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Comunicacion por las lineas electricas (PLC)

Resumen: La tecnologia PLC (Power Line Communications) Comunicacion por la Red Electrica, permite la transmision de voz, datos y video a traves de los cables electricos y por consiguiente por los enchufes electricos convencionales de los hogares u oficinas. Al estar presentes en cualquier lugar...

Publicación enviada por Aleida Eva Sáez Aldana y otros autores




 


ÍNDICE
Introducción
Desarrollo
Características
Arquitectura del PLC
Ruidos que afectan el PLC
Ventajas
Desventajas
PLC en el Mundo
PLC en Cuba
Tendencias de PLC
Conclusiones
Bibliografía
Anexos

INTRODUCCIÓN
La tecnología PLC (Power Line Communications) Comunicación por la Red Eléctrica, permite la transmisión de voz, datos y video a través de los cables eléctricos y por consiguiente por los enchufes eléctricos convencionales de los hogares u oficinas. Al estar presentes en cualquier lugar, su utilización como red de telecomunicaciones sería una opción para llevar servicios telefónicos, de correo electrónico e Internet a lugares de difícil acceso.

La idea de utilizar el cable eléctrico para transmisión de información no es nueva. El uso de PLC en sus orígenes se limitaba al control de líneas eléctricas y a la transmisión a baja velocidad de las lecturas de los contadores. Más adelante, las propias empresas eléctricas empezaron a utilizar sus propias redes eléctricas para la transmisión de datos de modo interno. Existieron diversos intentos de implantación que fracasaron por la juventud de la tecnología. A finales de los noventa los avances tecnológicos realizados permitieron alcanzar velocidades de transmisión del orden de los Mega bits por segundo con mejores prestaciones y mayor aceptación de los usuarios.

Estas redes abren un nuevo horizonte de interconexión entre elementos, ya sean los electrodomésticos tradicionales, ordenadores o instrumentos de domótica de última generación, permitiendo entregar servicios de transferencia de datos como, por ejemplo, acceso a Internet Banda Ancha entre 2 y hasta 200 Mbits/s, con protocolo IP. Todo a bajo costo y con un rango muy elevado de posibilidades como aplicar un número IP a cada elemento de las casas en la red y comunicarse con él.

DESARROLLO
Características

La idea de combinar señales de comunicaciones y electricidad en un solo medio del transporte es obvia, la rejilla de la electricidad es la barra de la red más grande. Los usos se dividen en dos áreas: procedimientos que se realizan fuera del hogar (al aire libre), y procedimientos dentro del hogar (de interior).

En la zona al aire libre, la infraestructura de telecomunicaciones convencional se utiliza para conectar la estación local relevante de la red con la red de teléfono o una espina dorsal de Internet específica. Dependiendo de la distancia y de condiciones locales, la conexión es permitida por la radio, las líneas de cobre o los cables ópticos. La estación local de la red combina datos y voz y los envía como una secuencia de datos al usuario del extremo por medio de la red de media tensión.

La señal del PLC puede coexistir en el mismo medio del tendido eléctrico con la señal de energía, gracias a la diferencia de frecuencia por donde son enviadas ambas. La energía eléctrica se trasmite en una frecuencia de 60 Hz mientras que la señal PLC se trasmite en la banda de 1.6-35 MHz. (Ver Anexo 1).

La principal ventaja de este sistema es que se puede adaptar fácilmente a los cambios en las condiciones de transmisión de la línea eléctrica y que se pueden utilizar filtros para proteger los servicios que puedan resultar interferidos.

La forma de implementar estos filtros es variada y en general los fabricantes hablan de un sistema de control de espectro (Spectral Density Control). La penalización por colocar filtros consiste en una disminución del ancho de banda máximo y velocidad binaria alcanzable por el sistema.

Las señales moduladas de PLC que al propagarse por un la línea de transmisión que se pensó para transmitir energía (50-60Hz) por lo tanto ni está apantallada ni son simétricos respecto a masa y por lo tanto radian. Lo impredictible del tendido eléctrico junto con dispositivos no lineales hacen que se generen gran cantidad de armónicos que también son radiados. Para mantener una buena relación señal/ruido (S/N) el sistema necesita transmitir con potencias altas del orden de 40W.

