Broadband over Power Line (BPL) technology has garnered significant attention lately due to recent advancements in solid state technologies and channel coding schemes. The successful application of BPL technology for in-home automation and networking has led to suggestions of applying BPL in other systems including ships. The application of BPL technology using the Shipboard Power System (SPS) as a potential communications network for ship automation systems has been proposed, to achieve recent U.S. Navy ship management concepts geared toward reducing ship manning while improving operational efficiency. This thesis presents an analytical model developed to examine the channel response characteristics and estimated throughput capacity of SPS cables. The work used a multiconductor transmission line theory based approach to model the channel response of SPS distribution lines and estimated the channel throughput capacity using a “water-filling” communication technique. This work found that BPL using the SPS holds a strong potential for use as a communications network for ship communication systems.

Broadband over Power Line (BPL) technology has garnered significant attention lately due to recent advancements in solid state technologies and channel coding schemes. The successful application of BPL technology for in-home automation and networking has led to suggestions of applying BPL in other systems including ships. The application of BPL technology using the Shipboard Power System (SPS) as a potential communications network for ship automation systems has been proposed, to achieve recent U.S. Navy ship management concepts geared toward reducing ship manning while improving operational efficiency. This thesis presents an analytical model developed to examine the channel response characteristics and estimated throughput capacity of SPS cables. The work used a multiconductor transmission line theory based approach to model the channel response of SPS distribution lines and estimated the channel throughput capacity using a “water-filling” communication technique. This work found that BPL using the SPS holds a strong potential for use as a communications network for ship communication systems.

Στην εργασία αυτή αρχικά θα αναφερθούν οι τρόποι παροχής ευρυζωνικών υπηρεσιών και θα αναλυθεί το δίκτυο BPL, καθώς και τα οφέλη που μπορεί να έχουν χρήστες και επιχειρήσεις από το δίκτυο αυτό. Επίσης θα δειχθεί η αρχιτεκτονική ενός δικτύου BPL και οι απαραίτητες συσκευές ώστε το υπάρχων ηλεκτρικό δίκτυο να παρέχει ευρυζωνικές υπηρεσίες. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν στατιστικά στοιχεία για την παγκόσμια πρόσβαση σε τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες και ηλεκτρισμό και θα προταθεί μια προοπτική επέκτασης της τεχνολογίας BPL στις αναπτυσσόμενες χώρες. Στο επόμενο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση των BPL δικτύων Μέσης, Χαμηλής Τάσης και εσωτερικού. Διαπιστώνεται ότι η αύξηση των κλάδων ανάμεσα σε πομπό και δέκτη προκαλεί σημαντική μείωση στην απόδοση, επίσης το επίπεδο της διαμόρφωσης επηρεάζει σημαντικά τη χωρητικότητα των καναλιών. Στη συνέχεια συγκρίνονται τα ασύρματα με τα ενσύρματα οικιακά δίκτυα, αναφέρονται τα διαθέσιμα πρωτόκολλα στην ενσύρματη και ασύρματη δικτύωση και παρατίθεται μία συγκριτική δοκιμή ανάμεσα σε BPL προσαρμογείς διαφόρων κατασκευαστών. Τέλος χρησιμοποιήθηκε ένα ζευγάρι προσαρμογέων της Belkin βασισμένων στο πρόσφατο πρωτόκολλο Homeplug AV για την δημιουργία ενός οικιακού δικτύου BPL ανάμεσα σε δύο υπολογιστές. Κάνοντας χρήση του προγράμματος Jperf μετρήθηκε το διαθέσιμο εύρος ζώνης για το δίκτυο μας με τα πρωτόκολλα TCP και UDP, επίσης διευκρινίστηκαν οι παράγοντες εκείνοι που μπορεί να μειώσουν το εύρος ζώνης. Πιο συγκεκριμένα διαπιστώθηκε μείωση της απόδοσης με αύξηση των κλάδων ανάμεσα στους προσαρμογείς. Ταυτόχρονα διαπιστώθηκε ότι η χρήση πολύπριζου με φίλτρα προστασίας προκαλεί σημαντική πτώση μέχρι και μηδενισμό του διαθέσιμου εύρους ζώνης και πρέπει