Power Line Communications: Theory and Applications for Narrowband and Broadband Communications over Power Lines

528 Pages·2010·21.659 MB·English

Power Line Communications
Power Line Communications: Theory and Applications for Narrowband and Broadband Communications over Power Lines
Edited by Hendrik C. Ferreira, Lutz Lampe, John Newbury and Theo G. Swart
© 2010 John Wiley & Sons Ltd. ISBN: 978-0-470-74030-9
Power Line
Communications
Theory and Applications for Narrowband
and Broadband Communications over
Power Lines
Editors
HendrikC.Ferreira
UniversityofJohannesburg,SouthAfrica
LutzLampe
UniversityofBritishColumbia,Canada
JohnNewbury
TheOpenUniversity,UK
TheoG.Swart
UniversityofJohannesburg,SouthAfrica
A John Wiley and Sons, Ltd, Publication
Thiseditionfirstpublished2010
(cid:1)c 2010JohnWiley&SonsLtd
Registeredoffice
JohnWiley&SonsLtd,TheAtrium,SouthernGate,Chichester,WestSussex,PO198SQ,
UnitedKingdom
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LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData
Powerlinecommunications:theoryandapplicationsfornarrowbandandbroadband
communicationsoverpowerlines/editors,H.C.Ferreira...[etal.]
p.cm.
Includesbibliographicalreferencesandindex.
ISBN978-0-470-74030-9(cloth)
1.Electriclines–Carriertransmission.I.Ferreira,H.C.(HendrikC.)
TK5103.15.P6952010
621.382–dc22
2009053133
AcataloguerecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary.
ISBN978-0-470-74030-9
Setin10/12ptTimesbySunriseSettingLtd,Torquay,UK.
PrintedinSingaporebyMarkonoPrintMediaPteLtd.
Contents
ListofContributors xv
Preface xvii
ListofAcronyms xix
1 Introduction 1
TheEditors
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 ChannelCharacterization 7
P.Amirshahi,F.Cañete,K.Dostert,S.Galli,M.KatayamaandM.Kavehrad
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 ChannelModelingFundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 BriefReviewofIndoor/OutdoorTopologies . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1.1 Low,MediumandHighVoltageMainsTopologies . . . . . 9
2.2.1.2 ResidentialandBusinessIndoorWiringTopologies . . . . 11
2.2.2 Some Fundamental Definitions and Properties of Band-Limited
Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2.1 ImpulseResponseDuration . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2.2 AverageChannelGain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2.3 RootMeanSquareDelaySpread(RMS-DS) . . . . . . . . 15
2.2.3 CharacteristicsoftheIndoorChannelintheHFandVHFBands . . . 16
2.2.4 CharacteristicsoftheOutdoorChannel(LVandMV) . . . . . . . . . 19
2.2.5 CharacteristicsoftheLowFrequencyChannel . . . . . . . . . . . . 20
2.2.6 FundamentalApproaches:DeterministicandEmpiricalModels . . . 23
2.2.6.1 TimeDomain-BasedModeling:TheMultipathModel . . . 23
2.2.6.2 Frequency Domain-Based Modeling: Transmission-Line
Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.7 AdvantagesandDisadvantagesofModelingApproaches . . . . . . . 27
2.2.8 MergingtheDeterministicandtheStatisticalApproaches:Towardsa
HybridModel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 ModelsforOutdoorChannels:LVCase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 AccessNetworkTopologiesinEurope,AsiaandtheUSA . . . . . . 31
2.3.2 SomeFundamentalsofTransmissionLineTheory . . . . . . . . . . 34
2.3.2.1 WeaklyLossyLines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
vi CONTENTS
2.3.2.2 Reflections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.3 ThePowerLineChannelModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.3.1 RealisticExamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.3.2 ReferenceChannelDefinitionfortheAccessDomain . . . 46
2.4 ModelsforOutdoorChannels:MVCase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.1 PropagationonOverheadMVTransmissionLines . . . . . . . . . . 49
2.4.1.1 SingleConductoroverHigh-LossEarth . . . . . . . . . . 49
2.4.1.2 AnalysisofMTLs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.1.3 MathematicalDerivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.2 ChannelTransferFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.3 BackgroundNoiseinMediumVoltageLines . . . . . . . . . . . . . 63
