OFDM TABANLI DAR BAND PLC PROTOKOLLERİ ( OFDM BASED NARROWBAND PLC PROTOCOLS)

PRIME (Powerline-Related Intelligent Metering Evolution)

PRIME protokolü PRIME Birliği (Alliance) tarafından geliştirilmiş ve 1.3.6 versiyonu 2012 yılında ITU-TG.9904 adı ile uluslararası bir standart halini almıştır.

PRIME protokolü ile ilgili genel özelliklere bakacak olursak;

• 42 – 89kHz bandında çalışmaktadır,
• Belirtilen frekans bandında toplam 96 OFDM alt taşıyıcı kullanmaktadır,
• DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying), DQPSK (Differential Quater-nary Phase Shift Keying), D8PSK (Differential Eight Phase Shift Keying) opsiyonel olarak kullanılabilir,
• Fiziksel katman için veri hızı en fazla 128 kbit/s olabilir (CENELEC-A bandında D8PSK için geçerlidir ),
• Opsiyonel hata düzeltme kodu kullanılabilir (½ Convolutional Code),
• IPv4 paket yapısını destekler.

PRIME ağ mimarisi ağaç (TREE) topolojisini kullanmaktadır. Kurulum yapılan bölgede kök düğüm (base node) ve servis düğümleri (service node) oluşturulur. Ağ kaynaklarının yönetiminden, kanal seçiminden kök düğüm sorumludur.

G3-PLC

G3-PLC protokolü PRIME'a benzer şekilde G3-PLC Birliği tarafından geliştirilmiş ve 2012 yılında ITU-TG.9903 adı ile uluslararası bir standart halini almıştır. Yapısı ve uygulaması PRIME'a göre daha maliyetli ve karmaşık olmasına rağmen şebekede bulunan yüklerden kaynaklı elektriksel gürültülere karşı daha dayanıklıdır.

• G3-PLC ile ilgili genel özelliklere bakılacak olursa;
• CENELEC, ARIB, FCC bantlarında çalışmak üzere ayarlanabilir (10 – 490 kHz),
• DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying), DQPSK (Differential Quater-nary Phase Shift Keying), D8PSK (Differential Eight Phase Shift Keying) opsiyonel olarak kullanılabilir,
• İleri doğru hata düzeltme (FEC) yöntemi kullanılmaktadır (Reed - Solomon Kodları),
• Fiziksel katman veri hızı en fazla 300 kbit/s'a çıkabilmektedir,
• IPv6 paket yapısını destekler.

Şu an için G3-PLC protokolü ile PRIME'dan daha az sayıda saha kurulumu yapılsa da bünyesinde barındırdığı özellikler ile önümüzdeki günlerde en çok tercih edilen PLC protokolü olması beklenmektedir.

IEEE 1901.2 ve ITU-T G.hnem

IEEE 1901.2 protokolü OFDM tabanlı dar bant PLC teknolojilerinin hepsi ile uyumlu olarak çalışabilecek yeni bir haberleşme standardı oluşturulması amacı ile ortaya çıkartılmıştır. ITU-T G.hnem ise akıllı şebeke gereksinimleri doğrultusunda geliştirilmektedir. Örneğin fiyatlandırma bilinci, yük kontrolü ve talep yanıtları gibi akıllı sayaç okuma gereksinimlerinin yapının içerisinde tanımlı olması düşünülmektedir.

G3-PLC ve PRIME Protokollerinin Karşılaştırılması

G3 ve PRIME protokolleri temel olarak aynı modülasyon  tekniklerini kullanmakta ve aynı donanım üzerinde çalışabilmektedir. Bununla birlikte kullandıkları haberleşme bantları, sinyal örnekleme sayıları, kullanılan hata düzeltme kodları gibi birçok alanda farklılıklar göstermektedirler.

Yapılan testler ışığında bu iki protokol ile ilgili ilk aşamada aşağıdaki sonuçlara erişilebilmektedir.

• G3-PLC, PRIME protokolüne göre daha fazla gürültü bağışıklığına sahiptir ve daha uzun haberleşme mesafelerini desteklemektedir.
• PRIME, G3-PLC protokolüne göre daha kolay ve hızlı bir uygulama süreci sağlamaktadır.
• G3-PLC protokolünün desteklediği örgüsel ağ (Mesh Network) özelliği ile genişlemeye ve düzensiz şebeke alanları için kuruluma daha uygun olduğu görülmektedir.
• PRIME protokolü yapısı gereği düzenli ve düşük gürültülü şebeke alanlarında kullanılabilir.

