Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica. Internet por PLC

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico Internet por PLC Por: David Ramírez Rodríguez Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Julio del 2006

2 Internet por PLC Por: David Ramírez Rodríguez Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Ing. Víctor Hugo Chacón Prendas Profesor Guía Ing. José Mario Jara Profesor lector Ing. Max Ruiz Arrieta Profesor lector ii

3 DEDICATORIA A Dios primero que nada, por tantas bendiciones y por permitirme lograr dar un paso más para alcanzar las metas que me he trazado. A mis padres, por darme tanto amor y apoyo incondicional en todo momento. Además por el ejemplo que me dieron de que todo es posible con trabajo duro y mucha humildad. A mi hermano, por estar siempre pendiente de mí. A Ek, porque cambió mi vida y le dio un norte. iii

4 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS...vi ÍNDICE DE TABLAS...vii NOMENCLATURA... viii RESUMEN...x CAPÍTULO 1: Introducción Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología...4 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico Topología Red de acceso Red de distribución Equipo Módem PLC Repetidor Equipo de cabecera o TE Equipo de acople Ventajas de las redes PLC Desventajas de las redes PLC Capacidad del canal PLC OFDM Beneficios de OFDM Eficiencia espectral PLC y el modelo OSI...21 CAPÍTULO 3: Limitaciones técnicas Capacidad Distancia Interferencia...27 CAPÍTULO 4: Tecnologías para redes PLC Red de Operación Local Bus Electrónico del Consumidor...28 iv

5 4.3 Pasaporte X Paquete de potencia...31 CAPÍTULO 5: PLC y otros sistemas de última milla...32 CAPÍTULO 6: Implementación de PLC en la ciudad de Cartago Red de prueba Resultados de campo Enlaces Valoración de clientes Pruebas de conectividad IP Conclusiones técnicas del plan piloto...47 CAPÍTULO 7: Conclusiones y recomendaciones...49 BIBLIOGRAFÍA...51 APÉNDICE A Estimación de la Capacidad del canal PLC...53 APÉNDICE B Compatibilidad Electromagnética (EMC)...54 ANEXO 1: Resultados de las pruebas de conectividad del plan piloto en al ciudad de Cartago [17]...55 ANEXO 2: Proceso de estandarización de la tecnología PLC...60 v

6 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Topología típica de una red PLC [13]...7 Figura 2.2 Puntos de inyección PLC [16]...9 Figura 2.3 Acoplador eléctrico [15]...11 Figura 2.4 Módem PLC comercial [15]...11 Figura 2.5 Repetidor comercial [15]...12 Figura 2.6 Ejemplos de TE e instalaciones en subestaciones [13]...13 Figura 2.7 Ejemplos de varios tipos de acoples [13]...14 Figura 2.8 Eficiencia espectral [16]...18 Figura 5.1 Vista de las capas de un cable coaxial [2]...33 Figura 6.1 Acople de la señal PLC [17]...37 Figura 6.2 Red implementada en la ciudad de Cartago [17]...38 Figura 6.3 Identificación geográfica de los enlaces implementados [17]...40 Figura 6.4 Direccionamiento IP de los nodos PLC [17]...44 vi

7 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Estimación de la capacidad de canal PLC en la "última milla"...16 Tabla 2.7 Modelo de referencia OSI...21 Tabla 5.1 Comparación de PLC con otros sistemas de acceso a Internet...35 Tabla 6.1 Descripción de nodos de la red de pruebas de PLC [17]...39 Tabla 6.2 Descripción los enlaces implementados [17]...41 Tabla A.1 Prueba de ping a distintas direcciones Tabla A.2 Transferencia de archivos entre nodos de red PLC Tabla A.3 Transferencia de archivos con sitios fuera de la red de pruebas de PLC...56 Tabla A.4 Descarga de archivos de un sitio externo a la red de pruebas de PLC...56 Tabla A.5. Velocidad de conexión con RACSA ( a las 4:55 PM)...57 Tabla A.6. Velocidad de conexión con RACSA ( a las 8:00 AM)...57 Tabla A.7 Velocidad de conexión con RACSA ( a las 8:00 AM)...58 Tabla A.8 Pruebas con Iperf (Servidor: Cliente: TCP Tamaño de ventana: 512 KB)...58 Tabla A.9. Pruebas con Iperf (Servidor Cliente , TCP tamaño de ventana: 512 KB)...59 Tabla A.11 Características del proceso de estandarización...62 vii

8 NOMENCLATURA PLC VPN RDSI ADSL Backbone CPE LAN HV MV LV TE EMC OFDM FDM WAN QoS OSI ISO SNR (Power Line Communications) Comunicación por líneas de potencia Redes virtuales privadas Red Digital de Servicios Integrados Línea Digital Asimétrica de Suscriptor Red de transporte de telecomunicaciones Equipo de premisa del consumidor Red de área local Alta tensión Media Tensión Baja tensión Equipo de transformador o equipo de cabecera Compatibilidad electromagnética Multiplexión por División de Frecuencias Ortogonales Multiplexión por División de Frecuencias Red de área amplia Calidad de servicio Interconexión de servicios abiertos Organización internacional para la estandarización Relación del señal a ruido FSK Frecuency-shift keying viii

9 CSMA DSMA CTP FEC CSMA/CA WiMAX QAM QPSK NLOS FDD TDD MODEM ICMP CoS UTP STP Acceso múltiple con detección de portadora Acceso múltiple con detección de datagramas token passing centralizado Clase de equivalencia de reenvío Acceso múltiple con detección de portadora y anulación de colisiones Interoperabilidad Mundial para el Acceso Inalámbrico Modulación de Amplitud en Cuadratura Codificación por Desplazamiento en Cuadratura Sin línea de vista Duplexación por división de frecuencia Duplexación por división de tiempo Modulador-demodulador Protocolo de control de mensajes de Internet (Service Classifier) Clasificador de servicios Par trenzado sin blindaje Par trenzado blindado ix

