VERİ İLETİMİNDE HOME PLUG UYGULAMALARI

1 MYO Elektrik Bölümü Karabük Üniversitesi haltinkaya@karabuk.edu.tr VERİ İLETİMİNDE HOME PLUG UYGULAMALARI Hüseyin Altınkaya 1, İlhami ORAK 2 2 Bilgisayar Mühendisliği Bölümü Karabük Üniversitesi imorak@karabuk.edu.tr ÖZET Bu çalışmada veri iletimi hakkında genel bilgiler verildikten sonra enerji hatları üzerinden veri iletimi üzerinde durulmuş, klasik yöntemler ile HomePlug uygulamaları mukayese edilmiştir. Klasik yöntemler ve HomePlug yöntemi ile veri iletim hızları farklı kablo mesafelerinde ölçülmüş, elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Veri İletimi, Home Plug, PLC 1. GİRİŞ Eski çağlardan beri bilginin, verinin hızlı ve güvenli bir şekilde aktarılması, iletilmesi önemli olmuştur. Özellikle 2. dünya savaşından sonra elektronik-bilgisayar alanındaki çok hızlı ve devrim niteliğindeki gelişmeler veri iletim tekniklerinde de kendini göstermiştir. Günümüzde daha çok veri iletim ortamları olarak uzak mesafelerde fiber-optik kablolar, bina içi uygulamalarda ise cat 5, cat 6 kablolar veya hava (radyo dalgaları, mikro dalga, kızıl ötesi ışınlar) kullanılmaktadır. Elektrik hatlarının aynı zamanda veri iletimi için de kullanıldığı bina içi uygulamalar (HomePlug) ise oldukça az miktardadır. Genelde PLC (Power Line Carrier- Güç Hattı Üzerinden Veri İletimi ), özelde Home Plug (Bina İçi Uygulamalar) tekniklerinin geliştirilmesi veri iletim ortamları açısından yeni yaklaşımlar ortaya çıkarabilir. 2. VERİ İLETİMİ Veri iletimi, bir verinin (data) bir noktadan başka bir noktaya veya çok noktaya bir iletim ortamı kullanılarak iletilmesidir. Veri iletimi terimi daha çok dijital sinyallerin iletimi için kullanılsa da analog sinyallerin iletimini de kapsar. Analog iletişim, sürekli değişen formdaki sinyallerin iletimidir. Dijital iletişim ise ayrık formdaki (lojik 0-1) sinyallerin iletimidir[1]. 2.1. Veri İletimi İle İlgili Kavramlar Veri iletimi ile ilgili çok sayıda kavramdan bahsedilebilir. Burada en temel ve önemli birkaç kavramdan bahsedilecektir. 2.1.1. Seri ve Paralel Veri İletimi Seri veri iletimi, bir veri içindeki bitlerin, aynı hat üzerinden ard arda gönderilmesidir. Her bit belli bir zaman aralığında gönderilir. Dijital olarak kodlanmış bilginin, tüm bitleri aynı anda transfer ediliyorsa, buna "paralel veri iletimi" denir. Verinin alıcıya gönderilmesi sırasında, verinin her biti için ayrı bir hat kullanılır. 2.1.2. Asenkron ve Senkron Veri İletimi Asenkron Veri İletimi: Seri iletişimi gerçekleştiren sistemlerin çoğunda asenkron yöntem kullanılır. İletişimin Sürekli iletişim hızının yüksek olmasının gerektiği durumlarda asenkron iletişim kullanılır. Bir zamanlama kanalı kullanılmaz. Start ve stop bitleri kullanılır. 8 bitlik mesaj 10 veya 11 bitlik paketler halinde gönderilir Senkron Veri İletimi: İletişimin sürekli ve yüksek hızda olması gerekiyor ise, senkron iletişim seçilir. Senkron veri iletiminde veri bloğunun başı ve sonundaki bildiri karakterleri dışında Tranmitter ile Receiver arasında ayrı bir clock sinyali taşıyan hat vardır. Senkron iletimde iletim sonunda 'end of message' sinyali gönderilir. Senkronizasyon, zamanlama kanalı ve veri kanalı ile sağlanır.[2],[3] 2.1.3. Baseband ve Passband Veri İletimi Baseband Transmission: Ardışık elektrik sinyallerinin tek bir kablo veya kanal üzerinden taşındığı iletim türüdür. Genellikle Ethernet, DSL hizmetleri ve ISDN de kullanılır. Passband Transmission: Modüle edilmiş sinüs şeklindeki sinyal dijital veri akışı ile temsil edilir. Analog sinyal, PSK, QAM, FSK gibi dijital modülasyon metotları ile dijitalleştirilir. Kablosuz iletişimde ve kablolu TV uygulamaları gibi alanlarda kullanılır. 