PLC usa varias tecnologías que dependen de las capas de protocolos. Las más utilizadas en la capa física son la OFDM (Multiplex por División de Frecuencias Ortogonales) y SS (Espectro Esparcido); para la capa de enlace MAC que es la parte encargada de el control de Acceso al medio de transmisión; CSMA-CA: Múltiple Acceso con Sensado de la Portadora, con control para que no ocurran colisiones en el canal de transmisión (primero avisa que va a transmitir y cuando todos los dispositivos lo saben entonces transmite y por lo que controla las colisiones)

OFDM tiene Robustez contra el ambiente ruidoso: Los datos se transmiten por subcanales que no se solapan con portadoras ortogonales (aproximadamente 1280). Cada portadora puede ser modulada en varios formatos como DQPSK. Por tanto, mientras podrían perderse algunas porciones de los datos debido al ruido, la mayor parte de los datos podrían ser transmitidos. Ver Anexo 9.

El equipamiento de la tecnología PLC esta integrado por cuatro componentes (Ver Anexo 2): Backbone, Modem Cabecera, Repetidor, Modem PLC y la infraestructura de la Red Eléctrica. Esta última es conocida y explícita para todos.

Backbone es la infraestructura de una red de alta velocidad basada en tecnología 100% ATM (Modo de transferencia Asincrónico). Este es una plataforma que permite brindar todo tipo de servicios, como transmisión de datos, voz, interconexión de redes de alta velocidad y aplicaciones multimedia que exijan calidad de servicio. De modo más simple de explicar, el Backbone será el proveedor de acceso a Internet, telefonía y otros servicios, quien pondrá a disposición de la tecnología PLC, un enlace dedicado a alta velocidad, para que sea distribuido a través de la red de baja tensión a los usuarios que utilicen este servicio.

Si el Backbone fuera con tecnología PLC, se calcula que el ahorro sería del 90% de la inversión comparado con la tecnología de fibra óptica.

El Modem Cabecera (Ver Anexo 4) es el encargado de tomar la señal proveniente del Backbone y la inyecta mediante acopladores a la línea eléctrica de media tensión en la Subestación. Junto a él se encuentra un adaptador que permite la conversión de la señal de redes basada en hilos de fibra óptica en hilos de cobre y viceversa.

Una vez que la señal es convertida entra al Modem Cabecera (llamado también Head End (HE)) a través de una puerta Ethernet. La señal es procesada por el HE es inyectada a la red de media tensión a través de acopladores. El modem cabecera es un Gateway a alta velocidad que opera entre la red de PLC y la red de fibra óptica.
La cantidad de usuarios que soporta el modem cabecera depende del fabricante y oscila entre los 250 y los 300 usuarios a una distancia entre 300 y 2000 metros dependiendo de la generación de los equipos de PLC.

Generalmente se utiliza la arquitectura maestro-esclavo, con la utilización de protocolos de comunicación. Estos protocolos permiten el uso, por dispositivos digitales, del ancho de banda para la comunicación en la línea eléctrica. Cada uno de ellos difiere en la técnica de modulación, el mecanismo de acceso al canal y la banda de frecuencia que usan. Entre ellos están el X-10, LonWorks (Local Operation Networks), Consumer Electronic Bus (CEBus), Passport and Plug-in PLX, PowerPacket, Technology HomePlug. (Ver Anexo 10)

Por ejemplo el protocolo X-10 fue el primer módulo que podía controlar cualquier dispositivo a través de la línea de corriente doméstica. Las señales de control se basan en la transmisión de ráfagas de pulsos de RF (120 Khz.) que representan información digital. Estos pulsos se sincronizan en el cruce por cero de la señal de red (50 o 60 Hz). Con la presencia de un pulso en un semiciclo y la ausencia del mismo en el semiciclo siguiente se representa un ‘1’ lógico y a la inversa se representa un ‘0’. A su vez, cada comando se transmite 2 veces, con lo cual toda la información transmitida tiene cuádruple redundancia. De esta manera la comunicación es eficaz inclusive en líneas de tensión que tengan ruido. Con un protocolo sencillo de direccionamiento se podía identificar cualquier elemento de la red, en total 256 direcciones. El protocolo contemplaba 16 grupos de direcciones llamados "housecodes" y 16 direcciones individuales llamadas "unit codes".

A este protocolo se le añadieron "tiras" de comandos llamados "control strings" que no son más que ceros y unos agrupados formando comandos; en total eran 6: encendido, apagado, reducir, aumentar, todo encendido y todo apagado.