10 RESUMEN Este trabajo se realizó con el objeto de conocer la tecnología de acceso a Internet conocida como PLC ( Power Line Communications ), como una nueva alternativa que promete, al menos teóricamente, llegar a todos los rincones donde llegue la red eléctrica. Durante el desarrollo de la investigación se utilizó principalmente como fuente de información páginas de Internet, lo que hizo evidente uno de los principales problemas que PLC debe enfrentar hoy en día como lo es la falta de un estándar de la industria. Muchas empresas hacen alianzas con otras empresas para investigar y desarrollar un estándar. El problema es que hay varios grupos y por lo tanto varios estándares. Teóricamente PLC cuenta con excelentes cartas de presentación en cuanto a cobertura, rendimiento y costo, sin embargo numerosas pruebas alrededor del mundo han demostrado que aún hay muchas dificultades técnicas que superar antes de que su despliegue sea masivo. La mayoría de las dificultades observadas durante el plan piloto implementado en Cartago se debieron a las condiciones de la red eléctrica. También se hace un recuento de algunas de las principales tecnologías utilizadas para implementar redes PLC y se realizó una pequeña comparación de PLC con otras tecnologías de acceso a Internet. x

11 CAPÍTULO 1: Introducción El gran crecimiento de las redes de transmisión ha incrementado la necesidad de intercomunicar las estaciones de generación, subestaciones y centros de control. Como un método alternativo al uso de líneas telefónicas, algunas empresas de electricidad comenzaron a investigar e implementar una nueva forma de transmitir datos en la cual se modula la señal en una frecuencia portadora y se transmite por las líneas de potencia, por lo tanto no se requiere tener cables separados para la comunicación. En realidad esta tecnología ha estado en operación desde hace muchos años, pero funcionando como un sistema de un ancho de banda estrecho llevando pequeñas cantidades de datos. La primera patente para este sistema se registró en los Estados Unidos en 1894, sin embargo no fue muy popular ya que en ese tiempo las telecomunicaciones consistían en simples señales telegráficas. De todos modos el concepto era válido, las líneas eléctricas estaban hechas del mismo cobre y estaban unidos a los mismos polos que las líneas que transportaban la señal de telegráfica. En 1997, las compañías United Utilities, de Canadá, y Northern Telecom., de Inglaterra, presentaron al mercado una tecnología que podía conseguir que Internet fuera accesible desde la red eléctrica: el PLC ( Power Line Communications ). Desde entonces, las compañías eléctricas empezaron a pensar que podían sacar un mayor rendimiento a sus redes y han sido numerosas las iniciativas en el sector para llevar a cabo un despliegue masivo de este servicio de comunicaciones. Luego fueron los alemanes los que se unieron a la carrera por desarrollar esta tecnología. A finales de 1999 y principios de 2000 España 1

12 2 ingresó también en esta disputa a través de Endesa. En la actualidad, en algunos países como Austria o Suiza se ofrecen servicios básicos a un número relativamente bajo de usuarios. Alemania fue el primer país en ofrecer PLC comercial. La empresa pionera RWE ofrecía servicios por unos 35 euros al mes, alcanzando en el 2001 los abonados. Esto explica que los principales suministradores europeos de estos equipos fueran Siemens y Ascom (Suiza). La implementación de la tecnología PLC ofrece un gran ancho de banda, lo que permite tener acceso a lo último en servicios para el hogar y la oficina: -Internet avanzado -Mensajería unificada -Televisión, música y radio -TV digital -Juegos en red -Domótica -Telefonía -Redes virtuales privadas o VPN -Videoconferencia

13 3 1.1 Objetivos Objetivo general Investigar sobre el diseño de la tecnología PLC ( Power Line Communications ) aplicada al servicio de Internet Objetivos específicos Conocer el funcionamiento básico de una red PLC y su diseño. Estudiar sus principales características (velocidades de transmisión, anchos de banda, equipos de conexión, interfases, etc.). Hacer una pequeña comparación con otras tecnologías para el servicio de Internet. Investigar sobre la implementación de este sistema en Cartago y sus resultados hasta el momento.

14 4 1.2 Metodología Debido a que la aplicación de la tecnología PLC como solución de última milla para Internet se ha desarrollado en años recientes, la investigación se basará principalmente en material bibliográfico consultado en Internet. El contenido de este material será corroborado hasta donde sea posible con la información de páginas oficiales como la de IEEE, HomePlug Alliance, Intellogis, etc. La investigación no podrá contar con mucha información de libros o revistas, ya que luego de hacer una búsqueda en las bibliotecas de la Universidad de Costa Rica, se determinó no hay material que trate de forma intensiva el tema y por lo tanto no satisface los requerimientos de la investigación. Por lo tanto solamente algunos libros y algunos proyectos y tesis de graduación que tratan otras tecnologías serán utilizados como fuentes de información, con el fin de realizar una comparación entre PLC y otras tecnologías. La metodología también incluye entrevista(s) con personal de Radiográfica Costarricense y otras entidades, que esté relacionado y tenga amplio conocimiento sobre la implementación de esta tecnología en Cartago.

15 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico En los últimos años las empresas que proveen Internet se han dado cuenta que los clientes están hambrientos por un servicio más rápido que el que puede ofrecer las líneas telefónicas y los actuales módems de 56 kbps. Adicionalmente muchas empresas buscan ofrecer nuevos servicios además de Internet como telefonía local y a larga distancia, televisión por cable, entre otros. Una posible solución es una red con gran ancho de banda que tenga enlaces con cada cliente. Las compañías telefónicas han ofrecido líneas de banda ancha desde hace años, sin embargo el costo de estas líneas y el equipo necesario para el acceso ha limitado su utilidad. La última excepción ha sido ISDN o RDSI (Red Digital de Servicios Integrados) que ha ganado muchos clientes residenciales. RDSI ofrece mayores velocidades (128 Kbps) a precios relativamente cómodos. Algunas empresas han comenzado a cambiar las líneas telefónicas que conectan residencias y negocios a la línea telefónica estándar por líneas con anchos de bandas mayores. Sin embargo este es un proceso lento y costoso. Las compañías de televisión por cable también se han lanzado en el mercado del acceso a Internet. Las líneas que transmiten televisión por cable son mucho más rápidas que las líneas telefónicas estándar e incluso RDSI. El principal problema de estas líneas es su carácter unidireccional, ya que están diseñadas para enviarle información al cliente, no para obtener datos de este. Este problema ha elevado los costos del desarrollo del acceso a Internet por este medio. 5