2.1.4. Veri İletim Ortamları Bakır Tel Elektrik akımı kullanarak Fiber Optik Kablo (Cam lif) Hava Işık yardımı ile Radyo dalgaları Mikro dalga Kızıl ötesi ışınlar 3. PLC NEDİR? Elektrik hatları üzerinden veri iletimidir. İsimler: PLC (Power Line Carrier) PLC (Power Line Communication) PDSL (Power Digital Subscriber Line) PLT (Power Line Telecom) 86

PLN (Power Line Networking) BPL (Broadband Power Lines) 3.1. Elektrik Şebekeleri Elektrik enerjisi elektrik santrallerinde üretilir. 10-15 KV olarak üretilen gerilim trafolar ile 154-380 KV a (YG) çıkarılarak uzak mesafelere iletilir. Gerilim, Şalt sahalarında 15,8-34,5 KV a (OG) düşürülür. Yine trafolar ile 380/220 V a (AG) düşürülerek son kullanıcılara (evlere, işyerlerine) ulaşır. Evlerde, binalarda her odanın içine kadar yayılır. PLC (Power Line Carrier-Communication) her aşamada (YG, OG, AG) uygulanabilir. Bütün PLC sistemleri elektrik hattının üzerine, modüle edilmiş taşıyıcı sinyallerin bindirilmesi, yüklenmesi ile çalışır. Farklı PLC tipleri güç hatları üzerinde kullanılan sinyal karakteristiklerine bağlı olarak farklı frekans bantları kullanırlar. PLC sistemleri günümüzde pek yaygınlığı olmayan yeni bir teknoloji, uygulama olarak algılansa da bu sistemlerin temeli olan kuranportör sistemi 50-60 yıl öncesine kadar uzanır. 3.2. Kuranportör Kuranportör sistemi enerji santralleri arasında iletişim sağlamak amacı ile geliştirilmiş bir sistemdir. Üretim merkezlerinde üretilen elektrik enerjisini dağıtım merkezlerine, oradan da kullanıcılara güvenli bir şekilde ulaştırmak için EİH (Enerji İletim Hattı) ve EDH (Elektrik Dağıtım Hattı) kullanılır. Enerji iletiminde güvenlik ve sürekliliği sağlamak için frekansları 50 khz-500 khz arasında olan iletişim sistemleri kullanılır. Bu sistemlere EİH taşıyıcı (Power Line Carrier PLC- ya da kuranportör) sistemleri denir. Bu cihazlar Taşıyıcı adını her türlü bilgi ve ses işaretini radyo frekanslı işaret üzerine bindirilerek ilgili yerlere taşıdıkları için almışlardır[4]. Enerji hatları üzerinden radyo frekansı ile bilgi taşımayı sağlayan cihaz (yöntem) genellikle 600 khz'den daha düşük frekanslarda kullanılır. 50 Hz'de enerji taşıyan nakil hattının üzerine bindirilen yüksek frekanslı bilgi sinyali aynı hat üzerinden gönderilir.türkiye'de power line carrier tekniği ile 380 kv ve 154 kv yüksek gerilim hatları üzerinden bilgi gönderilmektedir. Power line carrier haberleşmesi uzun mesafeli ve düşük hızlı olurken veri ve ses iletişimi için kullanılmaktadır. 3.2.1. Kuranportör Çalışma Prensibi Kuranportör (Power Line Carrier PLC) gerilim hatları üzerinden haberleşmeyi sağlayan bir tekniktir. PLC haberleşmesi için kullanılan cihazlar bağlaştırıcı elemanları ile gerilim hattına bağlanır. Bu cihazlar bilgi sinyalini module ederek hatta enjekte ederler. Alıcı ise bilgiyi taşıyan frekansı filtreleyerek alır ve demodule eder. PLC'ler yüksek gerilim ve alçak gerilim hatlarında kullanımına göre iki gruba ayrılır. 38 kv ve üzerindeki gerilimlerde iletim hatlarının sağladığı bant aralığından faydalanarak 50 khz. ile 500 khz. Arasındaki frekansları taşıyıcı frekans olarak kullanabilir ve bu sayede yüksek iletişim hızlarına çıkabilir. 