19144307 BPL o PLC Una Tecnologia Alternativa Para El Acceso a Internet

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA

ESCUELA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

GESTIÓN PRODUCTIVA 3

EDUARDO ALEJANDRO SUÁREZ ROSALES

TUTOR: ING. MARCO MOROCHO Y.

LOJA - ECUADOR

Grupo de Radio-Comunicaciones

Universidad Técnica Particular de Loja

Eduardo Suárez Rosales 2

Power Line Communication (PLC) ó Broadband Over Powerlines (BPL)

1. Introducción

En estas últimas décadas, el campo de las telecomunicaciones ha crecido de una manera acelerada. Este proceso se ha desarrollado debido a la necesidad permanente de nuevos servicios de telecomunicaciones y tecnologías capaces de transmitir mayor información a altas velocidades para satisfacer, a los cada día más exigentes usuarios.

Bajo este panorama, en el desarrollo de las nuevas tecnologías se avizoran opciones ingeniosas, necesarias y otras con un tinte de urgentes. La tecnología basada en el uso de las líneas de potencia eléctrica para transmitir datos, se convierte en una excelente solución para aquellos usuarios que solicitan banda ancha con una elevada tasa de transmisión. Y las razones son claras: su principal ventaja es el uso de una infraestructura ya existente, las líneas de transmisión otorgan velocidades desde 24 Mbps hasta 200 Mbps, y alrededor del mundo el acceso al servicio de energía eléctrica, tanto en sectores urbanos como rurales, presenta un nivel de penetración del 87% comparado por ejemplo, con la servicio de telefonía fija o celular.

El desarrollo de investigaciones acerca de PLC ó también conocido como Broadband over Powerline (BPL) en la última década, ha ido en aumento. Las investigaciones han comenzado enfocadas a proveer servicios relacionados con la distribución de la energía tales como control de carga, control de tráfico, control remoto y casas inteligentes. A la vanguardia de PLC están las empresas: GridLine, COMTek, Ambient, Amperion, Ascom, etc.

Ya en la década de los noventas, compañías como Nortel Networks y Siemens reconocieron el potencial de las comunicaciones de banda ancha sobre las líneas eléctricas con iniciativas como por ejemplo el envío de paquetes IP y la transmisión de datos.

En Ecuador el 89.6% de las viviendas censadas tienen acceso al servicio de energía eléctrica según el Censo de Población y Vivienda 2001, así que mediante una red PLC implementada en sectores estratégicos, como escuelas, colegios o instituciones públicas podemos acortar la brecha digital llegando con Internet a más usuarios sin tener como limitante su situación geográfica.

El 39% de la población ecuatoriana se encuentra en zonas rurales1, y los niveles de acceso a servicios de telecomunicaciones son bajos; la tecnología PLC se presenta como una solución factible, rentable e innovadora de modo que son nichos de mercado de están aún por explotarse y descubrir.

1 Censo de población y vivienda 2001




Según el Electric Utility Week, aproximadamente 250 000 casas en los Estados Unidos han escogido la tecnología PLC en el 2004 como su servicio para acceso a internet2 especialmente en zonas rurales como Everetts, Carolina del Norte, comunidades suburbanas como Manassa, Virginia y ciudades más grandes como New York.

2. Modo de operación PLC

Usando la línea telefónica como un punto familiar de referencia, observemos porqué razón, se puede transmitir datos por donde circula la corriente eléctrica. La corriente alterna normal se transmite a una frecuencia de 60 Hz, y de una manera similar a como se lo hace con las líneas telefónicas es decir, lograr trasmitir datos e información al mismo tiempo por la red telefónica, ósea, apartar las frecuencias de operación para la voz (Frecuencias de conversación telefónica) y las utilizadas para la trasmisión de datos, se puede lograr que las líneas eléctricas tengan toda su frecuencia disponible para la utilización de energía eléctrica con una frecuencia de operación de 60 Hz y de ahí hacia arriba se tiene todo rango disponible de frecuencias para poder utilizar, incluidas en este rango las frecuencias de transmisión de datos. De esta manera, la tecnología de transmisión de datos encima de las frecuencias sin usar está basada en los mismos conceptos que le permiten a DSL funcionar y permitir a millones de subscriptores con el acceso de electricidad tener acceso a Internet de gran velocidad.