16 6 Se han propuesto varias soluciones inalámbricas, pero ni el rendimiento ni la confiabilidad han llegado al nivel de las soluciones no inalámbricas mencionadas hasta ahora. Desde este punto de vista, ningún servicio de acceso Internet ofrece actualmente un balance adecuado entre costo, conveniencia y velocidad. La tecnología PLC aparece entonces como una propuesta válida para resolver esta situación. Ofrece altas velocidades de acceso de Internet (hasta 14 Mbps), los costos de instalación son reducidos, pues se utiliza la red eléctrica ya instalada. Además ofrece la conveniencia de que la red eléctrica está dispersa por toda la edificación, ya sea una casa, una oficina o un edificio. El concepto técnico es sencillo, desde la estación de transformación hasta el usuario final se utiliza la red eléctrica y a partir de la estación de transformación se conecta con la red de telecomunicaciones convencional. Esto supone que se podrá tener acceso a Internet en cualquier punto de la geografía donde llegue la red eléctrica no siendo necesario acceso a la red telefónica, lo que posibilita el acceso a Internet en puntos donde la red telefónica no llega y por lo tanto no te permite tener acceso al ADSL. La señal utilizada para transmitir datos a través de la red eléctrica suele ser de 1,6 a 30 Mhz, la cual difiere mucho de la frecuencia de la red eléctrica convencional (50 Hz - 60 Hz, según el país) esto supone que la posibilidad de interferencias entre ambas señales es prácticamente nula.

17 7 2.1 Topología En la figura 2.1 se muestra una topología general de una red PLC. Figura 2.1 Topología típica de una red PLC [13] Red de acceso Una red PLC consta de dos sistemas: El primer sistema denominado Outdoor cubre el tramo que comprende la red eléctrica que va desde el lado de baja tensión del transformador de distribución hasta el medidor de la energía eléctrica. Este primer sistema es administrado por un equipo de transformador (TE, Transformer Equipment ) o de cabecera (primer elemento de la red PLC) que conecta a esta red con la de transporte de telecomunicaciones o backbone. De esta manera este equipo cabecera inyecta a la red eléctrica la señal de datos que proviene de la red de transporte. El segundo sistema se

18 8 denomina Indoor, y cubre el tramo que va desde el medidor del usuario hasta todos los toma corrientes. Para ello se utiliza como medio de transmisión el cableado eléctrico interno. Un módem PLC o CPE (Customer Premise Equipment) puede estar conectado a un red de área local (LAN) existente, permitiendo que los usuarios de la red se puedan conectar y compartir la conexión de alta velocidad. Para unir estos dos sistemas, se utiliza un equipo repetidor, segundo elemento de la red PLC. Normalmente se instala en el entorno del medidor de energía eléctrica y esta compuesto de un módem terminal y equipo cabecera. El primer componente de este repetidor recoge la señal proveniente del equipo cabecera del sistema Outdoor y el segundo componente se comunica con la parte terminal del repetidor e inyecta la señal en el tramo Indoor. El tercer y último elemento de la red PLC lo constituye el módem terminal o módem cliente, que recoge la señal directamente de la red eléctrica a través del enchufe. De esta manera tanto la energía eléctrica como las señales de datos que permiten la transmisión de información, comparten el mismo medio de transmisión, es decir el conductor eléctrico. Este módem es el único dispositivo del que se tendrá que preocupar el usuario. La figura 2.2 muestra un esquema de distribución típico. En la parte de alto voltaje (HV) es común que solo una de las líneas del sistema trifásico se utilice para señal es PLC. Sin embargo en la parte de bajo voltaje (LV) es necesario que la señal esté en las tres líneas para que llegue a todos los usuarios, ya que estos pueden estar conectados a cualquiera de las tres fases para balancear el sistema.

19 9 Figura 2.2 Puntos de inyección PLC [16] En el diagrama se marca posibles puntos de conexión al backbone de una red de comunicaciones. Estos puntos de inyección se dan normalmente al inicio las redes HV o LV. Sin embargo las señales PLC se pueden inyectar en cualquier punto dependiendo de la disponibilidad de redes backbone, requerimientos de capacidad, ente otros. Los sistemas PLC operan generalmente en la red LV, en este contexto PLC se describe comúnmente como una solución de última milla, la cual se debe conectar entonces con otras redes de comunicación mediante fibra óptica, una conexión inalámbrica, un enlace satelital o algún otro sistema con el fin de establecer una red end-to-end.

20 Red de distribución La red de distribución interconecta los transformadores de PLC (equipos de cabecera) que se encuentran en las subestaciones. Esta interconexión se puede realizar de varias formas, las cuales pueden ser combinadas: - La red de media tensión puede conectar diferentes subestaciones de media tensión a baja tensión (MV/LV) utilizando equipo PLC para media tensión. De este modo estaría funcionando como una red de distribución. - También se puede utilizar fibra óptica para conectar las subestaciones MV/LV. - Otras tecnologías como xdsl o LMDS se pueden utilizar para una solución combinada. 2.2 Equipo Módem PLC También conocido como CPE ( Customer Premise Equipment ), se localiza en la casa del cliente. Internamente el módem PLC implementa un acoplador eléctrico capaz de separar la señal de datos de la señal de alimentación y la de telecomunicaciones e inyectar la señal de alta frecuencia en la red eléctrica. El acoplador es un dispositivo pasivo, que consta básicamente de un filtro paso bajo y otro paso alto.