38 kv gerilim seviyesinin altındaki dağıtım hatlarında 5 khz. ile 20 khz civarındaki frekansları, taşıyıcı frekans olarak kullanır. Bilgi bu aralıktaki frekanslarla modüle edildiğinden ancak 300 bps hızındaki haberleşmeye izin verir. Bu hız birçok scada fonksiyonu için yetersiz kalacağı için sadece bazı özel amaçlar için kullanılır. Bunlar: Ø Konuşma kanalı Telefon Ø Bilgi kanalları Telemetre Uzaktan kumanda Teleks 3.3. PLC-BPL Sistemlerin Çalışma Prensibi PLC sistemlerin çalışma prensibi temelde kuranportör ile aynıdır. Ancak burada veri iletimi daha hızlı ve kullanılan frekans daha yüksektir. Bu sistemlerde genellikle OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Dikey Frekans Bölmeli Çoğullayıcı) modülasyonu kullanılır.. OFDM modülasyonunda iletilecek olan veri farklı frekanslara ayrılarak elektrik hattında akan akımın üzerine bindirilir. Veriler yaklaşık olarak 4 MHz ile 21 MHz arasında değişen 84 farklı frekans kanalından iletilir[5],[6],[7] Şekil 1: PLC-BPL sistemlerin blok diyagramı Günümüzde mutabakat sağlanmış bir protokol, standart olmamakla birlikte kullanılan PLC teknolojileri şunlardır[8],[9]: Lon Works (Local Area Networks) Consumer Electronic Bus (CeBus) Passport and Plug-in (PLX) X-10 Power Packet Home Plug Technology 87

Elektrik şebekesi üzerinden geniş bant internet hizmeti verme işine geniş bant enerji hattı BPL (broadband power line ) denir. BPL, elektrik şebekesi üzerinde megabit seviyesinde haberleşme hizmetlerini ileten teknolojinin tanımıdır. Alçak veya orta gerilim üzerinden haberleşme hizmeti, konut ve işyeri tüketicilerine ulaştırılmaktadır. PLC sistemlerin genel olarak kullanım alanları şu şekilde sınıflandırılabilir: Enerji Santralleri arası haberleşme Homeplug (Binaiçi) Uygulamaları Internet Telefon Kamera Sistemleri AMR (Uzaktan Sayaç Okuma) 3.4. HomePlug Elektrik hattı üzerinden haberleşmeye dair dünya çapındaki standart HomePlug olarak adlandırılır. HomePlug teknolojisi, evlerdeki ve/veya iş yerlerindeki mevcut elektrik şebekesini iletim ortamı olarak kullanır. Bina içindeki mevcut elektrik kabloları kullanılarak bir ağ kurulabilir. Bu işlem, temelde elektrik prizinizi ağ erişim noktasına dönüştürür. Bu, her odada kolay erişim sağlar ve ek kablolalamaya ihtiyaç duyulmaz. Bir HomePlug ağı en az 2 adaptör (powerline) içerir. Bir adaptör ana adaptör olarak ayarlanır. Diğer bütün adaptörler terminal olarak programlanılır. Adaptör fişe takıldığı zaman aynı elektrik tesisatı üzerindeki diğer adaptörlerle iletişim kurmaya başlar. Her bir adaptör geniş bantlı yönlendiriciye (router), hub a, bilgisayara, ağ yazıcısına, ağ kamerasına vs. bağlanmayı sağlayan bir LAN girişi üzerindeki Ethernet çıkışı bilgisayara bağladığınız zaman istemci (client) kurulumu tamamlanmış olur. Adaptörler kaydedilir. Ana adaptör geniş bantlı internet yönlendiricisine veya modeme bağlanır, sonra diğer adaptörler ağ cihazlarınıza (bilgisayarlar, ağ yazıcıları, ağ kameraları vs.) bağlanır. İşlem bitirildiğinde, ağ üzerindeki cihazlar internete ve birbirlerine erişebileceklerdir. Her ağ için maksimum 15 terminal önerilmektedir. Bir bilgisayar ile İnternete bağlanmak veya iki bilgisayar arasında ağ (network) kurmak için en az iki adaptöre (powerline) ihtiyaç vardır. Adaptörlerden biri modem çıkışı ile cat5 kablosuyla birleştirilir ve prize takılır. Diğer adaptör ise evdeki veya işyerindeki başka bir odadaki veya kattaki diğer prize takılır. Bu adaptörün çıkışı cat5 kablosu ile bilgisayara bağlandığında elektrik hatları üzerinden İnternete bağlantı gerçekleştirilmiş olur. Sağlıklı veri iletiminin gerçekleşeceği kablo mesafesi 100-200 m olarak