Μετάδοση δεδομένων υψηλών ταχυτήτων σε γραμμές χαμηλής τάσης εντός κτιρίων: χαρακτηρισμός επικοινωνιακού μέσου και αξιοποίηση διαθέσιμου εύρους ζώνης

Abstract

Αντικείµενο της παρούσας διατριβής είναι η αξιοποίηση των γραµµών χαµηλής τάσης εντός κτιρίων για τη δηµιουργία ενός τοπικού δικτύου επικοινωνιών για µετάδοση δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες µε σκοπό την παροχή υπηρεσιών ευρείας ζώνης στον τελικό χρήστη. Η χρήση του δικτύου παροχής ηλεκτρικής ενέργειας ως επικοινωνιακό µέσο σε υψηλές συχνότητες εξαρτάται από την αντιµετώπιση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της συµπεριφοράς του, που περιλαµβάνουν επιλεκτική εξασθένηση πλάτους συναρτήσει της συχνότητας, παραµόρφωση φάσης που εξαρτάται από τα µήκη των γραµµών, ισχυρό κρουστικό θόρυβο και παρεµβολές στενής ζώνης. Οι συνθήκες µετάδοσης επηρεάζονται επίσης δυσµενώς από την εξάρτηση των παραπάνω χαρακτηριστικών από το χρόνο, η οποία οφείλεται στη µεταβολή της φόρτισης του δικτύου. Η σύγχρονη αντιµετώπιση του επικοινωνιακού µέσου στηρίζεται σε εµπειρικά µοντέλα συµπεριφοράς, που πηγάζουν από µετρητικά δεδοµένα σε πειραµατικά δίκτυα και επιχειρεί να καλύψει αξιόπιστα µε κατάλληλες τεχνικές µετάδοσης τη ‘χειρότερη’ περίπτωση σε ότι αφορά τις συνθήκες του καναλιού, χωρίς να βοηθά στην κατανόηση των παραγόντων που επηρεάζουν τη συµπεριφορά του µέσου, ώστε να είναι εφικτή και η ουσιαστική αντιµετώπισή τους. Η παρούσα εργασία ακολουθεί µια διαφορετική προσέγγιση για την αξιοποίηση του µέσου, που στοχεύει στην ουσιαστική αντιµετώπιση της χρονικά µεταβαλλόµενης συµπεριφοράς του µέσου, προτείνοντας διαδικασίες και τεχνικές που προσαρµόζουν τη µετάδοση στο υφιστάµενο επικοινωνιακό περιβάλλον. Η ανάπτυξη των διαδικασιών αυτών στηρίχθηκε σε ένα πρότυπο περιβάλλον επικοινωνιών που καλείται pDSL (powerline Digital Subscriber Lines) και προτάθηκε για να αποτελέσει το πλαίσιο, σύµφωνα µε το οποίο αναπτύχθηκαν διαδικασίες ανίχνευσης και προσαρµογής της µετάδοσης στις συνθήκες του καναλιού. Στο pDSL περιβάλλον ορίζονται επικοινωνιακά κανάλια που ισοδυναµούν µε ‘σηµείο-προς-σηµείο’ ζεύξεις µεταξύ της pDSL πύλης (κεντρική µονάδα του δικτύου και µονάδα διασύνδεσης του τοπικού δικτύου µε άλλα δίκτυα) και των pDSL επικοινωνιακών συσκευών, όπως ονοµάζονται οι ηλεκτρονικές συσκευές που απαιτούν υπηρεσίες µετάδοσης δεδοµένων υψηλών ταχυτήτων. Η ανάπτυξη των τεχνικών µετάδοσης που αντιµετωπίζουν τις συνθήκες που επικρατούν στο επικοινωνιακό µέσο στηρίζεται στο χαρακτηρισµό της συµπεριφοράς του. Πρώτο βήµα της διαδικασίας αυτής αποτελεί η σύνδεση της απόκρισης του καναλιού µετάδοσης µε τα χαρακτηριστικά του δικτύου γραµµών. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε και παρουσιάζεται ένας αλγόριθµος ανάλυσης της πολυοδικής µετάδοσης του σήµατος στο δίκτυο των γραµµών χαµηλής τάσης, ο οποίος προσδιορίζει µε αναλυτικό τρόπο τα προϊόντα της µετάδοσης που πραγµατοποιείται µέσω πολλαπλών διαδροµών στο δίκτυοκαι συνθέτει την κρουστική και φασµατική απόκρισή του. Ο αλγόριθµος βασίζεται στην περιγραφή της τοπολογίας, των χαρακτηριστικών µετάδοσης των καλωδίων και των εµπεδήσεων των φορτίων τερµατισµού της. Η εργασία περιλαµβάνει επίσης την ανάπτυξη δύο πειραµατικών µεθοδολογιών µε τις οποίες πραγµατοποιείται η εκτίµηση των χαρακτηριστικών µετάδοσης των καλωδίων χαµηλής τάσης στις υψηλές συχνότητες και της εµπέδησης των ηλεκτρικών φορτίων που συνδέονται στα δίκτυα αυτά. Τα µεγέθη αυτά προκαλούν την εξάρτηση της συµπεριφοράς του µέσου µετάδοσης από τη συχνότητα και το χρόνο και ο προσδιορισµός τους είναι αναγκαίος για την εφαρµογή της ανάλυσης και της πρόβλεψης της συµπεριφοράς του καναλιού µε τη βοήθεια του αλγορίθµου ανάλυσης. Η αξιοπιστία των µεθόδων πιστοποιήθηκε µε τη σύγκριση της πειραµατικής και της θεωρητικής συνάρτησης µεταφοράς των καναλιών που σχηµατίζονται σε πειραµατικές τοπολογίες γραµµών χαµηλής τάσης, οι οποίες κατασκευάστηκαν για το σκοπό αυτό. Στην παρούσα εργασία, η ανάλυση της συµπεριφοράς του µέσου πλαισιώνεται µε τη σχεδίαση και την υλοποίηση ενός εξοµοιωτή πραγµατικού χρόνου του επικοινωνιακού καναλιού, ο οποίος εξοµοιώνει τη χρονικά µεταβαλλόµενη συµπεριφορά του µέσου µε βάση την τοπολογία και τη φόρτιση του. Ο εξοµοιωτής αυτός µπορεί να αποτελέσει πολύτιµο εργαλείο ελέγχου νέων τεχνικών µετάδοσης, κάτω από διαφορετικές συνθήκες επικοινωνίες. Τέλος, µε βάση το χαρακτηρισµό της συµπεριφοράς του επικοινωνιακού µέσου που προηγήθηκε επιχειρείται η ανάπτυξη διαδικασιών που αποσκοπούν στην ανίχνευση των συνθηκών που επικρατούν στο επικοινωνιακό κανάλι και στην προσαρµογή της τεχνικής µετάδοσης σε αυτές, στα πλαίσια της pDSL αρχιτεκτονικής επικοινωνιών. Για την ανίχνευση των συνθηκών µετάδοσης στις επικοινωνιακές ζεύξεις αναπτύχθηκαν δύο επιµέρους διαδικασίες: η ‘αρχική συνθηκοθέτηση’ του καναλιού, που πραγµατοποιείται κατά την αρχικοποίηση των επικοινωνιακών ζεύξεων και η ενδιάµεση συνθηκοθέτηση’ που εκτελείται περιοδικά και επανεκτιµά τις συνθήκες του καναλιού κατά τη διάρκεια της µετάδοσης. Η δεύτερη διαδικασία, η οποία υπόκειται σε εξαιρετικά αυστηρούς χρονικούς περιορισµούς, πλαισιώθηκε από µια µέθοδο πρόβλεψης της συµπεριφοράς του µέσου που επιταχύνει και συµπληρώνει τη διαδικασία ενδιάµεσης συνθηκοθέτησης και βασίζεται στη διαθέσιµη πληροφορία εκτίµησης του καναλιού και στον αλγόριθµο ανάλυσης της µετάδοσης στο κανάλι. Η προτεινόµενη διαδικασία προσαρµογής της µετάδοσης στις τρέχουσες συνθήκες που επικρατούν στο κανάλι στοχεύει στην κατάλληλη ανακατανοµή του διαθέσιµου εύρους ζώνης στις επικοινωνιακές ζεύξεις, Η διαδικασία αξιοποιεί την πληροφορία της εκτίµησης των συνθηκών στο µέσο και επιχειρεί να χαρακτηρίσει τα διαθέσιµα υπο-κανάλια ως προς την καταλληλότητα τους για µετάδοση δεδοµένων, ώστε να τα κατανείµει µε βέλτιστο τρόπο στις ζεύξεις, ανάλογα µε τις απαιτήσεις τους σε ρυθµό µετάδοσης.