21 11 Figura 2.3 Acoplador eléctrico [15] Figura 2.4 Módem PLC comercial [15] Repetidor Recobra y reinyecta la señal PLC proveniente de la red Outdoor en la red Indoor. Normalmente se instala en los cuartos de medidores de cada edificio o en algún lugar intermedio entre la subestación y la casa del cliente. En ocasiones se utiliza solamente como un nodo intermedio para expandir la cobertura o mejorar el ancho de banda en tramos

22 difíciles. Dependiendo de la topología de la red, puede que no sea necesario un repetidor ya que el equipo de cabecera establece una conexión de buena calidad con el módem. 12 Figura 2.5 Repetidor comercial [15] Equipo de cabecera o TE Es el equipo que se instala en la subestación de transformadores. Inyecta la señal proveniente de la red de distribución PLC (cables de media tensión, fibra óptica, etc.) en la red de acceso (cables de baja tensión). En la dirección de bajada, es decir hacia el cliente, se transmiten los datos de los TE a los repetidores o CPEs en una configuración duplex total de punto a multipunto. Los TEs modernos tienen una configuración modular con varias tarjetas, lo que permite flexibilidad: - Tarjetas LV (baja tensión): Inyectan la señal PLC (proveniente de la red de distribución PLC) en los cables de la red de baja tensión. - Tarjetas MV (media tensión): Permiten la interconexión de subestaciones a través de la red MV.

23 13 - Tarjetas Fast Ethernet o Gigabit Ethernet : Permiten la interconexión de subestaciones a través de interfaces RJ-45 y GbE convencionales. Esto permite el uso de otras tecnologías en la red de distribución PLC como fibra óptica. Figura 2.6 Ejemplos de TE e instalaciones en subestaciones [13] Equipo de acople Son los accesorios necesarios para inyectar y adaptar la señal de telecomunicación del equipo PLC a las líneas eléctricas. Hay dos tipos de unidades de acople: - Acople Capacitivo: Un capacitor realiza el acople y la señal se modula en la forma de onda del voltaje de la red. - Acople Inductivo: Se utiliza un inductor para acoplar la señal. Este tipo de acople presenta ligeras pérdidas, sin embargo, no necesita conexión física con la red, lo que lo hace más seguro de instalar que el acople capacitivo.

24 14 Figura 2.7 Ejemplos de varios tipos de acoples [13] Ventajas de las redes PLC Ubicación de salidas eléctricas: Una de las mayores ventajas de utilizar como medio de transmisión las líneas eléctricas, es el número de salidas disponibles. Normalmente en cualquier edificio hay varias salidas de tomacorriente en cualquier habitación. Además el concepto de no cableado nuevo o no new wiring elimina la necesidad de obras de cableado adicional o cablear nuevamente. Capacidad de transmisión de datos: Se toma ventaja de la capacidad no utilizada de los cables eléctricos instalados para transmitir datos. Distribución de multimedia: Es capaz de distribuir video, audio y otros servicios en tiempo real junto a los datos, por toda la casa. Velocidad: Se pueden distribuir datos a velocidades de 14 Mbps. En un futuro se logrará tener velocidades de hasta 100 Mbps.

25 Desventajas de las redes PLC Ruido: Entre más ruido haya en las líneas más se limitará las velocidades de transmisión. Fuentes de ruido: Entre las principales fuentes de ruido se encuentran algunos aparatos domésticos de uso común como dimmers, aspiradoras, licuadoras, taladros, monitores de computadoras y televisores que causan ruido de alta frecuencia. Bajos niveles de seguridad: No siempre se garantiza la privacidad, por lo que los datos deben ser encriptados. Atenuación de los datos: Largas distancias pueden causar atenuación de la señal de datos, mientras esta se desplaza por el medio. Costo de los dispositivos de red: Hoy en día los dispositivos de red para powerline networking son más costosos que los de redes telefónicas. Falta de estandarización: Hoy en día muchas empresas trabajan en desarrollar esta tecnología, cada una con sus propios estándares incompatibles con los de otras.

26 Capacidad del canal PLC Estimaciones de la capacidad para muchos canales han sido estudiadas a través de las ecuaciones (A.1-1) y (A.2-2), indicando que el ancho de banda disponible representa la fuente más importante para una tasa de transmisión de datos alta. El ancho de banda en la práctica se encuentra más o menos fragmentado, por lo que se necesita esquemas de modulación para aprovechar el espectro tanto como sea posible. Además de la reducción del ancho de banda por regulación, este también es restringido por la atenuación. Además la capacidad del canal generalmente decrece con la distancia debido a la característica paso bajo de las líneas de potencia. Los esquemas de modulación difieren mucho en su habilidad de explotar la capacidad del canal. Para un canal excelente con capacidades teóricas en el rango de los 250 Mbps, se puede alcanzar tasas de datos reales de 100 Mbps. Aún para canales clasificados como muy malos, con distancias de hasta 300 m, pueden alcanzar tasas reales de 5 Mbps. La tabla 2.1 muestra las capacidades estimadas para el tramo de última milla para un canal PLC. En ella se puede ver que si bien la diferencia entre la capacidad teórica y la realizable es de consideración, aún en el peor caso se logra conseguir una capacidad de canal bastante aceptable de 5Mbps. Tabla 2.1 Estimación de la capacidad de canal PLC en la "última milla". Tasa de datos Mejor caso Peor caso Teórica 250 Mbps 14 Mbps Realizable 100 Mbps 5 Mbps

27 OFDM Las líneas de potencia constituyen un ambiente hostil. Sus características tienden a variar con el tiempo, los cambios de la carga y otros factores. Por esta razón se requiere esquemas sofisticados de modulación al utilizar este medio con fines de comunicación. Se sugiere utilizar un sistema que combine los métodos de modulación con codificación, diversidad de frecuencias y la utilización de sub-canales, de modo que sea flexible para futuras ampliaciones. Las técnicas de modulación basadas en OFDM han sido el enfoque principal para PLC. OFDM es el corazón de las especificaciones de HomePlug Powerline Alliance conocidas como HomePlug 1.0 y HomePlug 1.1. Uno de los problemas para lograr altas velocidades en una red de potencia es el hecho de que la atenuación aumenta con la frecuencia. Sobre los 20 MHz la señal es atenuada a niveles por debajo del ruido a distancias modestas, mientras que el ruido es bastante menor a frecuencias altas, por lo que la banda más adecuada de acuerdo a estudios es la de 2-20 MHz. El esquema OFDM mejorado de Intellon es la base de la tecnología PowerPacket, que a su vez es la base del estándar HomePlug. El OFDM está basado en las técnicas del tipo FDM ( Frequency Division Multiplexing ), o sea multiplexación por división de frecuencia. Esta tecnología permite transmitir las señales de información usando múltiples señales portadoras en un mismo medio de transmisión. Cada señal portadora tiene su propio y único rango de frecuencia donde se transporta una parte de los paquetes de datos.