Al contrario de las líneas telefónicas que tienen una línea de transmisión limitada, las líneas de poder poseen líneas de transmisión con distancias extendidas. Esta distribución muy extendida, produce la degradación de señales analógicas usada para modular los datos. Este problema puede aumentarse aún más cuando las líneas de poder transportan voltajes altos. Para superar el problema asociado con las líneas de alto-voltaje, muchas utilidades eléctricas están usando cables de fibra óptica que corren en paralelo con esas líneas. Originalmente, el cable de fibra óptica se instaló en las líneas, para propósitos de control y supervisión de las líneas. Aunque el uso y capacidad de esta fibra es pequeño, es relativamente simple extender la capacidad de fibra existente por muchos órdenes de magnitud a través del uso de equipo de WDM. La razón por la cual se usa fibra óptica para transmitir estos datos (información), es porque éstas no se ven afectadas por los fenómenos electromagnéticos provocados por la líneas de alto voltaje, debido a que la forma de transmisión es a través de pulsos de luz, que luego serán convertidos a ondas electromagnéticas que viajarán por las líneas de baja y media tensión.

Como los flujos de datos ocurrirán solamente encima de las líneas de media y baja tensión, el único problema a considerar, es la distancia de transmisión. El fenómeno de las largas distancias se puede controlar colocando amplificadores a distancias periódicas. Sabiendo considerar que a diferencia del teléfono, las líneas de poder no poseen escudos que ayudan a controlar la radiación producida por corrientes de altas frecuencias. 2 Electric Utility Week, April 26, 2004




Una vez que la señal analógica llega a su último destino, hay dos métodos que se usan para proporcionar la conexión de comunicaciones en casas y oficinas, los de transmisión conectada e inalámbrica. Cuando la opción conectada se usa, los clientes residenciales y comerciales deben obtener un módem de línea de poder que, a la salida de una toma de corriente eléctrica, modula y demodula datos que fluyen encima de la línea de poder. Cuando la conexión inalámbrica es empleada, se coloca un punto de acceso que puede servir a múltiples casas u oficinas. Entonces, cada usuario en una casa u oficina que se subscribe a los servicios, deberá tener un adaptador en red inalámbrico en un escritorio o PC tipo cuaderno para conectar al punto de acceso. Este tipo de configuración permite ahorrar en arquitectura, pues colocando un punto de acceso vía WiFi se logra evitar la demodulación de la señal para líneas de baja tención, principalmente debido a que este punto se acceso se coloca en el comienzo de los transformadores de baja tensión.

El uso de BPL da varias ventajas. Primero, porque esta tecnología permite que las líneas de poder existentes funcionen como un medio para la transmisión de datos en una infraestructura ya existente. Aunque se requieren los amplificadores y el equipo para saltar los transformadores, no se requieren mayores cambios en la infraestructura de las líneas de poder. Dentro de la casa, pueden llevarse los datos encima de la instalación eléctrica existente y se tiene la capacidad para acceder en cada cuarto a Internet.

3. Historia y futuro de la Industria BPL

Desde sus inicios la tecnología BPL fue utilizado para realizar comunicaciones internas y pruebas en laboratorios, los mismos que permitieron demostrar la posibilidad del uso del tendido eléctrico como medio de trasmisión de datos, aunque su velocidad de comunicación era muy bajo para los propósitos de monitoreo y de control. 3

Con la aparición de métodos de multiplexación más eficaces como la OFDM (Multiplexación Ortogonal por División de Frecuencia) y de microchips, muchas compañías comenzaron a desarrollar equipos y dispositivos que prestaban servicios de comunicación mucho más veloces a la par de las redes de comunicación tradicional.