El HE (modem cabecera) es el maestro y el CPE (modem PLC) es un equipo esclavo. La transmisión de datos del HE al CPE es llamada downstream mientras que la comunicación del CPE al HE es llamada upstream. La arquitectura Maestro-Esclavo proporciona un sistema de alta seguridad y eficacia de datos.

Este sistema también permite que la calidad del servicio sea controlado, asegurando el ancho de banda y el estado latente de los servicios críticos, tales como transferencias de datos garantizadas y telefonía IP.

El sistema DS2 que proviene de La Empresa DS2 quienes se dedican a la fabricación de todos estos elementos, asegura en forma implícita la autenticación del usuario y permite que solamente los usuarios autorizados utilicen la red. A través del software administrador es posible, restringir, fijar, ampliar, modificar el ancho de banda que se ofrece y de forma remota.


El repetidor también llamado R-nodo (Ver Anexo 5) es un dispositivo que regenera la señal PLC en aquellos lugares donde ella se haya deteriorado por la distancia. Su utilización permite el mejoramiento de la señal, la expansión de la cobertura de la red PLC o mejorar el ancho de banda establecido.

Otro dispositivo asociado al repetidor es el Bypass o también llamado X-nodo (Ver Anexo 6), este permite desviar las altas frecuencias de la señal PLC antes del transformador de alta-baja tensión y luego la inyecta en la red de baja tensión mediante acopladores de inductancia, este es necesario ya que el transformador solo permite el paso de la frecuencia de 60Hz y entonces se perdería la señal PLC.

Existen tarjetas que se integran al X-nodo que hacen la función de repetidores y así no habría que colocar un equipo repetidor en el mismo punto de la línea para el caso en que sea necesario.

Una vez que la señal ha entrado en el hogar. En el domicilio del usuario se conecta a cualquier enchufe de corriente un CPE (Modem PLC similar a los de ADSL o RDSI) (Ver Anexo 7) donde se podrán instalar sus equipos de transmisión de voz y datos como computadoras, teléfonos, impresoras y potencialmente otros dispositivos preparados para ello (refrigeradores, alarmas, aires acondicionados, etc.)(Ver Anexo 3). Este modem PLC provee conexiones Ethernet (RJ45), USB y una conexión análoga para teléfono (RJ11).

Los equipos PLC se comunican a través de interfaces USB y Ethernet con los usuarios, entregando una fácil y simple conexión entre el usuario final y los equipos de la central Backbone.
La velocidad en estos tramos es de 45 Mbps actualmente, pero con claro camino de evolución a mayores velocidades. Estos 45 Mbps son realmente 27 Mbps en sentido descendente (bajada) y 18 en sentido ascendente (subida), con la que la comunicación es asimétrica y se comparten entre todos los usuarios que colgarán de dicho Modem, con un máximo de 256 usuarios.
Muchas personas se asustan un poco cuando comprenden que los 45 Mbps se quedan en 27 Mbps de subida y 18 Mbps de bajada a compartir entre todos los usuarios. Esto no supone ninguna novedad y ya que ocurre también en el caso del ADSL.
Es decir si 100 usuarios de un mismo equipo “Modem HE” están conectados, la velocidad máxima teórica de bajada es de 270 Kbps, pero si lo están tan sólo 10 usuarios la velocidad máxima teórica de bajada es de 2,7 Mbps. Desde ese punto de vista, PLC escala de una manera no igualada con otras tecnologías como el ADSL.
La tecnología PLC comparte el medio, muchos usuarios están accesando la red al mismo tiempo, por ello existe la necesidad de proteger la privacidad del tráfico individual.
Los equipos actuales son capaces de soportar entornos donde se implementas VLANs basadas en el estándar 802.1q.

El sistema PLC puede ser accesado desde cualquier toma de corriente, es por eso que los sistemas protegen los datos de los usuarios a través de mecanismos de encriptación. Todos los sistemas PLC pueden ser manejados vía DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) y SNMP (Simply Network Management Protocol). Esto permite la integración estándar para la administración de sistemas de redes, otorgando un efectivo y seguro sistema de herramientas, para monitorear el tráfico y localizar de forma rápida los errores que se produzcan.

