoIP באמצעות תשתית החשמל הביתית. G.hn PLC (משנת 2011) מספק קצב נתונים של 250Mbit/s עד 400Mbit/s, ומאפשר העברת וידאו בתלת-ממד. תקן ה-PLC bus מנצל את רשתות החשמל הפועלות בזרם החילופין הזורם בקווי החשמל, ונמצא בכל מבנה. העברת תקשורת של אות מסוים בכלל (ועל רשת החשמל בפרט) מצריכה את אפנונו על-גבי גל נושא מסוים. ללא אפנון, לא תתאפשר העברת המידע למרחק הרצוי, והאות יאבד בדרך. נוח כמובן להשתמש בזרם החילופין, המתבסס על גל הסינוס. לצורך העברת המידע, טכנולוגיית ה-PLC BUS מאפננת את אות המידע על גל הסינוס של רשת החשמל ומשתמשת בו כגל הנושא, על מנת להעביר את המידע למרחק הרצוי – וכך להגיע לכל אחת מנקודות הקצה בבית. שיטת האפנון בה משתמשת הטכנולוגיה נקראת PPM - Pulse Position Modulation, כלומר אפנון לפי מיקום הפולס. המידע אותו אנו רוצים לשדר מקודד על פי מיקום הפולס המאופנן, כאשר המיקום נקבע לפי מרווחי זמן בין הפולסים החשמליים. על מנת לאפנן את המידע על הגל הנושא, משתמשים ברכבת הלמים (פולסים), וביניהם במרווחי זמן. לאחר שהסיגנל אופנן על הסינוס, מתקבל אות המורכב מהגל הנושא, ומרכבת ההלמים אשר הורכבה עליו. שיטת קידוד המידע בפרוטוקול ה-PLC bus מבוססת על מסגרת שנמצאת בכל חצי מחזור של גל הסינוס, בקירוב למיקום בו הגל חוצה את קו האפס. המסגרת מחולקת לארבעה חלקים אשר מיקום הפולס בכל אחד מהם מייצג שני ביטים. בצורה זו, בכל מחזור מקודדים ארבעה ביטים וכל שני מחזורים של הסינוס מקודדים שמונה ביטים שהם בית. כזכור הזרם במדינת ישראל זורם בתדר של 50Hz נתון שמאפשר לנו תקשורת בקצב של 200bps, קצב המספיק על מנת לאפשר שידור פקודות לבקרי הקצה. מסגרת התקשורת לפי פרוטוקול ה-PLC bus בנויה מ-byte preamble אשר מקדים את מסגרת המידע, ומכין את המקלט לכך שתקשורת עומדת להתקבל. מיד בעקבותיו מגיעים חמישה בתי header אשר מכילים מידע כגון מקור הפקודה, שם הרשת, כתובת הבקר הנמען ואורך המידע. תוכן הפקודה ארוז במספר לא קבוע של בתים (עד 25). המסגרת נחתמת בבית סיכום ביקורת המשמש לגילוי שגיאות. באופן המתואר לעיל, מתאפשרת תקשורת מלאה עם בקרי הקצה על בסיס רשת החשמל. קצב התקשורת ויכולת קידוד המידע במסגרות התקשורת מקנים את היכולת ליישם מערכת שליטה חכמה ובקרה אוטומטית, בכל מבנה אשר לא הונחה בו תשתית ייעודית מבעוד מועד. שיטת התקשורת על גבי רשת החשמל הקיימת מהווה כיום מהפכה אמיתית בתחום מערכות הבקרה החכמות בכל העולם, וכמובן גם בישראל. הטכנולוגיה מאפשרת להיכנס לכל בית קיים, ובתוך מספר שעות להפוך אותו – בפשטות רבה - מבית קונבנציונלי לבית חכם, אשר כולו מנוהל על ידי מערכת בקרה אוטומטית וחכמה. מדיה וקבצים בנושא תקשורת נתונים מעל רשת החשמל בוויקישיתוף Homeplug Alliance (באנגלית) HD-plc Alliance (באנגלית) סקירת תקן G.Hn, לביא שיפמן, אתר NetCHEIF