να αποφεύγεται. Παράλληλα, έγινε σύγκριση του πρωτοκόλλου Homeplug AV με το παλαιότερο Homeplug 1.0 καθώς και με το πρωτόκολλο ασύρματης δικτύωσης IEEE 802.11.g, και διαπιστώθηκε η εξέλιξη που υπάρχει στα πρωτόκολλα μεταφοράς δεδομένων μέσω των ηλεκτρικών καλωδιώσεων. Με την διεξαγωγή πειραμάτων στον χώρο του εργαστηρίου Υψηλών τάσεων, διαπιστώθηκε ότι το δίκτυο μας δεν επηρεάζεται από κρουστικό θόρυβο. Τέλος, διαπιστώσαμε ότι η σύνδεση και αποσύνδεση φορτίου επηρεάζει σημαντικά το εύρος ζώνης όταν παρεμβάλλονται πολλοί κλάδοι. / The way of providing broadband services and the analysis of Broadband over Power Lines (BPL) networks will be initially presented in this thesis˙ Plus the benefits that can be assessed by the users and companies alike. The architecture of a typical bpl network will be presented and the necessary devices to use power lines for broadband communications. Following statistics for the global access to telecommunication services and electricity will be presented plus the prospect of extending the BPL technology is introduced, for the developed countries. In the next chapter parameters that affect outputs’ performance for Low, Medium Voltage as well as indoor BPL networks are referred. It is realized that the increase of branch between transmitter and receiver causes important reduction in the capacity, also the level of modulation influences considerably the capacity of channels. Afterwards, wireless and the wired home networks are compared, the available protocols in the wired and wireless networking are reported and a comparative trial between bpl adaptors by various constructors are mentioned. Finally a pair of Belkin bpl adaptors based on recent Homeplug AV was used for the creation of one home network between two computers. Using the Jperf we measured the available bandwidth for our network with TCP and UDP protocols, we also clarified those factors that can degrade the bandwidth. We also mentioned reduction of bandwidth icreasing the number of branches between the adaptors. It was also realized that the use of surge protector causes important reduction to bandwidth and it should be avoided. We also compared the Homeplug AV protocol with the older Homeplug 1.0 and with the IEEE 802.11.g protocol. Finally , after experiments in the laboratory of High voltages, it was realized that our adaptors are not influenced by impulse noise.

Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας θα εξετάσουμε το πρόβλημα της εξασθένισης που παρουσιάζεται σε ένα BPL (Broadband over powerlines) network (ευζωνικό δίκτυο), αξιολογώντας την αρνητική επιρροή των διαφόρων καταστρεπτικών παραγόντων και ειδικότερα του επιδερμικού φαινομένου (skin effect). Τα BPL συστήματα εισάγουν μια καινοτόμα τεχνολογία ευρυζωνικής πρόσβασης στο διαδίκτυο και όχι μονό, η οποία δείχνει να ανταποκρίνεται στις σύγχρονες απαιτήσεις, προσφέροντας ικανοποιητική ποιότητα υπηρεσιών και μειώνοντας το κόστος υλοποίησης τους. Δεν χρειάζεται επενδύσεις για νέα υποδομή, αφού οι γραμμές ηλεκτρικής ισχύος καλύπτουν σχεδόν όλες τις κατοικημένες περιοχές του πλανήτη. Ιδιαίτερα σε αραιοκατοικημένες περιοχές με ελάχιστη τηλεπικοινωνιακή κάλυψη και υποδομή, η τεχνολογία BPL είναι ίσως η μοναδική λύση για ευρυζωνικές υπηρεσίες. Είναι κατανοητή τώρα η ανάγκη που προκύπτει για περεταίρω διερεύνηση του επιδερμικού φαινομένου, ενός παράγοντα που ενεργεί αρνητικά στη διάδοση του σήματος, διαμέσου του BPL δικτύου. Στο πρώτο κεφάλαιο θα μιλήσουμε γενικά για την BPL τεχνολογία, πώς και πού ξεκίνησε. Θα δώσουμε ένα γενικό ορισμό με μια μικρή εισαγωγή στα συστήματα BPL. Στο δεύτερο κεφάλαιο θα ασχοληθούμε με τα δίκτυα πρόσβασης, με άλλα λόγια την δομή των δικτύων πρόσβασης BPL καθώς επίσης και τα βασικά στοιχεία των δικτύων. Γίνεται μια εκτενής παρουσίαση των τοπολογιών και της αρχιτεκτονικής των δικτύων BPL και τελευταία παρουσιάζεται η εμπορική αξιοποίηση στις διάφορες εφαρμογές χρήσης της BPL τεχνολογίας. Στο τρίτο κεφάλαιο θα μιλήσουμε για το επιδερμικό φαινόμενο, που εμφανίζεται, πώς επηρεάζει και τι προκαλεί στις BPL εφαρμογές. Γίνεται αναφορά στα καλώδια, αλλά και στα δίκτυα διαμέσου των οποίων βρίσκει εφαρμογές η BPL τεχνολογία, και συνάμα εμφανίζεται το επιδερμικό φαινόμενο. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια πειραματική εργασία, όπου φαίνεται ο τρόπος με τον οποίον το επιδερμικό φαινόμενο επιδρά στο εσωτερικό των καλωδίων, ένα πρόγραμμα σε Matlab όπου γίνεται εμφανής η σχέση της συχνότητας με το επιδερμικό βάθος. Τέλος, παρουσιάζουμε τα συμπεράσματα που προκύπτουν από όλη την εργασία. / --