Arquitectura del PLC
Arquitectura de red de Fibra y línea de bajo-voltaje (LV) hasta la casa
Arquitectura línea de Medio-Voltaje (MV) y LV hasta la casa
Arquitectura de red MV y inalámbrica hasta la casa
Fibra a la Casa (FTTH)

Ruidos que afectan el PLC
El canal de PLC presenta un ambiente de ruido Gaussiano Blanco No Aditivo (NAWGN) el cual puede resumirse en 5 tipos de ruidos. (Ver Anexo 8)

1. Ruido del fondo coloreado
2. Ruido de la banda estrecha
3. Ruido impulsivo periódico, asincrónico a la frecuencia de las redes eléctricas.
4. Ruido impulsivo periódico, sincrónico a la frecuencia de las redes eléctricas.
5. Ruido impulsivo asincrónico

Ventajas
· Utiliza infraestructura ya desplegada (los cables eléctricos) y ubicada en todo el territorio por lo que no se necesitan obras ni nuevos cableados.
· Cualquier lugar de la casa con un enchufe es suficiente para estar conectado.
· La tecnología PLC permite la transmisión simultánea de voz y datos (se puede navegar por Internet y hablar por teléfono al mismo tiempo).
· Costo competitivo en relación con tecnologías alternativas.
· Alta velocidad de acceso (banda ancha).
· Es una tecnología con solución libre de riesgos, y con rápido retorno de la inversión inicial.

Desventajas

· El cable eléctrico es una línea metálica recubierta de un aislante. Esto genera a su alrededor unas ondas electromagnéticas que pueden interferir en las frecuencias de otras ondas de radio.
· Así, existe un problema de radiación, bien por ruido hacia otras señales en la misma banda de frecuencias, como la radiodifusión, por lo que será necesario aplicar algoritmos de cifrado o filtrado.
· No obstante, la radiación que produce es mínima, la potencia de emisión es de 1mW, muy por debajo de los 2W de telefonía móvil.

PLC en el Mundo
En general la tecnología PLC ya es una realidad en algunos lugares del mundo. Existen hoy más de 173.000 usuarios, en específico para España donde radica ENDESA que es la empresa que más ha desplegado la tecnología.

No obstante existen y se desarrollan cada día más diferentes empresas que unifican el servicio de electricidad con el de comunicaciones para permitir la implementación de la tecnología PLC.

Existen compañías que se dedican a la fabricación de los chips para el equipamiento de PLC, como es el caso de DS2; estas venden su tecnología a las Empresas Eléctricas y ellas son las encargadas de comercializar este servicio.

Las principales compañías desarrolladoras de la tecnología PLC son:
· Main-net (Israel)
· DS2 (España)
· Current Technologies (Estados Unidos)
· Ambient (Estados Unidos)
· Amperion (Estados Unidos)

Entre los países que están a la avanzada en esto está España, con inversiones pilotos en Chile, está también Francia, con proyectos en Argentina para la conectividad de escuelas, Italia, Brasil, Costa Rica y Estados Unidos.
(Ver Anexo 12 y 13)

PLCA (Asociación de Comunicación por la línea eléctrica) creada en EE.UU., la integran miembros de Main.net, EBA PLC, ICG, etc. Esta asociación se reúne anualmente para analizar el estado de la tecnología PLC y el impacto en el mundo.

Además se creó el PLC-Forum compuesto por 90 miembros de 17 países en tres continentes, entre ellos están miembros de Main.net, la FCC, Endesa, DS2, Ascom, Enel, PLCA, Iberdrola, etc. Con realización de eventos como el CeBit 2004 donde se introdujeron nuevas tecnologías para el mejoramiento del servicio PLC y la 17 Asamblea General del PLC Forum donde se sumaron cinco nuevos miembros para el mejoramiento y del servicio PLC y sesionó en Mayo del 2004 la Primera Conferencia Anual de PLC-Forum en Bruselas.

En el articulo 15 que fue dictaminado por la FCC contiene una sección dedicada al tema de las interferencias en el que la ARRL (Asociación para los Radio Aficionados) declara que las interferencias ocasionadas por el servicio PLC se basa generalmente en que los radioaficionados usan los receptores muy sensibles y la ganancia de las antenas al aire libre es muy alta y que podrían localizarse en la proximidad cercana de la red eléctrica.

A su vez la Concesión de las Licencias C1 le ha marcado a las Empresas Eléctricas el inicio de la comercialización de este servicio.

