Łukasz Guziak | 17 sierpnia 2018, 12:00

Wielki test adapterów Powerline

Gdzie Wi-Fi nie może, tam PLC pomoże

Powerline jest trzecią po Ethernecie i Wi-Fi metodą przesyłu danych. Każda ma swoje zalety i wady, lecz ich współistnienie znosi ograniczenia. O Ethernecie i Wi-Fi napisaliśmy już wiele – czas wyjaśnić i sprawdzić, jak działają sieci zbudowane w technice PLC.

PLC (ang. Power Line Communication) to technika (nie mylić ze sterownikami PLC automatyki przemysłowej) umożliwiająca zestawienie kanału komunikacyjnego pomiędzy dwoma komputerami przy użyciu tradycyjnego przewodu miedzianego sieci elektrycznej.

Wykorzystanie istniejącego okablowania sieci elektrycznej do przesyłu informacji jest bezsprzecznie największym atutem PLC, dlatego zyskuje ono coraz więcej zwolenników. Największe prędkości transferu zapewnia technika Ethernet, w której medium transmisyjnym jest przewód typu skrętka. Osoby, dla których prędkość jest priorytetem, wybiorą Ethernet jako podstawową formę komunikacji pomiędzy urządzeniami sieciowymi, lecz żeby móc ją wykorzystać, w pierwszej kolejności należy zadbać o odpowiednie okablowanie.

W nowoczesnym budownictwie standard ten jest uwzględniany na etapie projektowania i równolegle z instalacją elektryczną prowadzone są przewody sieciowe. Niestety, w starszych budynkach trzeba zadbać o to samemu, co najczęściej wiąże się z remontem. Kucie ścian, zwijanie dywanów, montaż listew i gniazdek będą obowiązkowe. Właściciele domu bądź mieszkania mogą przeprowadzić taki remont. Sytuacja komplikuje się w lokalu wynajmowanym lub budynku zabytkowym. Właściciel, a w przypadku zabytku – kurator, nie zawsze będzie skory udzielić pozwolenia na prace budowlane.

Topologia PLC

Połączenie tego typu jest zestawiane przez minimum dwa adaptery umieszczone w gniazdkach elektrycznych w jednej instalacji, które są połączone tradycyjnym przewodem sieciowym z komputerami. Najprostsza topologia oparta na rozwiązaniu PLC została przedstawiona na rysunku poniżej.

Innym wariantem jest wykorzystanie do komunikacji pomiędzy komputerem a adapterem fal radiowych. Niektóre z testowanych adapterów zostały dodatkowo wyposażone w moduł łączności bezprzewodowej umożliwiający komunikację w standardzie 802.11n lub 802.11ac. Typ obsługiwanego standardu Wi-Fi zależy od możliwości samego adaptera PLC. Topologia zaprezentowana powyżej zmieni się więc i przyjmie postać taką jak na poniższym rysunku.

Przedstawione do tej pory przykłady topologii sieciowych utworzonych z wykorzystaniem adapterów PLC pokazały, jak połączyć ze sobą dwa komputery. Komunikacja pomiędzy hostami jest możliwa, ale nie mają one połączenia z siecią internet. Tak więc najczęściej będziemy mieli do czynienia z sytuacją, w której jeden z adapterów jest połączony z routerem.

Dużym atutem techniki PLC jest jej skalowalność i prostota rozbudowy o następne połączenia. Dołączanie kolejnych hostów wiąże się jednak z zakupem dodatkowych adapterów. Konfiguracja nowego urządzenia została sprowadzona do minimum – wystarczy je sparować z jednym z już użytkowanych adapterów. Przykład sieci opartej na trzech adapterach PLC został pokazany na poniższym rysunku.