Europa y Asia han utilizado la tecnología BPL desde 1999, con mejores avances comparado con los Estados Unidos. España y Portugal están a la cabeza en BPL al ser los mayores desarrolladores de esta tecnología en el mundo, a esto se le añade que su sistema eléctrico está basado en el estándar de 240 voltios y cada uno de los transformadores brinda el servicio desde 200 a 250 hogares. En comparación a los Estados Unidos y algunos países de Latinoamérica como el Ecuador que poseen el tendido eléctrico basado en el estándar de 120 voltios y sus transformadores abarcan alrededor de 7.5 domicilios, económicamente es mucho mejor el sistema de 240 voltios para una tecnología que recién comienza, aunque el desarrollo de equipos y dispositivos para el estándar americano ha equilibrado la balanza competitiva.

3 Powering the Broadband market in 2005, New Millenium Research Council 2005, pag 4




De acuerdo al reporte de Research and Markets de noviembre del 2004, el 33% de nuevos consumidores de banda ancha y el 13% de los ya existentes usuarios de banda ancha escogerán el servicio de BPL para el 2012.4

Si a estos datos le añaden lo anunciado por la Universidad Penn State que, la tecnología BPL puede desarrollar tasas de transmisión de un gigabyte por segundo (Gbps) por kilómetro en una línea de poder de medio voltaje, la velocidad en el servicio para cada uno de los usuarios en un vecindario será de cientos de megabytes. 5

Con estos antecedentes, la evolución de la tecnología BPL se refleja en los servicios que brinda actualmente como: transmisión de audio y video, juegos en línea, VoIP, flujo de datos, y los servicios que puede implementar a futuro como las denominadas “aplicaciones inteligentes” por ejemplo: las refrigeradoras y otros aparatos electrónicos dentro del hogar como lavadoras o cafeteras estarán conectadas a la red y podrán comunicar a sus dueños cuando deberán realizar un mantenimiento o si la despensa necesita reabastecerse con leche por ejemplo. 6

4. El marco tecnológico

La tecnología BPL no reemplaza a la red tradicional de telecomunicación, sino que es una tecnología de acceso que usa un medio diferente para transmitir servicios de comunicaciones. BPL aún requiere la conexión inicial al backbone de Internet.

Algunos reportes indican velocidades en la transmisión de datos arriba de los 45 Mbps con valores reales de aproximadamente 18 Mbps para ser compartidos entre los usuarios de un mismo circuito de medio voltaje con una distancia de cobertura de alrededor 1.6 km y se espera que la nueva generación de la tecnología BPL trabaje con velocidades mayores a los 100 Mbps en las líneas de media tensión, lo que significa que en estándares de 120 voltios como en el Ecuador y algunos países de América Latina, el usuario final recibirá entre 10 y 30 Mbps. 7

Un punto importante de la tecnología BPL es el aspecto de la interferencia y los efectos que suelen causar con otros servicios como radios, estaciones móviles, sistemas de transmisión o incluso puertas eléctricas en garages cuando operan en la misma región del espectro.

4 Research and Markets, “The Market for Broadband Over Powerline”, Noviembre 2004,

www.researchandmarkets.com/reports/c10065 5 Penn State University Press Release, “Power Line Data Transmission Capacity: Bigger Than DSL or

Cable”, 6 de Junio 2005. http://live.psu.edu/index.php?sec=vs&story=9603&pf=1 6 Matthew Herper, “Smart Kitchens a Long Way Off”, Forbes, Diciembre 21, 2001.

http://www.forbes.com/2001/12/21/1221networking.html 7 Jim Barthold, “Broadband Over Power Lines”, VON Magazine, Enero 2005

www.vonmag.com/issue/2005/jan/features/broadband_over_power_lines.htm




El manejo de las emisiones radioeléctricas no-intencionadas provocadas por los sistemas de PLC deben estar por debajo de los limites de interferencia con otros servicios y de bajo las reglas de compatibilidad electromagnéticas (EMC)

Por otro lado, reportes indican que la tecnología BPL puede ofrecer servicios simétricos con velocidades similares de subida (upload) y de bajada (download)8, a diferencia de sus competidores inmediatos como el Cable modem o DSL que proporcionan buenas velocidades de download pero son lentas para upload. En el caso del cable modem sus velocidades están aproximadamente en los 3 Mbps y para DSL entre los 800 kbps y 1.5 Mbps.