28 18 El concepto de ortogonalidad permite que el PLC utilice un número alto de portadoras separadas por bandas de guardia muy angostas. La ortogonalidad consiste en utilizar tonos portadores muy cercanos en el dominio de la frecuencia pero separados por 90º. Este desfase se logra mediante la utilización de algoritmos de procesamiento de datos de alta velocidad que permite la identificación de tonos de tipo seno o coseno con un mismo modulador-demodulador integrado. Cuando se utilizan múltiples portadoras con esta técnica, se permite comprimir el espacio espectral que se requiere para una transmisión completa, es una tecnología de "spread spectrum" o espectro extendido, como se muestra en la siguiente figura: (a) FDM con 9 sub-portadoras (b) OFDM con 9 subportadoras Figura 2.8 Eficiencia espectral [16] OFDM en PLC recibe una señal de datos en formato digital que es segmentada en pequeños paquetes, y cada uno de los paquetes es enviado por una de las 1280 portadoras

29 19 que se utilizan para la transmisión, de modo que aunque la transmisión sea lenta en una de las portadoras, las restantes permiten agilizar la transmisión del paquete segmentado que es luego re-ensamblado en el receptor Beneficios de OFDM Los argumentos para elegir esta tecnología se fundamentan en la capacidad para soportar servicios de banda ancha, uso eficaz del espectro, capacidad para soportar gran número de usuarios y estabilidad frente a interferencias. El criterio puede ser referido bajo el nombre genérico de Eficiencia Espectral y OFDM es una técnica de modulación de alta eficiencia. Los principales beneficios del OFDM son la gran eficiencia espectral que se ha alcanzado, las disminuciones en las emisiones de radiofrecuencia y la menor distorsión entre las diferentes portadoras. Además OFDM es adaptativo, es decir, la cantidad de bits que se transmiten en cada tono portador depende de los niveles de ruido que sean medidos antes de realizar el envío del paquete. Los paquetes de bits que se pueden enviar son de 8, 6, 4, 2 o 0 bits, según las condiciones de ruido en cada tono portador. Es decir, en condiciones donde el nivel de ruido es bajo, la señal transmite con mayor eficiencia y se envían paquetes con mayor cantidad de bits (máximo 8 bits por portadora por cada uno de los envíos). Conforme aumenta la distancia de transmisión se atenúan más las señales entonces la calidad del canal

30 20 baja y se empieza a reducir la cantidad de bits que se transmiten en cada uno de los tonos portadores Eficiencia espectral En la primera generación de PLC se ha utilizado la técnica de modulación OFDM con una eficiencia espectral de 7.25 bps/hz. Se transmite utilizando un espectro total de 6.3MHz para comunicaciones ascendentes y descendentes. Si se define el ancho de banda B como 6.3 MHz y la eficiencia espectral como E con un valor de 7.25 bps/hz, entonces, la capacidad total de transmisión del sistema PLC de primera generación (C) esta dada por: bps C = B E = ( 6.3MHz) 7.25 = Mbps (2.4-1) Hz En la segunda generación de PLC se han logrado mayores valores de eficiencia por lo que se alcanzan transmisiones de hasta 200Mbps. Toda esta capacidad del sistema es distribuida entre el número de usuarios que comparten un enlace WAN con PLC. Adicionalmente, la estructura de control de PLC permite firmar contratos de QoS o Calidad del Servicio, dado que se puede administrar el porcentaje de la capacidad total del sistema que será asignado a un cliente que tenga este tipo de contratos.

31 PLC y el modelo OSI Para la descripción de la operación de los sistemas de telecomunicaciones modernas, generalmente se utiliza el modelo de referencia OSI ( Open Systems Interconection ) promovido por la ISO para definir la forma en que se comunican los sistemas abiertos de telecomunicaciones, es decir, los sistemas que se comunican con otros sistemas. El modelo de referencia consiste en 7 capas. Estas capas se visualizan generalmente como bloques apilados, por lo que también se le conoce como el "OSI Protocol Stack". Tabla 2.7 Modelo de referencia OSI Capa Detalles 7. Aplicación Soporta las aplicaciones que utiliza directamente el usuario. 6. Presentación Toma los datos de red, y los presenta a las aplicaciones para dar el formato adecuado para ser usados. 5. Sesión Establece y maneja las conexiones lógicas o sesiones. 4. Transporte Manejo de los mensajes de sesión entre los puntos de la red. 3. Red Manejo de las conexiones lógicas, direccionamiento, enrutamiento y manejo del tráfico. 2. Enlace de datos Manejo y entrega de datos entre 2 nodos de la red. 1. Física Conexiones y medio físico de la red.

32 22 PLC trabaja principalmente en la capas 1 y 2, es decir en la capa física y en la capa de enlace de datos. La Capa física del modelo de referencia OSI es la que se encarga de las conexiones físicas hacia la red de comunicaciones, es decir, el nivel básico que se compone generalmente por el cableado. En nuevas obras de telecomunicaciones, las obras de capa física son fundamentales para iniciar el desarrollo del sistema completo, y generalmente requieren de una cuidadosa planificación y ejecución de una obra civil de cableado. La tecnología PLC cuenta con esta ventaja, ya que al utilizar los cables eléctricos como su capa física se ahorra las obras de instalación de cableado, sin embargo, se tiene la limitante de que este medio no fue concebido para soporte de telecomunicaciones, por lo que se hace necesario el uso de equipos con altas velocidades de trabajo y eficiencia espectral para lograr transmisiones confiables en este medio físico, tal es el caso de los avances en las técnicas de modulación OFDM y del desarrollo de estructuras de acoplamiento para inyectar las señales de datos sobre las señales de servicio eléctrico. PLC se gobierna mayoritariamente por protocolos de capa 2. En esta capa, se realiza la organización de los datos en paquetes lógicos que serán convertidos a señales binarias que son inyectadas al medio físico y viceversa. En esta capa, se establecen comunicaciones identificando cada uno de los nodos de la red con una dirección MAC (Media Access Control) de manera que cada uno de los nodos de la red tendrá un identificador único en el mundo, definido por un código de fabricante y un número de secuencia de fabricación. Al ser 100% compatible con el estándar OSI, PLC puede compartir conexiones con usuarios de Ethernet y otros estándares compatibles.