Po raz kolejny spotykam się z tego typu urządzeniami. Po raz pierwszy zetknąłem się z tą techniką kilka lat temu, gdy otrzymałem do testowania dwa adaptery firmy TP-Link, model TL-WPA281. Adaptery były zgodne ze standardem HomePlug AV, a maksymalna prędkość transmisji pomiędzy nimi wynosiła 200 Mb/s. W tamtym czasie urządzenia te były nowością, a technika przesyłu danych przez sieć energetyczną dopiero trafiała do domów. Byłem pod wrażeniem ich szybkości działania, możliwości i prostoty wdrożenia we własnym zakresie całego rozwiązania („podłącz, sparuj i ciesz się efektem”). 

Adaptery PLC mogą być zamiennikiem sieci Wi-Fi bądź jej uzupełnieniem. Warto na chwilę wrócić do artykułu poświęconego bezprzewodowym kartom sieciowym i przypomnieć sobie, ile problemów przysporzyło ustanowienie stabilnego połączenia i skopiowanie plików pomiędzy dwoma pokojami. Sieć bezprzewodowa w tej lokalizacji nie zdała egzaminu. Szybkość kopiowania plików była mizerna, a niektóre z testowanych urządzeń w ogóle nie podołały wyzwaniu.

Wybawieniem w takich sytuacjach może być PLC. Dwa sparowane ze sobą adaptery zapewnią większe prędkości połączenia, a problemy z niedziałającym i niestabilnym łączem bezprzewodowym pójdą w zapomnienie.

Niech przemówi następny przykład z życia wzięty. Znajomi mają w ogródku altankę, do której został doprowadzony prąd. Technika PLC zadomowiła się już u nich na stałe. Siedząc w cieniu w ogrodzie, z dala od domowego routera, nadal mogą się cieszyć połączeniem z internetem.

 

Standardy PLC

Pierwsza wersja standardu HomePlug, oznaczona jako HomePlug 1.0, została udostępniona w czerwcu 2001 r. Maksymalna teoretyczna szybkość transmisji wynosiła 14 Mb/s. Przyspieszenie transmisji do 85 Mb/s umożliwiła wersja HomePlug 1.0 oznaczona jako Turbo.

Rosnące wymagania związane ze strumieniowaniem danych audio i wideo wymusiły opracowanie nowych technik przesyłu informacji przez sieć elektryczną. Światło dzienne ujrzała specyfikacja HomePlug AV. Szybkość transmisji wzrosła do 200 Mb/s. Dalsze usprawnienia jeszcze podniosły poprzeczkę: adaptery mogły komunikować się pomiędzy sobą z szybkością do 600 Mb/s. Specyfikacja HomePlug Green PHY, oparta na HomePlug AV, została opracowana w celu zapewnienia łączności pomiędzy różnymi urządzeniami przy zmniejszonym zużyciu energii, za cenę spadku prędkości do 10 Mb/s. Standard ten ma zastosowanie wszędzie tam, gdzie szybkość wymiany informacji nie jest priorytetem, a liczy się właśnie zużycie energii. Jest on wykorzystywany na przykład przez producentów samochodów (Audi, BMW, Volkswagena). W tym przypadku HomePlug GP umożliwia komunikację z terminalem, z którego ładuje się pojazd. HomePlug Green PHY jest również szeroko stosowany w urządzeniach tworzących system inteligentnego domu (takich, jak termostaty, liczniki, urządzenia automatyki i sterowania). Jest, oczywiście, kompatybilny z HomePlug AV i AV2.

Najnowszą wersją standardu jest HomePlug AV2. Osiąga ona przepustowość gigabitową i większą. Adaptery zgodne z tym standardem zapewniają następujące prędkości: 1000 Mb/s, 1200 Mb/s, 1300 Mb/s, 2000 Mb/s. Wzrost przepustowości stał się możliwy, ponieważ adaptery do komunikacji wykorzystują wszystkie trzy linie sieci elektrycznej, czyli obok przewodów fazowego L i neutralnego N używany jest przewód ochronny PE. Urządzenia poprzedniej generacji przesyłały dane z użyciem dwóch linii. Adaptery są w stanie same określić, która para przewodów zapewni najlepszą jakość połączenia, i właśnie tej używają. Te technika nazywa się MIMO.