2.5 ModelsforIndoorChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.5.1 ModelingPrinciples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5.2 LTIChannelModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.5.2.1 DeviceCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.5.2.2 MeasurementsResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.5.2.3 ChannelResponseModeling . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.5.3 LPTVChannelModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.5.3.1 EmpiricalBasis:TestswithTime-VaryingDevices . . . . . 73
2.5.3.2 TheoreticalBasisfortheTime-VaryingResponse . . . . . 74
2.5.3.3 ChannelTime-VaryingResponseModeling. . . . . . . . . 77
2.5.3.4 MeasurementsofActualChannelResponses . . . . . . . . 78
2.5.4 ReferenceChannelModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.5.4.1 StructuralModelingApproach . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.5.4.2 SetofReferenceChannels. . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.5.5 FinalRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.6 NoiseandDisturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.6.1 PLCNoiseinTimeDomain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.6.1.1 ContinuousNoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.6.1.2 ImpulsiveNoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.6.1.3 NarrowbandNoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.6.1.4 OverallNoiseWaveform . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.6.2 PLCNoiseinFrequencyDomain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.6.3 MathematicalRepresentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.6.3.1 Middleton’sNoiseModels . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.6.3.2 FrequencyDomainApproach . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.6.3.3 TimeDomainApproachforImpulsiveNoise . . . . . . . . 93
2.6.3.4 CyclostationaryNoiseModel . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.6.4 PLCNoiseFeaturesforAdaptiveCoding,Modulationand
Demodulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2.7 MeasuringTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.7.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.7.2 ScatteringMatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.7.3 TransferFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.7.4 MeasurementSetups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
2.8 PLCChannelEmulationTools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.8.1 PowerLineChannelEmulationfortheHFRange . . . . . . . . . . . 103
CONTENTS vii
2.8.2 PowerLineChannelEmulationfortheLFRange . . . . . . . . . . . 105
2.9 ReferenceChannelsforAccessDomain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.9.1 BriefDescriptionoftheReferenceChannels . . . . . . . . . . . . . 109
2.9.2 ParametersoftheReferenceChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3 ElectromagneticCompatibility 127
H.HirschandM.Koch
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.2 ParametersforEMCConsiderations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.2.1 EMCRelevantTransmissionLineParameters . . . . . . . . . . . . . 128
3.2.2 CouplingFactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.2.3 ElectricandMagneticField . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.3 ElectromagneticEmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.3.1 RadiatedEmissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.3.2 ConductedEmissions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.4 ElectromagneticSusceptibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.5 EMCCoordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.5.1 CompatibilityLevel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.5.2 DefinitionofLimits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3.6 EMCRegulationinEurope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.6.1 RegulationforPLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.6.2 MarketAccess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.6.3 RegulationintheCaseofInterferenceComplaints . . . . . . . . . . 143
3.7 FinalRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4 Coupling 147
P.A.JansevanRensburg