belirtilmektedir. Dikkat edilmesi gereken bir husus da üç fazlı sistemlerde gerekli ek sistemin kurulması veya adaptörlerin aynı fazda yer almasının sağlanmasıdır. Bazı elektrikli cihazlar elektrik paraziti yayarlar. Bu parazit evdeki elektrik kablosuna aktarılırsa, adaptörün performansı, hızı ve güvenirliği olumsuz etkilenebilir. Bu cihazlar sarj aletleri, saç kurutma makineleri, elektrik süpürgeleri, elektrik matkapları vb. cihazlardır[10]. Şekil 2: Mevcut elektrik tesisatı üzerinden internete bağlanma ve yerel ağ kurma Şekil 3: Örnek bir homeplug uygulaması hız testi (50 m) Şekil 3 ve şekil 4 te 50 m ve 350 m mesafelerde yapılan örnek bir veri hızı ve veri kaybı testi görülmektedir[11]. 50 m mesafede kayıp yok denecek kadar az iken 350 m mesafede veri kaybının oldukça arttığı görülmektedir. 88

Şekil 4: Örnek bir homeplug uygulaması hız testi(350 m) Şekil 6: 200 Mbps powerline (adaptör) cihazın kullanıcı arayüz görüntüsü 4. HOMEPLUG UYGULAMASI Bu uygulamada iki adet 85 Mbps ve iki adet 200Mbps kapasiteli homeplug (powerline) adaptörü ile ayrı ayrı ev ve işyeri ortamında İnternet bağlantıları gerçekleştirilmiştir. Kablo mesafesine göre adaptörlerin veri kayıpları ölçülmüş, internete bağlanma upload ve download hızları klasik yöntemler ile mukayese edilmiştir. Şekil 7: ttnet hız testi ekran ggörüntüsü Ev ortamında yapılan ölçümlerde elde edilen sonuçlar aşağıda tablolar halinde verilmiştir. Ttnet hız testinden elde edilen sonuçlar: DL(kbps) UL(kbps) Şekil 5: 85 Mbps powerline (adaptör) cihazın kullanıcı arayüz görüntüsü MÇ 7885 678 WL(3m) 7884 676 WL(10m): 6353 671 HP(3m) 7885 677 HP(10m) 7123 674 MÇ:Modem Çıkışı WL:Wireless HP:HomePlug DL:İndirme Hızı UL:Yükleme Hızı 89

Süre(sn) İş yeri ortamında yapılan ölçümlerde elde edilen sonuçlar aşağıda tablolar halinde verilmiştir. Ttnet hız testinden elde edilen sonuçlar: Ev ortamında 12,7 MB ve 75,8 MB boyutunda iki farklı klasörün klasik modem çıkışı, wireless ve homeplug uygulaması ile indirilme hızı aşağıdaki gibi gerçekleşmiştir. DL(kbps) UL(kbps) Klasör Boyutu 12,7 MB 75,8 MB MÇ 6894 599 HP(3m) 6640 570 HP(10m) 3510 370 MÇ 24 sn 84 sn WL(3m) 26 sn 85 sn WL(10m) 28 sn 90 sn HP(3m) 25 sn 85 sn HP(10m) 42 sn 187 sn Süre(sn) İşyeri ortamında 12,7 MB ve 75,8 MB boyutunda iki farklı klasörün klasik modem çıkışı ve homeplug uygulaması ile indirilme hızı aşağıdaki gibi gerçekleşmiştir. Klasör Boyutu 12,7 MB 75,8 MB MÇ 30 sn 195 sn HP(3m) 45 sn 275 sn İşyeri ortamında yerel ağ üzerinden çeşitli boyutlardaki klasörlerin aynı odada bulunan diğer bilgisayara aktarılma süreleri aşağıda gösterilmiştir. Klasör Boyutu 44,2 MB 97 MB 185 MB LAN 4 sn 10 sn 20 sn HP 72 sn 185 sn 327 sn 90

Süre(sn) 5. SONUÇLAR Bu çalışmada veri iletiminde HomePlug uygulamaları ile diğer yöntemler ölçümler yapılarak kıyaslanmıştır. Kısa mesafelerde, yeni tesisatlarda ve ev ortamındaki HomePlug uygulamalarında veri kayıplarının daha az olduğu diğer yöntemler ile karşılaştırıldığında ciddi farklar olmadığı gözlemlenmiştir. Özellikle kurulu elektrik tesisatı üzerinde iki adaptör arasındaki mesafe arttıkça veri kayıplarının ciddi şekilde arttığı ve diğer yöntemlere göre oldukça yavaş kaldığı belirlenmiştir. PLC ve/veya HomePlug sistemlerin avantaj ve dezavantaları şu şekilde sıralanabilir. Sistemin avantajları: Özellikle yeni yapılan binalarda ve data altyapısı olmayan binalarda önemli maliyet ve işçilik tasarrufu sağlar Kablo tasarrufu ve ortalıktaki kötü görüntüyü kaldırma. Kablo ezilmesi vs. durumlardan kurtulma. Duvar