33 CAPÍTULO 3: Limitaciones técnicas La red eléctrica no está diseñada para su uso en comunicaciones. Es un ambiente hostil que no permite la propagación de las señales de comunicación de manera adecuada. Dos de los problemas más importantes que enfrenta esta tecnología son los niveles excesivos de ruido y la atenuación de la señal a las frecuencias de interés. Para que un sistema PLC funcione adecuadamente, debe ser capaz de evitar o sobreponerse a los diferentes tipos de ruido encontrados en el canal de comunicaciones. Estos diferentes tipos de ruido ocurren a diferentes frecuencias y en cualquier momento. La atenuación en las líneas de potencia muchas veces es alta e impredecible. Además es muy difícil obtener un modelo significativo de este canal debido a su drástica variación con el tiempo, ya que constantemente se conectan y desconectan dispositivos. Esto dificulta el acoplamiento de la señal en la red, por lo que cualquier dispositivo de acople debe ser adaptable para obtener un rendimiento razonable en cualquier situación. Uno de los retos de los sistemas PLC es el método a utilizar para acoplar la señal de comunicaciones en la red de potencia. En el receptor se desea un fuerte rechazo de banda para bloquear la señal de 240V, 60 Hz, pero sin atenuar las señales de alta frecuencia. En el lado del transmisor se desea tener propiedades de paso amplio a la señal de comunicaciones para que esta no sea atenuada. Para que cada dispositivo tenga estas propiedades se requiere cierto compromiso entre ambos. Además para que la atenuación de la señal sea pequeña se desea que el acople tenga una impedancia muy parecida. 23

34 Capacidad Los sistemas PLC son medios compartidos. Esto quiere decir que el ancho de banda disponible es compartido por todos los usuarios conectados. En la practica los usuarios se conectan el cualquier momento, y el factor crítico de la capacidad de conexión es la coincidencia de muchos consumidores conectados intercambiando información, es decir la suma de los requerimientos de capacidad en el periodo pico de demanda. Con el fin de minimizar costos sin comprometer los niveles de servicio se debe balancear esta relación de demanda. Pruebas en Alemania con sistemas menos recientes mostraron que 25 usuarios compartiendo 2 Mbps aún podían recibir unos 1.3 Mbps. Esto se debe a que el tiempo en espera del sistema es mucho mayor al tiempo activo, ya que al usuario le toma más tiempo asimilar la información que solicita del que tarda el sistema en llevársela. En casos de carga pesada, como el caso de video, técnicas como descargar previamente los datos en un buffer, aseguran un flujo continuo de datos y evitan que el ancho de banda sea acaparado por un solo usuario. Otra técnica que pueden adoptar sistemas que utilizan esquemas de modulación OFDM, es la priorización de servicios. Esta técnica permite que ciertos canales sean dedicados a servicios individuales con el resultado de que algunos canales se pueden reservar para tráfico de cargas pesadas mientras que los otros permanecen disponibles e inalterados para Internet estándar y servicios de telefonía.

35 Distancia La distancia que una señal de PLC puede viajar varía y depende de muchos factores. Los factores principales son la impedancia, la atenuación y la relación del señal-a-ruido (SNR). Impedancia: Es una expresión para describir la oposición que un componente electrónico, circuito, o el sistema ofrece a la corriente eléctrica y se mide en Ohmios. La impedancia depende en gran parte del tipo de metal y del diámetro del cable. Cables de cobre o acero poseen impedancias relativamente bajas en comparación con el aluminio tiene una impedancia mayor. Entre mayor sea la impedancia menor será la distancia que viajará la señal a lo largo del medio. Atenuación: Es pérdida de potencia de una señal cuando transita por cualquier medio de transmisión. Al introducir una señal con potencia P1 en un circuito pasivo, como puede ser un cable, esta sufrirá una atenuación y al final de dicho circuito obtendremos una potencia P2. La atenuación α será igual a la diferencia entre ambas potencias, sin embargo suele expresarse decibelios. De este modo la atenuación, expresada en decibelios, está dada por la fórmula: P2 α = 10 log P 1 (3.1-1) Relación Señal-a-ruido (SNR): Es el valor en decibelios de la relación entre el ruido de alta frecuencia natural en cualquier medio y la señal. Una relación señal a ruido

36 26 muy baja dificulta la distinción entre la señal y el ruido de las líneas. La utilización de filtros puede mejorar la relación señal a ruido. Esto se puede hacer colocando filtros en cada casa, bloqueando el ruido generado en la parte Indoor, para que no llegue a la red eléctrica. Sin embargo la implementación de tales filtros es compleja Las líneas de baja tensión presentan mayores problemas debido a que es donde la mayor parte de los sistemas operan. En Europa se tienen experiencias con versiones previas de PLC, las cuales mostraron que algunos ambientes eléctricos no permiten que la señal viaje distancias mayores a metros sin tener que realizar mejoras a los dispositivos de acoplamiento y a la parte análoga de los módem PLC. Hoy en día los sistemas PLC pueden operar bajo estas condiciones y superar la mayoría de los obstáculos, sin embargo, aún causan un impacto que debe ser considerado en cualquier instalación de un sistema PLC. Además de las condiciones físicas, el alcance de la señal también varía con la tecnología seleccionada. Sistemas que operan con esquemas de modulación como FSK ( frecuency-shift keying ), normalmente cubren distancias menores que sistemas que operan con modulación OFDM. Los módem normalmente se dividen internamente en una parte digital y una análoga. La parte digital se encarga de la modulación y de los algoritmos de codificación de los datos. En lo que respecta al alcance de la señal, la parte importante es la análoga. Esta parte incluye el dispositivo de acople y la unidad transmisor/receptor. La sensibilidad de esta unidad tiene un impacto importante en la distancia que pueda alcanzar la señal. Algunos módem con un front end análogo sin modificar pueden alcanzar unos 80 metros en líneas subterráneas y aún menos en líneas aéreas. Algunos fabricantes han logrado