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.2 FilteringBasics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.3 Transformer-CapacitorCouplerDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.3.1 FrequencySpecifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.3.2 ImpedanceLevels/WindingRatio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.3.3 MaximumVoltageLevels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.3.4 MaximumCurrentLevels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.3.5 Core. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.3.6 CurrentDensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.3.7 SkinEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.3.8 NumberofStrands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.3.9 NumberofTurns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.3.10 FluxDensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.3.11 LeakageInductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.3.12 EnlargingofLeakageInductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.3.13 SeriesCapacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.3.14 MagnetizingInductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.3.15 CheckCombinedFluxDensityLevels . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
viii CONTENTS
4.3.16 ReducingMagnetizingInductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.3.17 EvaluationandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.4 ImpedanceAdaptationConcepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.4.1 IsitWorthwhileAttemptingImpedanceMatching? . . . . . . . . . . 166
4.4.2 OfWhatOrderShouldPracticalWindingRatiosbe? . . . . . . . . . 166
4.4.3 IsthereaGood,VersatileReceiverWindingRatio? . . . . . . . . . . 167
4.4.4 IsthereaGood,VersatileTransmitterWindingRatio? . . . . . . . . 168
4.4.5 CanPowerTransferbeOptimizedwitha =a ? . . . . . . . . . 169
TX RX
4.4.6 Cana anda beOptimizedIndependently? . . . . . . . . . . . . 169
TX RX
4.4.7 HowshouldtheseFindingsbeInterpretedandImplemented? . . . . . 171
4.5 ExperimentalVerification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.5.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.5.2 ExperimentalSetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
4.5.3 EmulatedTransmitterandReceiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
4.5.4 LaboratoryVerificationofSimulationResults . . . . . . . . . . . . . 179
4.5.5 ClassifyingPowerOutletsforImpedanceAdaptation . . . . . . . . . 182
4.5.6 DualImpedance-AdaptingCoupler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
4.6 FurtherPossibilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
5 DigitalTransmissionTechniques 195
M.Ardakani,G.Colavolpe,K.Dostert,H.C.Ferreira,D.Fertonani,T.G.Swart,
A.M.Tonello,D.UmeharaandA.J.H.Vinck
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.2 ModulationandCodingforNarrowbandPLCSystems . . . . . . . . . . . . 196
5.2.1 SignalDisturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.2.2 CapacityandRepeaterStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
5.2.3 Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.2.4 FrequencyShiftKeying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
5.2.5 CombinedCodingandModulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
5.2.5.1 ConvolutionalCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.2.5.2 Distance-PreservingMappings . . . . . . . . . . . . . . . 227
5.2.5.3 DPMConstructionsandAlgorithms . . . . . . . . . . . . 231
5.2.5.4 PermutationTrellisCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
5.2.5.5 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
5.3 ModulationandCodingforBroadbandPLCSystems . . . . . . . . . . . . . 239
5.3.1 SpreadSpectrumModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
5.3.1.1 DirectSequencingSpreadSpectrum(DSSS) . . . . . . . . 240
5.3.1.2 FrequencyHopping(FH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
5.3.1.3 Chirp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
5.3.1.4 ImpulseModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
5.3.1.5 EvaluationofBenefitsandDrawbacksSSTechnologiesfor
PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
5.3.1.6 PracticalApplicationsofSSTechnologiesinPLCSystems 257
5.3.2 MulticarrierSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
5.3.2.1 MulticarrierModulationasaFilterBank . . . . . . . . . . 258
CONTENTS ix
5.3.2.2 DFTFilterBankModulationSolutions . . . . . . . . . . . 260
5.3.2.3 DCTFilterBankModulationSolutions . . . . . . . . . . . 269
5.3.2.4 OtherMCSchemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
5.3.2.5 CoexistenceandNotching . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
5.3.2.6 BitLoading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
5.3.3 ImpulseNoiseMitigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