geçişleri ve tesisat çekme sorunları kaldırma. Mevcut elektrik hattını kullanılır ve hiçbir ek maliyet ya da tesisat gerektirmez. Elektrik şebekesinin ulaştığı her yere ulaşma imkanı sağlar. Sistemin dezavantajları: Elektriksel olaylardan (harmonik, parazit) çok fazla etkilenmesi Özellikle çok aboneli ve uzun hatlarda hızın çok düşmesi Ulusal ve bölgesel uygulamaların çok az olması Üzerinde tam olarak mutabakata varılmış standartların olmayışı Şirket ve devlet politikaları Araştırmaya açık alanlar şöyle sıralanabilir: Sistemi olumsuz etkileyen elektriksel olayları engellemeye yönelik çalışmalar Sistemin hızını ve verimini arttırmaya yönelik çalışmalar Akıllı bina uygulamalarının bu sistemle gerçekleştirilmesinin yaygınlaştırılması Endüstriyel otomasyonda SCADA nın bu sistem ile gerçekleştirilebilirliğinin araştırılması Uzaktan sayaç okuma (AMR) işinin bu sistem ile gerçekleştirilebilirliğinin araştırılması Sistemin performansını artırmaya yönelik çalışmalar çok büyük telekomünikasyon alt yapısı masraflarının azalmasını sağlayabilir. Bina içi uygulamalarda data kablolarına gerek kalmaz. Bu durumun sağlayacağı maliyet azalmalarının miktarı araştırılabilir. PLC sistemleri aslında 50-60 yıl öncesine kadar dayansa da Internet, kablolu TV, akıllı ev otomasyonu, görüntü aktarımı, telefon gibi teknolojilerin kullanılmasında oldukça yenidir. Özellikle yeni yapılan binalarda ve data altyapısı olmayan binalarda önemli maliyet ve işçilik tasarrufu sağlar. Günümüzde daha çok bina içi uygulamaları mevcuttur. Şehir veya ülke bazında bölgesel uygulamalar ülkemizde olmadığı gibi dünyada da çok az örnek vardır. Bu sistemin performans yönünden diğer sistemlere göre önemli zaafları vardır. Bu zaaflar giderilebildiği taktirde en yaygın sistem haline gelebilir. Telekom un şehir ve ülke çapında PLC sistemi ile data iletimine (İnternet, telefon, TV vb) geçme araştırma çalışmaları yaptığı bilinmektedir. Sistemin yaygınlaşması için bilimsel çalışmaların yanında şirket ve devlet politikalarının da belirleyici olduğu açıktır. 6. KAYNAKLAR [1] Kaplan, Y., Veri Haberleşmesi Temelleri, Papatya Yayıncılık, Ekim 2000. [2] Kaplan, Y., Veri Haberleşmesi Kavramları, Papatya Yayıncılık, Eylül 2000. [3] Sekteröl Araştırma ve Stratejiler Dairesi Başkanlığı, Telekomünikasyon Kurumu, Teknoloji Hizmetler Düzenleme ve Dünyadaki Gelişmelerle Genişbant, Ocak 2008. [4] MEGEP, Kuranportör ve Ağ Sistemleri, Ankara, 2007 [5] Eklas H., Sheroa K,, Ahad A., Modelling Low Voltage Power Line as a Data Communication Channel, World Academy of Science, Engineering and Technology, 2008 [6] Amandeep G., Debraj P., Jian H., Power Line Data Transmission Project-The Meter Man, Engineering University of Victoria, April 2004. [7] Schaub T., Powerline Carrier-The Basis For Advanced Metering, 19th International Conference on Electricity Distribution Vienna, Session 6 Paper No 0685, 21-24 May 2007 [8] Khurram H.Z., Powerline Carrier (PLC) Communication Systems, MS Thesis, Department of Microelectronics and Information Technology, IMIT Royal Institue of Technology, Sweden, Semyember 2003. [9] Ackerman K.W., Timed Power Line Data Communication, MS Thesis, University of Saskatchewan, Canada, January 2005. [10] http://www.allnet.de/powerline.html?&l=14 [11] Coca E., Potorac A., Performance Measurements on Power Line Carrier DataTransmission in Indoor Office Environments, University of Stefan cel Mare, Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, Romania, ECUMICT 2006. 91