Es por esto, que la tecnología BPL es muy atractiva para consumidores de banda ancha que necesitan conectar varios computadores en una casa y no tiene montado una red existente, o más aún cuando los consumidores están ubicados en zonas rurales y el servicio de comunicación es una necesidad innevitable y no un lujo.

En el horizonte de la tecnología BPL, se avizora del desarrollo del llamado “triple play” –voz, video y datos- como argumento de competitividad frente a las redes DSL, fibra óptica y el cable modem.

Un aspecto de vital importancia para el correcto funcionamiento de los servicios soportados sobre sistemas BPL, y sobre todo en un Servicio Triple Play, es el dimensionamiento adecuado de la interconexión de esta tecnología de acceso de banda ancha con cada una de las plataformas que soportan a cada uno de los servicios del Triple Play.

La Nueva Generación de Power Line Communications permite ofertar actualmente velocidades de hasta 400 mbps, lo cual facilita junto al empleo del multicast y el protocolo IGMP que estas puedan soportar novedosos servicios como el IPTV, el cual facilitaría a países latinoamericanos y de otras regiones del tercer mundo que no disponen de infraestructura de Banda Ancha acortar su brecha digital sobre todo en regiones rurales y aisladas con una significativa reducción de los costos de las inversiones. 9

4.1 Modulación.

La tecnología PLC debe presentar un esquema de modulación dispuesto a desenvolverse eficazmente en un ambiente hostil debido a los fenómenos característicos dentro del canal de transmisión como la presencia de ecos y el ruido impulsivo por la superposición de las interferencias en banda angosta.

La tecnología OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) es la multi-canalización por división de frecuencias ortogonales está basado en la multiplexación 8 Maryanne Murray Buechner, “Power Play”, Time, Mayo 3, 2004

9 “La Nueva Generación de las Power Line Communications en el servicio Triple Play”, Ing. Luis Enrique

Conde del Oso, Ponencia PLC Riobamba, Noviembre 28, 2008




por división de frecuencia (FDM) lo que significa dividir un canal en un número determinado de bandas de frecuencias equiespaciadas, y en cada banda transmitir una subportadora de traslada una porción de la información del usuario. La ventaja de esta técnica se basa en que cada subportadora es ortogonal frente al resto, lo que ocasiona que dentro del espectro se encuentren traslapadas una con otra y por lo tanto no exista interferencia, aumentando la eficiencia del uso del espectro ya que no se utilizan bandas de separación entre subportadoras.

La técnica de carga de bit, aplicado a las subportadoras en OFDM, hace posible lograr una capacidad muy cerca al límite teórico del medio de transmisión; es por esto que OFDM es considerado como el candidato favorito para implementarlo en las redes de PLC.

4.2 Capa MAC

Los sistemas de acceso PLC deben, primeramente competir con la oferta del resto de tecnologías enfocadas a las telecomunicaciones y luego proveer una red eficiente para los usuarios que comparten el medio de transmisión (calidad de servicio).

La capa MAC deberá suplir estas necesidades de manera que organice el medio de acceso entre los múltiples usuarios que usan varios servicios de telecomunicaciones. Pero actualmente no existen estándares o especificaciones que consideren la capa MAC o algún protocolo para las redes PLC, de manera que los fabricantes de dispositivos y equipos PLC aplican sus propios protocolos, diferentes entre un producto y otro, a pesar que esta tecnología lleva más de una década en el mercado.

Los protocolos MAC para los sistemas PLC deben desarrollar un alto desempeño para una limitada capacidad de una red y para los servicios de telecomunicaciones realizados en tiempo-crítico.

La arquitectura de PLC está basada en la propiedad Cell – Structured MAC que virtualmente ofrece un número ilimitado de nodos por red física.

Sus topologías: Master/Esclavo y Ad – hoc.

El sistema SNMP (Mac –ID) permite manejar todos los elementos del sistema desde una centralilla llamada Centro de Operaciones de Redes (NOC).