Bardzo istotną cechą systemu transmiterów Powerline jest to, że oparta na nich sieć najlepiej funkcjonuje w obrębie jednej fazy. Możliwa jest komunikacja między transmiterami działającymi w różnych fazach, ale sporo zależy od instalacji elektrycznej w domu.

Komunikujące się ze sobą adaptery tworzą pomiędzy sobą bezpieczne szyfrowane połączenie. W pierwszej wersji standardu połączenie było szyfrowane kluczem 56-bitowym, ale począwszy od HomePlug AV używa się 128-bitowego AES. Szyfrowanie jest konieczne, bo pozwala wyeliminować możliwość podsłuchania i przechwycenia ruchu sieciowego. Szyfrowanie umożliwia tworzenie sieci, do których należą tylko wskazane urządzenia PLC.

 

PLC w połączeniu z Wi-Fi? Na co zwrócić uwagę?

Na co należy zwrócić uwagę przy zakupie adaptera PLC? W pierwszej kolejności należy się zastanowić nad tym, jaki sprzęt będzie się komunikować z adapterem. Żeby zapewnić urządzeniom przenośnym (takim, jak smartfon i tablet) komunikację z siecią internet, wybierzemy zestaw z wbudowanym punktem dostępowym Wi-Fi. Jeśli posiadane urządzenia umieją się komunikować przy użyciu fal radiowych o częstotliwości 5 GHz, najtrafniejszym wyborem będzie adapter PLC obsługujący standard 802.11ac, bo wtedy komunikacja między nimi będzie szybsza. Jeśli natomiast pasmo 5 GHz nie jest obsługiwane, pozostaje adapter wykorzystujący fale radiowe z zakresu 2,4 GHz, w standardzie 802.11n. Jeżeli zaś celem jest połączenie sprzętu audio-wideo (telewizora, amplitunera, konsoli do gier itp.) z siecią internet, lepszym wyborem będzie sprzęt, który zapewni dużą liczbę portów sieciowych Ethernet.

Nowoczesne urządzenia audio-wideo najczęściej są wyposażone w moduł łączności radiowej, ale wybór tradycyjnego rozwiązania w postaci przewodu zwiększy szybkość transmisji. Jeśli dostępnych gniazdek jest niewiele, warto wybrać adapter ze zintegrowanym gniazdkiem, dzięki czemu liczba wolnych nie zmniejszy się. Do takiego adaptera można podłączyć dowolny odbiornik prądu. Warto też wziąć pod uwagę wymiary obudowy. Testowane konstrukcje mają różne gabaryty, dlatego część z nich po podłączeniu do podwójnego gniazdka skutecznie uniemożliwi podłączenie innego urządzenia elektrycznego. Część adapterów (z wbudowanym gniazdkiem lub obsługujące technikę MIMO) ma wtyczkę z uziemieniem, ale tylko niektóre umożliwiają podłączenie w dowolnej pozycji, a to dzięki otworom umieszczonym po obu stronach wtyku.

Do poprawnego działania adapterów nie jest wymagane dodatkowe oprogramowanie. Głównym zadaniem takich narzędzi jest aktualizacja oprogramowania układowego, a także pomoc w przeglądzie stanu sieci Powerline. Dostarczane informacje o szybkości połączenia pomiędzy transmiterami można wykorzystać do znalezienia miejsc, które zapewnią najlepszą wydajność. Spośród testowanych urządzeń takie oprogramowanie zapewniają: Fritz!, Tenda oraz TP-Link.

Wszystkie modele są oparte na układach dwóch firm: Qualcomma i Broadcoma. Te najwolniejsze, w standardzie HomePlug AV, mają układ Qualcomm Atheros 7420. Szybsze, HomePlug AV2 1000 Mb/s, są wyposażone w BCM60350 Broadcoma. W konstrukcjach komunikujących się pomiędzy sobą z prędkością 1200 Mb/s zastosowano układ Qualcomm QCA7500, a w najszybszych, o prędkości 1300 Mb/s – Qualcomm QCA7550.