Bu test çıktıları ışığında genel kullanımlar için G3-PLC protokolonün tercih edilmesinin daha başarılı sonuçlar ortaya çıkaracağı sonucuna varılmıştır. Fakat bu iki protokolün de kendine has özelliklerinden dolayı birlikte çalışabilecekleri bir yapı kurulması sistem performansını artırabilir. Bunun gerçekleştirilebilmesi için geliştirilmesine devam edilen IEEE 1901.2 ve ITU-T G.hnem protokolleri yakından takip edilmelidir. Bu iki protokolün birlikte çalışması gerçekleştirilebilir ise aynı donanımda çalışabilme özelliklerinden faydalanılarak dinamik olarak protokoller arasında geçiş yapılabilir ve ortam şartlarına en uygun yapı tercih edilerek sistemin daha başarılı bir performans ortaya koyması sağlanabilir.

PLC ( POWER LINE COMMUNICATION )

PLC teknolojisi, mevcut enerji dağıtım hatlarının kullanılması ile alıcı ve verici sistemler arasında veri transferinin sağlanabilmesini amaçlamaktadır. Haberleşme için ayrı kablo kullanılması gereksiniminin olmaması, enerji dağıtım hatları üzerinden mevcut sistemin güç gereksiniminin sağlanabilmesi, elektrik dağıtımının yapıldığı her noktaya ulaşabilme imkanı ve kablosuz haberleşme cihazlarından yayılan elektromanyetik dalgalardan korunma isteği gibi sebeplerden ötürü PLC'nin önümüzdeki yıllarda yüksek oranda tercih edilen bir haberleşme teknolojisi olması beklenmektedir.

PLC teknolojisi günümüzde enerji hatları üzerinden ses ve veri iletimi, otomatik veri toplama sistemleri, ev otomasyon sistemleri, sistemlerin uzaktan kontrolü ve İnternet dağıtımı gibi alanlarda kullanılmaktadır.

Haberleşme altyapısı olarak PLC kullanımı gerçekleştirilecek uygulama tipine, kullanılan bölgeye, haberleşme sinyallerinin işleme tekniklerine ve haberleşme bantlarına göre farklı standartlar altına alınarak düzenlenmiştir.

Ultra Dar Band PLC ( Ultra Narrowband PLC )

Bu bant içerisinde kullanılan PLC haberleşme teknolojileri oldukça düşük haberleşme hızlarına sahiptir. Ultra Dar Bant, otomatik sayaç okuma sistemlerinde uzun haberleşme mesafelerine ulaşabilmeleri ve haberleşme sinyallerinin düşük gerilim / orta gerilim trafolarından geçebilmesi sebebi ile tercih edilir. Sistem için gerekli veri toplayıcı ünite ve sinyal kuvvetlendirici sayısı oldukça düşük olmasına rağmen çok düşük veri iletim hızlarına sahip olmaları nedeniyle günümüzde tercih edilmemektedir. Bu sistemlerin bir diğer dezavantajı da genellikle çift yönlü iletişimi desteklememeleridir.

Dar Band PLC ( Narrowband PLC )

Dar bant PLC sistemleri 3 ile 500 kHz frekans bandı aralığında çalışmakta olup, bu frekans bandı bölgesel olarak farklı alt bantlara bölünmüştür. CENELEC tarafından Avrupa bölgesinde kullanılan haberleşme bandı kullanım alanlarına göre çeşitli alt bantlara bölünmüştür. Avrupa bölgesinde CENELEC-A bandı enerji dağıtım şirketlerinin kontrolüne bırakılmıştır. CENELEC belirtilen bantlar için haberleşme limitlerini ve ölçüm metotlarını belirlemiştir.  B, C ve D bantları son kullanıcı uygulamalarına açık olmasına karşın C bandı için CSMA/CA (carrier sense medium access/collision avoidance) protokol kullanımı zorunlu tutulmuştur. Dar bant PLC teknolojileri veri hızları göz önüne alınarak düşük ve yüksek veri hızına sahip sistemler olarak ayrılabilmektedir.