5. El marco regulatorio

La FCC (Comisión Federal de Comunicaciones por sus siglas en inglés) está considerando seriamente el papel que desarrollaría la tecnología PLC en comparación con sus rivales tecnológicos como son DSL y Cable.

La banda ancha es un área regulatoria realmente compleja con reglas diferentes para distintas tecnologías y estatutos legislativos para dicha tecnología. A la fecha, el proceso regulatorio más importante en BPL fue en el 2004 cuando en un reporte vertido




por el FCC aprobaron una serie de reglas operativas para los sistemas BPL para que sus transmisiones no causen interferencia con otras radiofrecuencias.

La interferencia “vertida” se centra en las señales de radiación desde las líneas de poder que afectan las transmisiones de los operadores de radio amateur. En estudios realizados, se ha determinado que la interferencia con los radios ocurren a una distancia de 150 metros de las líneas de poder. 10

El FCC para evitar el problema propuso lo siguiente:

1. Excluir algunas frecuencias para el uso de los proveedores de BPL.

2. La creación de una base de datos pública por parte de los proveedores de BPL para comprobar si la información es prontamente disponible en el caso de quejas de interferencia.

3. Desarrollar instrumentos de medición requeridos para las emisiones BPL. 11

Si la interferencia ocurre, el FCC puede recurrir al proveedor de BPL para alterar su señal y reducir la interferencia, o pedir al proveedor que termine sus operaciones hasta que pueda eliminar el problema.

5.1 Impacto de las distorsiones y las limitaciones de la tasa de datos.

Las redes PLC se vuelven más sensibles a las distorsiones debido a la limitada potencia de la señal por lo que no se puede asegurar una capacidad de transmisión suficiente a largas distancias. Existen distorsiones causadas por otros agentes, por ejemplo: el servicio de radio de onda corta que opere en el rango de frecuencia debajo a los 30 MHz (aunque no exista ningún estudio especializado que compruebe el factor), perturbaciones ocasionadas por electromotores que se conecten a la red de baja potencia o pueda encontrarse cerca de la red PLC, el swicheo de televisores o monitores también provocan efectos nocivos a la red (Ver Ilustración 1)

10

Penn State University Press Release, “Power Line Data Transmission Capacity: Bigger Than DSL or

Cable”, 6 de Junio 2005. http://live.psu.edu/index.php?sec=vs&story=9603&pf=1 11

Federal Communications Press Release “FCC Adopts Rules for Broadband Over Power Lines to

Increase Competitions and Promote Broadband Service to All Americans”, Octubre 14, 2004.

http://hraunfoss.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/DOC-253125A1.pdf




Ilustración 1 Varias distorsiones por distintas fuentes

Pero existen mecanismos que permiten resolver los problemas antes mencionados. Podemos contar con dos métodos: el primero se denomina FEC (Forward Error Correction), mecanismo que recupera la información original de una unidad de datos a pesar del grado de distorsión aunque presente la desventaja de ocupar una parte adicional de la capacidad del canal de transmisión debido a la necesidad de utilizar una cabecera para corregir el error.

El segundo método es el ARQ (Automatic Repeat reQuest), este mecanismo provee una retransmisión de las unidades de datos defectuosos consumiendo una parte de la capacidad del canal de transmisión y además introduce capas de transmisión extras.

6. Red básica de BPL ó PLC.

Una red BPL ó PLC de baja tensión consta de 3 elementos fundamentales:

• Head End o equipo de cabecera.

• Repetidor




• CPE o módem de usuario.

El equipo de cabecera realiza la interconexión entre un backbone IP y la red eléctrica de baja tensión, actuando como puente (Bridge). Este dispositivo posee una cantidad de MAC Address dependiendo del tipo de chip que posee de manera que se definen los límites de modularidad de la celda para estos sistemas. En la tabla 1 se muestran los distintos tipos de chips de DS2 líder mundial en diseño de estos chips.