37 27 distancias cercanas a los 450 metros en líneas subterráneas y unos 350 metros en líneas aéreas. Se puede lograr distancias de varios kilómetros utilizando repetidores. Los repetidores son unidades que se instalan entre los módem transmisores y receptores y su única función es amplificar la señal para asegurar su calidad a pesar de la distancia. En general se trata de evitar el uso de los repetidores tanto como sea posible, ya que agregan costos adicionales a la transmisión. 3.3 Interferencia Durante implementaciones en muchos países se ha reportado el hecho de que PLC crea interferencia con otros sistemas de comunicaciones. En particular la radio aficionada se ve afectada. Algunos estudios europeos han mostrado que existen posibilidades de que PLC produzca interferencia en servicios de radio de onda corta, causada por las instalaciones Outdoor. El problema de esta interferencia no nace de la potencia de la señal PLC, si no más bien del potencial despliegue que pueda tener y de las frecuencias que se utilizan. El problema no se limita a la interferencia que PLC pueda tener en otros sistemas, si no que también otros sistemas pueden causar interferencia a PLC.

38 CAPÍTULO 4: Tecnologías para redes PLC 4.1 Red de Operación Local Esta tecnología desarrollada por Echelon Corporation se encuentra disponible como un estándar libre para todos los fabricantes. Brinda un protocolo de comunicación de cliente a cliente ( peer-to-peer ), implementado con la técnica CSMA. LonWorks ( Local Operation Network ) utiliza una técnica de modulación de espectro disperso en banda estrecha, utilizando la banda de 125 Khz a 140 KHz. Además hace posible sistemas de control basados en información, en lugar de los antiguos sistemas basados en comandos. Con el concepto de variables de red, esta tecnología permite que los fabricantes puedan diseñar dispositivos que los sistemas integradores pueden incorporar al sistema. Entre algunos beneficios para el usuario se puede mencionar la compatibilidad, la facilidad de uso, herramientas de administración, entre otros. 4.2 Bus Electrónico del Consumidor CEBus ( Consumer Electronic Bus ) es el estándar abierto de la EIA ( Electronic Industry Association ) que describe un método de comunicación entre productos electrónicos en el hogar. Es un paquete no orientado a la conexión, de tipo cliente a cliente y utiliza protocolo CSMA/CDCR (Acceso múltiple con detección de portadora, detección de colisiones y resolución de colisiones). CEBus utiliza la tecnología de espectro disperso para resolver los problemas de comunicación sobre las líneas eléctricas. 28

39 29 Para asegurar una comunicación confiable y privada, CEBus incluye características como detección de errores, reintento automático, confirmación, rechazo de paquetes duplicados, servicio de autenticación y encriptación para asegurar la privacidad. Los comandos de CEBus se basan en un lenguaje aplicación a aplicación llamado CAL ( Common Application Language ), el cual brinda un modelo estructural de datos de cómo debe operar cada función de un producto. 4.3 Pasaporte Passport es una de las primeras tecnologías para PLC, desarrollada por Intelogis. Utiliza modulación por desplazamiento de frecuencia o FSK. Las frecuencias utilizadas se encuentran en una banda estrecha sobre el nivel del ruido. Es algo frágil ya que muchas situaciones pueden cortar el flujo de datos, por lo que la computadora transmisora debe reenviar los datos, lo que puede causar que la red se vuelva lenta. Está basado en sistemas eléctricos de 110 V y utiliza los puertos paralelos para las conexiones físicas. Utiliza una arquitectura cliente-servidor, donde el primer computador donde se instala el software se convierte en el servidor de aplicación. Algunas de las desventajas que presenta esta tecnología son: - Velocidades de conexión bajas ( Kbps) - La utilización de la energía eléctrica en el hogar tiene un impacto en el rendimiento de la red. - Algunas características de impresoras se pueden ver limitadas.

40 30 - Trabaja solamente con Microsoft Windows. - Trabaja solamente en instalaciones de 110 V. - Los datos requieren ser cifrados. - Instalaciones viejas degradan el rendimiento. La tecnología conocida como Plug-in PLX utiliza una combinación de acceso múltiple con detección de datagramas (DSMA) y token passing centralizado (CTP). DSMA detecta la portadora y envía paquetes solamente si el canal está libre. Una vez que todos los nodos se conocen, el token passing centralizado actúa evitando colisiones, elevando la velocidad de transporte efectiva. 4.4 X-10 Es uno de los protocolos más viejos de comunicación sobre las líneas eléctricas. Utiliza modulación por amplitud ASK para transmitir la información. Inicialmente era unidireccional (del controlador a los módulos controlados), recientemente se han implementado dispositivos bidireccionales. Los controladores X-10 envían sus señales a receptores simples, utilizados principalmente para controlar iluminación y otros aparatos. La tasa de transmisión es únicamente de 60 bps, por lo que no se puede adaptar para transportar tráfico como Internet.

41 Paquete de potencia PowerPacket es desarrollada por Intellon Corporation y es la base de la especificación de la HomePlug Alliance. Es una versión modificada de la multiplexión por división de frecuencias ortogonales (OFDM). Hoy en día ofrece velocidades de hasta 14 Mbps. Es una solución completa que abarca las capas física y de acceso al medio del modelo de red. Soporta servicios avanzados como VoIP, QoS, entre otros. La capa física de PowerPacket utiliza además de OFDM, Viterbi concatenado y clase de equivalencia de reenvío (FEC) de Reed Solomon con entrelazado de carga útil y turbo product coding (TPC) para el control de los espacios de las tramas. El protocolo de acceso al medio es una variación de CSMA/CA (acceso múltiple con detección de portadora y anulación de colisiones). Utiliza la estrategia escuchar antes de enviar y un tiempo aleatorio antes de transmitir para evitar colisiones. El mecanismo de detección de portadora y resolución de disputas ayuda a minimizar el número de colisiones. La adición de algunas características permite al protocolo proveer servicios como clases de prioridad, control de latencia, entre otros.