Düşük Veri Hızına Sahip Sistemler

Bu sistemler genellikle 1 - 2 kbit/s haberleşme hızı kapasitesine sahiptirler. Haberleşme hızı kapasitelerinin düşük olmasının sebebi olarak kullanılan modülasyon tiplerinin büyük bant genişliklerine gereksinim duyması ya da taşıyıcı sinyallerin tek olması gösterilebilir. Günümüzde akıllı şebekeler için en yaygın şekilde kullanılan PLC teknolojisi IEC 61334-5-1 standardı ile çerçevesi çizilmiş S-FSK (Ayrık Frekans Kaydırmalı Anahtarlama) tabanlı protokoldür. Fiziksel katmandan uygulama katmanına kadar bütün aşamaları çok iyi şekilde belirlenmiş ve standartlar ile kontrol altına alınmıştır. Veri iletim hızının düşük kalması (2.4kbit/s'ın ve altı) sebebiyle mevcut haberleşme ihtiyaçlarına karşı yetersiz kaldığı için yüksek veri hızına sahip sistemlere olan ilgi gün geçtikçe artmaktadır.

Yüksek Veri Hızına Sahip Sistemler

Bu sistemlerde taşıyıcı sinyal sayısı artırılarak haberleşme hızı artırılmıştır. Haberleşme hızları yaklaşık 10 kbit/s'den 500 kbit/s'a kadar çıkabilmektedir. Taşıyıcı sinyal sayısını artırma işlemi OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - Dikgen Frekans Bölüşümlü Çoğullama) yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmektedir.

Yüksek veri hızına sahip dar bant haberleşme protokollerine örnek olarak PRIME ve G3-PLC protokolleri verilebilir. Bu protokollerin özellikleri öncelikle oluşturulan endüstri toplulukları tarafından ortaya konulmuş ve günümüzde ITU-T (International Tele-communications Union - Telecommunication Standardization Sector) tarafından yayınlanan standartlar ile uluslararası standartlar halini almışlardır.

Yüksek veri hızına sahip sistemler için gerekli algoritmalar ve bu algoritmaların koşturulacağı işlemci özelliklerinin düşük veri hızına sahip sistemlere göre yüksek olması sistem maliyetlerini arttırmaktadır. Fakat işlemci kapasitelerinin yüksek olması sebebiyle aynı donanım üzerinde birden fazla protokolü sadece yazılım değişikliği ile desteklemek mümkündür. Örnek olarak birçok üretici PRIME ve G3-PLC özelliklerini aynı donanım üzerinde desteklemekte ve dinamik olarak değişiklik yapılmasına izin vermektedir. Bu şekilde kurulum yapılacak saha şartlarına göre protokoller arasında geçiş yapılabilme imkanı sunulmaktadır. Ayrıca akıllı şebekeler için önemli bir unsur olan sahada kullanılan sistemlerin yazılımlarının güncellenebilmesi yüksek veri hızına sahip sistemler tarafından sağlanabilmektedir.

İleriki zamanlarda oluşabilecek ve farklı protokole sahip sistemlerin birbirleri ile haberleşememe durumuna önlem alabilmek amacı ile NIST-PAP15 (US National Institute of Standarts and Technology Priority Action Plan 15) çalışma grubu tarafından OFDM tabanlı bütün sistemler ile haberleşebilecek ortak bir protokol oluşturma zorunluluğu ortaya konulmuştur. Bu konuda yapılan çalışmalar sonucu IEEE-P1901.2 protokolü ortaya çıkartılmıştır.

Geniş Band PLC ( Broadband PLC )

Geniş bant PLC teknolojileri 1.8 ile 250 MHz frekans bandı arasında çalışmaktadır. Fiziksel katman veri iletim hızları bir kaç Mbit/s'dan bir kaç yüz Mbit/s'a kadar çıkabilmektedir. Genellikle enerji hattı üzerinden ses, görüntü taşıma ve internet dağıtımı gibi işlemlerde tercih edilmektedir. Mevcut geniş bant PLC sistemleri arasında henüz birlikte çalışabilirlik durumu olmamasına karşın ITU (ITU-T G.hn) ve IEEE (IEEE 1901) tarafından birlikte çalışabilirliğin sağlanması ve standardizasyon çalışmaları yürütülmektedir. Özellikle ITU-T G.hn adı altında yürütülen çalışmalarda ortaya çıkartılacak standartların sadece enerji hatları üzerinden haberleşme protokolleri üzerinde değil telefon hatlarında ve koaksiyel kablo üzerindeki haberleşme protokollerinde de uygulanabilmesi düşünülmektedir.