Procedura testowa

Część wyników umieściliśmy przy opisach poszczególnych adapterów. Chodzi o test szybkości w programie iperf, test ping, test prędkości wysyłania/pobierania plików, a w przypadku adapterów wyposażonych w moduł Wi-Fi – także pomiar zasięgu. Sprawdziliśmy również, jak te ostatnie radzą sobie w bezprzewodowym pobieraniu danych, a wyniki umieściliśmy na stronie „Test wydajności – WLAN”.

Test objął sześć punktów pomiarowych w dwóch lokalizacjach (w każdej po trzy). Lokalizacja A to mieszkanie o powierzchni 50 m2, a lokalizacja B to jednopiętrowy dom o powierzchni 120 m2 z przydomowym ogródkiem, w którym stoi altana oddalona od domu o 40 m. Przyjęta numeracja poszczególnych lokalizacji została przedstawiona na rysunku poniżej.

Lokalizacja A

Lokalizacja B

Parter + ogród:

Piętro:

Test w obu lokalizacjach został przeprowadzony pomiędzy dwoma komputerami podłączonymi do adapterów. Adaptery komunikowały się ze sobą za pośrednictwem przewodów sieci elektrycznej. W lokalizacji A cała sieć została wymieniona na nową: użyto przewodów trójżyłowych. Sieć w lokalizacji B nie jest pierwszej nowości i została oparta na przewodach dwużyłowych, bez uziemienia. Całość komunikacji przebiegała w obrębie jednej fazy.

Orientacyjne odległości pomiędzy adapterami wynosiły:

  • komputer – A1 – 4 m,
  • komputer – A2 – 14 m,
  • komputer – A3 – 10 m,
  • komputer – B1 – 10 m,
  • komputer – B2 – 25 m,
  • komputer – B3 – 80 m.

Testy prędkości kopiowania plików wykonaliśmy w obu kierunkach.

Dodatkowo przeprowadziliśmy test przy użyciu bezpłatnego narzędzia iperf, opartego na modelu klient-serwer, które służy do testowania wydajności sieci i jest dostępne w wersji zarówno do systemów Windows, jak i Linux. Test polegał na uruchomieniu programu w trybie serwera na jednym z komputerów i zmierzeniu prędkości transmisji w obu kierunkach. W próbie upload dane były przesyłane w kierunku od klienta do serwera, a w próbie download – na odwrót.

Pomiar mocy i stabilności sygnału został przeprowadzony z 5-sekundowym odstępem, a czas całego pomiaru to 5 minut. Test stabilności sygnału objął lokalizację A, a pomiar mocy sygnału został wykonany w obu. Punkty pomiarowe w lokalizacji A były te same co w teście kart sieciowych Wi-Fi. W lokalizacji B użyliśmy dwóch punktów pomiarowych: pierwszy znajdował się na piętrze, drugi zaś na parterze. Sieć 2,4 GHz do działania wykorzystała kanał 9., a szerokość kanału została ustawiona na 40 MHz. Sieć 5 GHz działała na kanale 44., a szerokość kanału została ustawiona na 80 MHz.

Test prędkości odbierania plików pomiędzy dwoma komputerami objął również połączenie bezprzewodowe. Został wykonany w lokalizacji A.

Pomiar poboru energii został przeprowadzony w dwóch sytuacjach: tryb czuwania i transfer danych.

W testach użyliśmy trzech komputerów. Oto ich konfiguracja:

  1. Intel Core i7-3820, Asus P9X79, 32 GB DDR3 2400 MHz, SSD 250 GB Samsung MZHPV256HDGL M.2.
  2. Intel Core i3-7100, Asus Strix B250I Gaming, HyperX Fury 16 GB DDR4 2400 MHz, SSD 240 GB Patriot Hellfire M.2.
  3. Lenovo G510, Intel Core i7-4700MQ, 16 GB DDR3, SSD 250 GB Samsung 850 Pro.

Wszystkie komputery działały pod kontrolą systemu Windows 10 w wersji 1803.

W testach użyliśmy routera Asus RT-AC58U, a w testach sieci Wi-Fi – kart sieciowych Asus PCE-AC88 i Asus USB-AC68.