Tipo de chip

Máximo de MAC Address

Cantidad de usuarios /

cluster

Empleo más común

DSS9001 64 32 CPE – Mesa, Repetidor y HE de LV DSS9002 1024 64 Repetidores y HE de LV DSS9003 262144 128 HE de MV DSS9010 64 32 CPE Wall-Mount

Tabla 1 Características de los chips DS2

En el caso de Corinex, bajo las redes de bajo voltaje utilizan el chip DSS9001 por su economía y versatilidad, ya que permite usarse como HE (Head End), con algunas limitaciones de potencia, ó incluso como en un repetidor o en un CPE con una simple configuración de software.

6.1 Equipos

a. GL –LMU es el BPL Master. Soporta hasta 256 suscriptores.

b. Acopladores: Compañías como Current Technologies, Gridline y Ambient utilizan acopladores especiales que desvian la energía de los transformadores para proveer acceso de datos de alta velocidad a los consumidores finales. Por otro lado la compañía Amperion usa la tecnología Wi-Fi para brindar la señal de Internet a sus usuarios desde las líneas de medio voltaje que la obtienen antes desde los transformadores.

b.1 Acoplamiento Capacitivo12: Son acopladores para líneas aéreas de media tensión con aislamiento de silicona diseñado especialmente para aplicaciones PLC –BPL sobre líneas aéreas hasta 36 kV. (Ilustración 2)

12

Ficha técnica de la empresa ARTECHE




Ilustración 2 OVERCAP Acoplamiento Capacitivo ARTECHE

Características Principales: • Aislamiento con envolvente de silicona especialmente diseñado para servicio

exterior. • Desconectador de tierra integrado para mayor seguridad.

• Fácil instalación utilizando conexiones para línea en carga. • Seguridad eléctrica garantizada por una completa batería de ensayos eléctricos

aplicados a los acopladores.

[a] [b] [c]

Ilustración 1 Configuraciones Recomendadas [a] Para instalación sobre el poste. [b] Para instalación

colgado de la línea (Estribo). [c] Para instalación colgado de la línea (Hot Line Clamp)




Especificaciones Técnicas:

Características de Comunicación

Rango de frecuencia 2 – 100 MHz

Pérdidas de inserción <2 dB

Impedancia

Lado de la línea 200 Ω

Lado del equipo 50 Ω

Conector PLC – BPL Conector TNC (Tipo F)

Tensiones soportadas

OVERCAP 17 kV 25 kV 36 kV

Tensión de aislamiento 17.5 kV 25 kV 36 kV

Rigidez dieléctrica 50 kV 70 kV

Impulso Tipo Rayo 150 kV 200 kV

El OVERCAP incorpora un desconectador de tierra. En caso de ocurrir un fallo en el acoplador, la parte inferior del mismo junto con los cables y conexiones de tierra se desconectan de la parte capacitiva para que al restablecer la conexión de la línea, el acoplador no interfiera en el funcionamiento de la misma.




Bibliografía

Censo de población y vivienda 2001 Electric Utility Week, April 26, 2004 Powering the Broadband market in 2005, New Millenium Research Council

2005, pag 4 Research and Markets, “The Market for Broadband Over Powerline”,

Noviembre 2004, www.researchandmarkets.com/reports/c10065 Penn State University Press Release, “Power Line Data Transmission Capacity:

Bigger Than DSL or Cable”, 6 de Junio 2005. http://live.psu.edu/index.php?sec=vs&story=9603&pf=1

Matthew Herper, “Smart Kitchens a Long Way Off”, Forbes, Diciembre 21, 2001. http://www.forbes.com/2001/12/21/1221networking.html

Jim Barthold, “Broadband Over Power Lines”, VON Magazine, Enero 2005 www.vonmag.com/issue/2005/jan/features/broadband_over_power_lines.htm

Maryanne Murray Buechner, “Power Play”, Time, Mayo 3, 2004 “La Nueva Generación de las Power Line Communications en el servicio Triple

Play”, Ing. Luis Enrique Conde del Oso, Ponencia PLC Riobamba, Noviembre 28, 2008

Federal Communications Press Release “FCC Adopts Rules for Broadband Over Power Lines to Increase Competitions and Promote Broadband Service to All Americans”, Octubre 14, 2004. http://hraunfoss.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/DOC-253125A1.pdf

Ficha técnica de la empresa ARTECHE

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