5.3.3.1 ChannelModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
5.3.3.2 MaximumaPosterioriSymbolDetection. . . . . . . . . . 277
5.3.3.3 UltimatePerformanceLimits . . . . . . . . . . . . . . . . 279
5.3.3.4 PracticalCommunicationSchemes . . . . . . . . . . . . . 283
5.3.4 LDPCCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.3.4.1 LDPCCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.3.4.2 Signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
5.3.4.3 LDPCCodingforNon-UniformChannels . . . . . . . . . 298
5.3.4.4 SystemDesignforPowerLineChannels . . . . . . . . . . 299
5.3.4.5 CodeDesignResults. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
6 ProtocolsforPLCSystems 311
G.Bumiller,H.Hrasnica,L.Lampe,M.LobashovandT.Stockhammer
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
6.2 BroadbandPLCMediaAccessControlLayer . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.2.1 ComponentsoftheMACLayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.2.2 MultipleAccessSchemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
6.2.2.1 TimeDivisionMultipleAccess(TDMA) . . . . . . . . . . 313
6.2.2.2 FrequencyDivisionMultipleAccess(FDMA) . . . . . . . 314
6.2.2.3 CodeDivisionMultipleAccess(CDMA) . . . . . . . . . . 314
6.2.3 MACProtocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
6.2.3.1 ContentionProtocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
6.2.3.2 ArbitrationProtocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
6.2.3.3 HybridMACProtocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
6.2.4 MACImplementationsforBroadbandPLC . . . . . . . . . . . . . . 319
6.2.5 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
6.3 ProtocolsforPLCSupportingEnergyManagementSystems . . . . . . . . . 320
6.3.1 WhatisNeededfromaPLCNetwork . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
6.3.2 SystemArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
6.3.3 MediaAccessControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
6.3.3.1 HybridMediaAccessControlProtocol . . . . . . . . . . . 325
6.3.3.2 PipelinedTDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
6.3.3.3 Single-FrequencyNetwork-BasedFloodingConcept . . . . 327
6.3.3.4 ComparisonofFloodingandRouting . . . . . . . . . . . . 329
6.3.3.5 AlohainSFN-basedPLCNetworks. . . . . . . . . . . . . 333
6.3.4 NetworkLayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
6.3.5 TransportLayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
6.3.5.1 FunctionalityoftheTransportLayer . . . . . . . . . . . . 338
6.3.5.2 TransportLayerCommunicationServices . . . . . . . . . 339
x CONTENTS
6.3.5.3 TransportLayerRouting . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
6.3.6 CommonConvergenceLayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
6.3.7 Service-SpecificConvergenceLayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
6.3.8 FinalRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
6.4 InternetProtocolTelevisionOverPLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
6.4.1 PhysicalLayerModeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
6.4.1.1 ModelingofImpulsiveNoise . . . . . . . . . . . . . . . . 344
6.4.1.2 PhysicalChannelModelIncludingPhysicalLayerFEC . . 345
6.4.2 VideoDistributionoverPLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
6.4.3 ApplicationLayerFECBasedonRaptorCodes . . . . . . . . . . . . 348
6.4.3.1 RaptorCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
6.4.3.2 FountainCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
6.4.3.3 LubyTransform(LT)Codes. . . . . . . . . . . . . . . . . 350
6.4.3.4 NonsystematicRaptorCodes . . . . . . . . . . . . . . . . 351
6.4.3.5 TheSystematicStandardizedRaptorCode . . . . . . . . . 354
6.4.3.6 ApplicationofFECStreamingFrameworktoPLC . . . . . 355
6.4.4 SelectedResultsforIPTVServiceswithApplicationLayerFECover
PLCchannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
6.4.5 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
7 IndustrialandInternationalStandardsonPLC-basedNetworking
Technologies 363
S.Galli,M.Koch,H.A.Latchman,S.LeeandV.Oksman
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
7.2 PLCStandardizationbyIndustrialAlliances . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
7.2.1 EarlyLowDataRateSpecifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
7.2.1.1 TheX-10PLCCommandandControlSystem . . . . . . . 364