Η επίδραση της τεχνολογίας BPL (Broadband over Power Lines) στη ΔΕΗ, αλλά και στους φορείς ρύθμισης και λειτουργίας της -αναμενόμενης- απελευθερωμένης αγοράς ενέργειας, όπως είναι ο Διαχειριστής Ελληνικού Συστήματος Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΣΜΗΕ), θα είναι άμεση και καταλυτική. Η ευρυζωνική μετάδοση πληροφορίας μέσω των γραμμών ηλεκτρικής ισχύος έχει τη δυνατότητα να προσφέρει υπηρεσίες τόσο στις επιχειρήσεις ηλεκτρικής ενέργειας (στην περίπτωσή μας τη ΔΕΗ) όσο και στους καταναλωτές. Με την εφαρμογή της τεχνολογίας BPL στο δίκτυο της ΔΕΗ οι γραμμές ηλεκτρικής ισχύος, εκτός από τη μεταφορά και τη διανομή ηλεκτρικής ενέργειας, μπορούν ταυτόχρονα να μεταδώσουν πληροφορία με ρυθμό μετάδοσης που φτάνει, προς το παρόν, τα 200 Mbps στο φυσικό επίπεδο. Μερικές από τις υπηρεσίες που προσφέρει η τεχνολογία BPL είναι υπηρεσίες τηλεφωνίας (VoIP), ευρυζωνική πρόσβαση στο διαδίκτυο, υπηρεσία τηλεόρασης (internet TV), υπηρεσία ραδιοφώνου, δυνατότητα φορητότητας και κινητικότητας των υπηρεσιών διαδικτύου, αυτοματοποίηση κατοικίας, απομακρυσμένος έλεγχος και λειτουργία του οικιακού εξοπλισμού, δυναμική ρύθμιση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, παρακολούθηση για λόγους ασφάλειας, παιχνίδια βασισμένα στο διαδίκτυο, εφαρμογές quadruple play κ.ά. Η πρόσβαση των καταναλωτών πραγματοποιείται με ασύρματο τρόπο (Wi-Fi) από τη γραμμή χαμηλής τάσης (σύνδεση στο μετρητή του χρήστη) ή κατευθείαν από τη γραμμή μέσης τάσης. Ο νέος αυτός τρόπος ευρυζωνικής πρόσβασης στο διαδίκτυο είναι ιδιαίτερα σημαντικός, γιατί δε χρειάζεται επενδύσεις για νέα υποδομή, εφόσον οι γραμμές ηλεκτρικής ισχύος καλύπτουν σχεδόν όλες τις κατοικημένες περιοχές του πλανήτη. Ιδιαίτερα σε περιοχές αραιοκατοικημένες ή με ελάχιστη τηλεπικοινωνιακή υποδομή, η τεχνολογία BPL αποτελεί ίσως τη μοναδική λύση για ευρυζωνικές υπηρεσίες. Στις επιχειρήσεις ηλεκτρικής ενέργειας προσφέρονται πολλαπλές και ιδιαίτερης σημασίας δυνατότητες. Μερικές από αυτές είναι η αυτόματη ανάγνωση μετρητών και η τιμολόγηση, η αυτόματη σύνδεση/αποσύνδεση φορτίων, η μέτρηση και η απεικόνιση των δεδομένων του δικτύου διανομής (τάση, ρεύμα, θερμοκρασία περιβάλλοντος, πραγματική ισχύς, άεργος ισχύς, συντελεστής ισχύος), η διαχείριση της ζήτησης, η μείωση των εκπομπών CO2 λόγω της βελτίωσης της ενεργειακής αποδοτικότητας, η ανίχνευση κλοπής ηλεκτρικής ενέργειας, ο εντοπισμός βλαβών, η απομόνωση και άμεση αποκατάσταση σφαλμάτων, η προληπτική συντήρηση του δικτύου (εναέριο και υπόγειο), η διαχείριση και ο προγραμματισμός του προσωπικού συντήρησης, η διαγνωστική παρακολούθηση του δικτύου, η διαχείριση ασφάλειας του δικτύου. Επιπρόσθετα, προσφέρεται η δυνατότητα στη διοίκηση να αναπτύξει, να ρυθμίσει και να ελέγξει την απελευθερωμένη αγορά ηλεκτρικής ενέργειας. Όλη η πληροφορία για τις συνθήκες λειτουργίας του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας θα διακινείται σε πραγματικό χρόνο και θα αξιοποιείται από τις ρυθμιστικές αρχές, με αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας αξιόπιστης και ευέλικτης αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Τα καλώδια του ρεύματος πηγαίνουν παντού και αποτελούνται συνήθως από καλής ποιότητας χαλκό. Επίσης, οι μόνες συχνότητες που χρησιμοποιούνται είναι αυτές του ρεύματος, δηλαδή τα 50 και 60 Hz. Έτσι, η μετάδοση σημάτων πληροφορίας μέσω των γραμμών ηλεκτρικής ισχύος είναι απλή στη σύλληψή της. Τέλος, γίνεται ένας σχολιασμός σε διάφορα μοντέλα εξομοιώσεων σε Matlab για την συμπεριφορά των διαφόρων παραμέτρων που επηρεάζουν το BPL δίκτυο. / -