42 CAPÍTULO 5: PLC y otros sistemas de última milla Existen actualmente muchas opciones para tener acceso a Internet, las cuales difieren no solo en el medio de transmisión si no en rendimiento, disponibilidad, seguridad, costo y muchas otras características que hacen que el consumidor deba hacer un análisis cuidadoso para elegir la tecnología que le traiga más beneficios según sus necesidades. Hoy en día existen algunas tendencias en cuanto a los sistemas de acceso a Internet que se han destacado por tener alguna ventaja de mercado sobre otras que técnicamente pueden ser más eficientes. Este es el caso por ejemplo de ADSL, ya que otras variantes de la tecnología xdsl pueden alcanzar tasas de datos considerablemente mayores, sin embargo a un mayor costo económico y de implementación. PLC se encuentra en una etapa de prueba en muchos países alrededor del mundo y ya se ha implementado comercialmente en algunos, por esta razón es importante hacer una comparación con las tecnologías que se presentan como una competencia, aunque en algunos casos se pueden utilizar más bien de manera complementaria. La tecnología de Internet por cable, conocida también como cable módem, utiliza como medio de transmisión cable coaxial en la última milla. Este consiste en un núcleo de cobre rígido cubierto por un material aislante. El aislante está forrado con una malla de conductor fuertemente entrelazada que a su vez está cubierta por una envoltura protectora de plástico. Esta construcción permite que el cable coaxial tenga un buen ancho de banda y una excelente inmunidad al ruido. El ancho de banda disponible depende de la calidad y longitud del cable, y de la relación señal a ruido de la señal. Los cables modernos tienen un 32

43 ancho de banda de cerca de 1 GHz. La figura 5.1 muestra una vista de las diferentes capas de un cable coaxial. 33 Figura 5.1 Vista de las capas de un cable coaxial [2] ADSL utiliza como medio para transmitir información el cable par trenzado, el cual consiste en dos alambres de cobre aislados y trenzados en forma helicoidal (para reducir la radiación del cable por cancelación. El ancho de banda depende del grosor del cable y de la distancia que recorre. En distancias de pocos kilómetros se pueden obtener transmisiones de varios Mbps. Comúnmente se conoce como UTP (par trenzado sin blindaje) y hay varios tipos, sin embargo los más importantes son el par trenzado categoría 3 y el par trenzado categoría 5. Son muy similares solamente que el categoría 5 tiene más vueltas por centímetro, lo que produce menor diafonía y atenuación. WiMAX utiliza como medio de transmisión el aire, enviando la señal en forma de microondas. Este medio es muy utilizado por otros sistemas de comunicación, por lo que el espectro de frecuencias se ha dividido para asignar frecuencias dedicadas a los diferentes sistemas. La banda ancha necesita mucho espectro por lo que WiMAX opera en el rango de 10 a 66 GHz. Estas ondas milimétricas viajan en líneas rectas, por lo que una estación base

44 34 puede tener varias antenas apuntando a diferentes sectores. La fuerza de la señal desciende drásticamente con la distancia a partir de la estación base, por lo tanto la relación señal a ruido también desciende. Por esta razón el estándar , al que pertenece WiMAX, emplea tres esquemas de modulación dependiendo de la distancia entre la estación suscriptora y la estación base. Para suscriptores cercanos se utiliza QAM-64, para distancias medias se utiliza QAM-16 y para suscriptores distantes se utiliza QPSK. PLC en cambio utiliza como medio para transmitir información la red eléctrica instalada. Esta red tiene la ventaja de contar con una infraestructura muy extendida en casi toda edificación. Las redes eléctricas fueron diseñadas para la transmisión de la señal de potencia a Hz, por lo que la transmisión a altas frecuencias presenta algunos retos técnicos como los antes mencionados (atenuación, interferencia, ruido, etc.) que dificultan en gran medida la comunicación. Por otro lado las restricciones impuestas al uso de ciertas bandas de frecuencia en el espectro de las líneas de potencia limitan las tasas de transmisión de datos alcanzables. Teóricamente los sistemas mencionados presentas buena eficiencia y tasas de datos que van desde algunos Mbps (lo cual es bastante aceptable) hasta unos cientos de Mbps como el caso de PLC. Los aspectos que realmente determinarán el éxito de alguno de los sistemas de acceso a Internet dependerá de factores como el costo de la implementación, la factibilidad técnica, la tasa real de datos y el ancho de banda que ofrezca al usuario final, entre otros. El siguiente cuadro resume algunos de los aspectos importantes a considerar para determinar cual sistema es mejor para determinada aplicación.

45 35 Tabla 5.1 Comparación de PLC con otros sistemas de acceso a Internet. Medio de Transmisión Capacidad xdsl Cable Módem WiMAX PLC Par trenzado Cable coaxial Aire (microondas) Líneas eléctricas Hasta 8 Mbps de bajada, y 1 Mbps de subida. Conexión Dedicada Compartida Seguridad Fiabilidad Ventajas Desventajas Como la conexión es dedicada, es bastante segura. Normalmente es más fiable que cable. Tiene respaldo de energía en caso de apagón. Buen rendimiento, permanentemente en línea. La longitud del enlace afecta el rendimiento Depende de la cantidad de Hasta 70 Mbps usuarios. Como la conexión es compartida, todos los usuarios tienen acceso a la información de los otros usuarios. Por esta razón la información debe estar cifrada. Si se desconecta o apaga un amplificador, toda la red en adelante queda fuera de línea. Rendimiento excelente, permanentemente en línea. Difusión por microondas en la Compartida última milla (NLOS). Requiere técnicas como autenticación y encriptación para asegurar la información. Depende de la fiabilidad de las estaciones base. Rendimiento excelente, gran cobertura sin necesidad de obras de cableado El rendimiento depende Regulación de las de la cantidad de usuarios. frecuencias. Hasta 14 Mbps (podría llegar a 100 Mbps) Como la conexión es compartida, todos los usuarios tienen acceso a la información de los otros usuarios. Por esta razón la información debe estar cifrada. Si hay un apagón se pierde la conexión a Internet. Utiliza una red ya desplegada, cobertura, poco equipo extra, excelente rendimiento. Depende mucho del estado de la red eléctrica, atenuación (distancia del enlace), ruido, interferencia, no estandarizado