PLC en Cuba
Quizás algunos países del mundo traten el tema como un desarrollo insostenible por las interferencias producidas, que a su vez le sería conveniente verlo así, por el hecho de la competencia en el mercado con el resto de las tecnologías de comunicación y solo vean y agraven sus desventajas; pero habría que analizar realmente cuales son las ventajas que proporciona esta tecnología dentro del marco de nacional.

Es importante tener en cuenta que existe una cobertura de más del 96% de la red eléctrica y que existen zonas rurales donde solo llega esta; que a su vez es muy costosa la comunicación por cualquier otra variante, por tanto esta tecnología permitiría la comunicación a bajo costo con rápida recuperación de la inversión inicial.

Se creo en el año 2005 la Comisión Nacional PLC dirigida por la DRN del MIC integrada por Infosoc, ETECSA, Copextel, Unión Eléctrica, Cubatel, Agencia de supervisión y control del MIC, entre otros.

Actualmente en Cuba se estudia esta nueva tecnología, donde se analiza con detalle sus características técnicas y posibilidades en el ámbito nacional.

La dirección de Regulaciones y Normas de MIC ya tiene una proyecto de los que seria la Norma de PLC en Cuba.

En este momento ETECSA realiza pruebas pilotos, una en la escuela secundaria Rubén Martínez Villena con un red de 16 puestos con un enlace ADSL de 64 Kbits y una en un apartotel Monte Habana en 70 y 5 con un enlace ADSL de 256 Kbits con la red publica. Estas redes llevan 2 meses en explotación y la prueba es por un periodo de 3 meses. El resultado debe arrojar como va a ser el modelo de negocio de este tipo de redes.

Copextel se encuentra realizando una estudio de factibilidad en tecnologías para redes locales en laboratorios de secundarias de el municipio Centro Habana y una de las tecnologías que esta utilizando es PLC.

Tendencias de PLC
– Velocidades superiores a 100 Mbps...Alcanzadas gracias a modulaciones OFDM.
-- Densidad y alta eficiencia
– Incremento velocidad de transmisión
– Incremento de prestaciones (distancia cubierta, robustez)
– Integración de funciones en un solo chip
– Integración con IPv6
– Nuevas aplicaciones (Video en Demanda)

CONCLUSIONES
Irónicamente, desde el punto de vista técnico sería difícil imaginar una infraestructura peor que las líneas eléctricas para transmitir datos, dada la incompatibilidad esencial entre el ruido eléctrico pulsante y los datos. Sin embargo, el contexto competitivo en el que las compañías eléctricas han estado funcionando últimamente en el mundo, las ha animado a explorar este camino, ilustrando el modo en que la competencia puede ser un impulsor de la innovación.

Si las mínimas limitaciones técnicas se superan lo suficientemente pronto, la tecnología PLC podría influir en la forma futura del mercado, en especial debido a que la conexión permanente a 1Mb/s se adapta bien al crecimiento mundial de las aplicaciones en Internet que necesitan anchura de banda. Las compañías eléctricas, ayudadas por una fuerte presencia en el mercado por su red omnipresente, pueden acelerar fuertemente el ritmo con que los distribuidores alternativos de bucle local ocupan cuotas de mercado que ahora dominan los operadores oficiales de telecomunicaciones.

La tecnología PLC podría por tanto, considerarse como un impulsor de la competencia en un sector en el que hasta ahora la competencia de los distribuidores locales ha sido difícil. La apertura de esta área a la competencia beneficiará claramente al consumidor puesto que los resultados probables incluyen la reducción de la factura del teléfono (y de los datos), la presión para que se consiga una facturación con tarifas planas y, finalmente, será otro catalizador de la sociedad de la información.

BIBLIOGRAFÍA
[1] http://www.ebaplc.com
[2] http://www.main.net-plc.com
[3] http://www.pwerline-plc.com
[4] http://www.edenor.com.ar
[5] http://www.plca.net
[6] http://www.plcforum.com
[7] http://www.plcendesa.com
[8] http://www.desetech.com.ar
[9] Arthur D Little, White Paper on Power Line Communications and its
Impact on the Development of Broadband in Europe, November 2002.

AUTORES
Ing. Arian Zulueta Casal
Universidad de las Ciencias Informáticas (UCI). caro@uci.cu

Ing. Aleida Eva Sáez Aldana
Universidad de las Ciencias Informáticas (UCI) aleidaeva@uci.cu

Ing. Isuel Méndez Roldán
Universidad de las Ciencias Informáticas (UCI). isuelm@uci.cu



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