7.2.1.2 TheCE-BusPLCSpecification . . . . . . . . . . . . . . . 364
7.2.1.3 LonWorksPLCSpecification . . . . . . . . . . . . . . . . 365
7.2.2 High-SpeedPLCIndustrySpecifications . . . . . . . . . . . . . . . 365
7.2.2.1 HomePlugSpecifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
7.2.2.2 DS2/UnitedPowerLineAlliance(UPA)Specification . . . 376
7.2.2.3 PanasonicHD-PLCSpecification . . . . . . . . . . . . . . 380
7.2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
7.3 InternationalStandardsonPLC-NetworkingTechnology . . . . . . . . . . . 383
7.3.1 TheIEEE1901Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
7.3.1.1 TechnicalFeaturesoftheBaselineDraft . . . . . . . . . . 384
7.3.2 TheITU-TG.9960Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
7.3.2.1 OverviewofG.9960NetworkArchitecture . . . . . . . . . 392
7.3.2.2 OverviewofthePhysicalLayer . . . . . . . . . . . . . . . 395
7.3.2.3 OverviewoftheDataLinkLayer . . . . . . . . . . . . . . 397
7.4 ETSIandCENELECStandards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
7.4.1 ETSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
7.4.1.1 ETSITCPLT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
7.4.1.2 ETSITCERM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
7.4.2 ETSI-CENELECJointWorkingGroup . . . . . . . . . . . . . . . . 405
CONTENTS xi
7.4.3 CENELEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
7.5 InternationalEMCProductStandardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
8 SystemsandImplementations 413
I.BerganzaValmala,G.Bumiller,H.A.Latchman,M.V.Ribeiro,
A.SendinEscalona,E.R.WadeandL.W.Yonge
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
8.2 PLCSmartGridSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
8.2.1 TheSmartGridConcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
8.2.1.1 ObjectivesofSmartGrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
8.2.1.2 TheNeedforSmartGrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
8.2.1.3 TheNetworkTodayandtheNetworkTomorrow . . . . . . 415
8.2.1.4 WhatwillbeSmartintheGrid . . . . . . . . . . . . . . . 416
8.2.2 ElectricalNetworkImplicationsonSmartGrids. . . . . . . . . . . . 418
8.2.2.1 QuantitiesAssociatedwithElectricityInfrastructures . . . 418
8.2.2.2 LocationsforTelecommunicationNetworksandDevices . 419
8.2.2.3 LimitationsofElectricityRelatedPremises . . . . . . . . . 421
8.2.3 TelecommunicationNetworksforSmartGrids . . . . . . . . . . . . 422
8.2.3.1 BackboneandAccessNetworks . . . . . . . . . . . . . . 422
8.2.3.2 SwitchingandRouting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
8.2.3.3 CharacteristicsoftheService . . . . . . . . . . . . . . . . 423
8.2.3.4 PrivateversusPublicNetworks . . . . . . . . . . . . . . . 424
8.2.4 PLCSystemsforSmartGrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
8.2.4.1 PoweRlineIntelligentMeteringEvolution(PRIME) . . . . 426
8.2.4.2 HomePlugCommandandControlandRUN-M . . . . . . 429
8.2.4.3 MAXIM’sAutomaticMeterManagement(AMM)
Development. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
8.2.4.4 DLC-2000PLCInfrastructure. . . . . . . . . . . . . . . . 430
8.2.5 ConcludingRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
8.3 PLCBroadbandAccessSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
8.3.1 GridTopology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
8.3.1.1 MediumVoltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
8.3.1.2 LowVoltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
8.3.2 PLCNetworkArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
8.3.3 Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
8.3.4 NetworkPlanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
8.3.5 NetworkDeployment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
8.3.6 NetworkMaintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
8.3.7 InterconnectionofPLCAccessSystems . . . . . . . . . . . . . . . . 442
8.3.8 ConcludingRemarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
8.4 MultimediaPLCSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
8.4.1 QoSRequirementsforMultimediaTraffic . . . . . . . . . . . . . . . 443
8.4.2 MultimediaIn-HomeNetworking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
8.4.2.1 MultimediaTrafficCharacteristics . . . . . . . . . . . . . 444
8.4.2.2 QoSParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
8.4.3 APLCSolutionforMultimediaTraffic . . . . . . . . . . . . . . . . 447