Η BPL τεχνολογία είναι μια υποσχόμενη τεχνολογία η οποία προσφέρει τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες μέσω των γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας και η οποία τα τελευταία χρόνια γνωρίζει ραγδαία ανάπτυξη. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παρουσίαση της BPL τεχνολογίας και η υλοποίηση της με τρεις διαφορετικούς τρόπους σε συγκεκριμένο ηλεκτρικό δίκτυο. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια γενική αναφορά στην BPL τεχνολογία. Παρουσιάζονται τα επίπεδα του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας τα οποία συμμετέχουν σε ένα BPL δίκτυο, τα διάφορα δίκτυα πρόσβασης, οι αρχιτεκτονικές και ο εξοπλισμός τους, καθώς και διάφορα προβλήματα που αντιμετωπίζει η συγκεκριμένη τεχνολογία. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται τα επίπεδα του BPL δικτύου. Αναλύονται οι διάφορες τεχνικές διαμόρφωσης όπως η OFDM (ορθογώνια μέθοδος διαμόρφωσης με διαίρεση συχνότητας) και η διαμόρφωση απλωμένου φάσματος. Επίσης γίνεται αναφορά στη διαχείρηση σφαλμάτων, στο BPL MAC στρώμα καθώς και στα πρωτόκολλα 802.11. Στο τρίτο κεφάλαιο αναφέρονται οι διάφορες τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες που προσφέρονται από την BPL τεχνολογία καθώς και οι εφαρμογές του έξυπνου δικτύου (Smart Grid) και του έξυπνου σπιτιού (Smart Home) που υλοποιούνται με τη συγκεκριμένη τεχνολογία. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη αναφορά στην τεχνολογία των οπτικών ινών και στο τρόπο με τον οποίο η τεχνολογία αυτή θα χρησιμοποιηθεί ως δίκτυο κορμού το οποίο θα φτάνει μέχρι και τους μετασχηματιστές μέσης/χαμηλής τάσης. Επίσης παρουσιάζεται και η PON-BPL τεχνολογία. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο πραγματοποιείται η σχεδίαση του BPL δικτύου πρόσβασης με τρεις διαφορετικές αρχιτεκτονικές σε περιοχή της Λακωνίας της οποίας το ηλεκτρικό δίκτυο ψηφιοποιήθηκε με τη χρήση ενός προγράμματος GIS (Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών) και συγκεκριμένα του Mapinfo. Στη συνέχεια γίνεται σύγκριση των αρχιτεκτονικών ως προς το κόστος και την ταχύτητα. / BPL technology is a promising technology that offers telecommunications services through power lines, which in the recent years is facing a rapid development. The object of this specific project is the presentation of BPL technology and its realization in three different ways on a specific power grid. In the first chapter there is a general reference to BPL technology. Also it includes a presentation of the levels of the power grid which participate in a specific BPL network. Furthermore there is a presentation of the various access network, their architectures, equipment and various problems faced by this technology. The second chapter contains the description of the levels of BPL network. Also various modulation techniques like OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) and spread-spectrum configuration are analyzed. Finally there is a reference to the management of errors, BPL MAC layer and to the protocols 802.11 as well. In the third chapter there is a reference about the various telecommunication services which are provided via BPL technology as well a reference for the implementations of the Smart Grid and Smart House which are realized with the specific technology. At chapter four a brief reference is conducted about the optical fiber technology and about the manner in which this technology will be used as a backbone which reaches up the medium/low voltage transformers. Also PON-BPL technology is presented. Finally in the fifth and last chapter takes place the design of BPL access network with three different architectures in an area of Laconia whose power grid digitized by using a GIS program (Geographic Information Systems), namely the Mapinfo. Eventually there is a comparison between architectures as concern the cost and the speed of realization needed.