PLC: Power Line Communication

Leonel Gomes Leite Filho, Vincius Arajo Santos

Escola de Engenharia Mecnica, Eltrica e de Computao - Universidade Federal de Gois

Av. Universitria, 1488 Bloco A, Piso 3, 74605-010 Setor Leste Universitrio

Goinia-GO, Brasil

leonelglfilho@gmail.com , viniciusdt191@hotmail.com

Resumo Sistemas que utilizam a tecnologia Power

Line Communication (PLC) para obter acesso internet

atravs de um cabo de energia so cada vez mais comuns

atualmente. Tais sistemas evoluram de maneira

proporcional sistemas de gerao de energia, no comeo

dos anos 2000. Atualmente, a tecnologia PLC apresenta

maturidade e desenvolvimento suficientes para se

equiparar a outras tecnologias de rede. O PLC apresenta

ainda uma distinta vantagem sobre muitos outras

tecnologias pois simples e fcil de ser instalado, pois se

utiliza da rede eltrica que j foi posteriormente instalada.

Sabendo que sistemas de energia possuem componentes

prprios, possvel analisar redes PLC atravs de seus

componentes, de sua arquitetura, das suas funcionalidades

e de suas aplicaes. Este trabalho apresenta esta anlise

em sntese.

Palavras-chavePower line Carrier; energia eltrica; arquitetura de redes;

I. INTRODUO

Os sistemas que utilizam Ondas Portadoras em Linhas de Alta Tenso (OPLAT), do ingls Powerline Carrier, tm sido utilizados desde o incio do sculo 20. N decada de 1920, sistemas OPLAT operavam em sistemas de alta tenso valendo-se de taxas de frequncia que variavam entre 15 e 500 kHz. Com o passar dos anos, esta tecnologia evolui de forma a possibitar o seu funcionamento em sistemas de baixa ou media tenso. Neste contexto, a tecnologia OPLAT foi utilizada em sistemas de telemetria, de monitoramento de estado de funcionamento de equipamento, dentre outras aplicaes.

Nos anos 1940, mais precisamente no perodo de ocorrncia da Segunda Guerra Mundial, surgiu o termo Power Line Carriers (PLC), que indicava a utilizao das linhas de transmisso de energia eltrica na transmisso de dados. Esta mesma sigla, pode ser utilizada com outro significado: Power Line Communications. Esta terminologia ser a utilizada ao longo deste trabalho, ao falarmos sobre a tecnologia de comunicao que utiliza OPLAT para transmisso de informaes. Outro termo utilizado neste contexto o termo Broadband over Power-lines, que indica a proviso de um canal de transmisso de dados, fornecendo acesso internet atravs da rede eltrica.

A. Vantagens e desvantagens

Como qualquer outra tecnologia, as redes PLC apresentam

pontos vantagens e desvantagens em sua implementao.

necessrio observar que sistemas que usam PLC usam uma

tecnologia consideravelmente fcil de implementar e

suscetvel falhas.

Expondo primeiramente as vantagens, devemos especificar

que tais so pontos fortes ao se implementar a tecnologia e no

necessariamente vantagens em relao a uma outra opo de

rede. As tecnologias usadas em redes PLC so geralmente

simples e diretas o suficiente de modo que a implementao

das mesmas pode se dar em um chip, fato que ocorre

atualmente em sistemas PLC. Isso significa dizer que a um

custo de produo baixo os componentes do sistema so

manufaturados.

Talvez a mais importante vantagem de se usar um sistema

PLC a facilidade de manuseio, apenas necessrio ter uma

conexo de energia e um dispositivo de interface de rede

(usualmente o RJ-45). Redes PLCs podem ser facilmente

implementadas apenas com o uso das tomadas do escritrio ou

casa na qual a rede se encontra.

Tambm considerado o fato de redes eltricas j terem

sido instaladas primariamente, diminuindo o esforo e custo

necessrio para novos cabeamentos e infraestrutura a eles

associada. possvel pensar que, caso assim fosse desejado,

potencialmente pases inteiros j poderiam aderir

integralmente a esse tipo de tecnologia, aumentando

drasticamente o nmero de usurios.

Considerando redes de alta e baixa-voltagem como

potenciais meios de propagao de sistemas PLC, deve-se

levar em considerao que, enquanto as redes de alta-voltagem

podem estar presentes nas principais cidades, as de baixa-

voltagem geralmente abrangem um vasto territrio. Portanto a

rea de influncia de sistemas PLC pode se tornar significativa

e atingir escala global.

Outro ponto positivo o mtodo de encriptao utilizado

em redes PLC para informaes. Esse mtodo , geralmente,

robusto e eficaz.

Por outro lado o ambiente de comunicao por rede

eltrica geralmente hostil e de difcil manuteno, repletos

de rudos em nveis excessivos e altos ndices de atenuao no

canal nas frequncias de interesse.

De maneira semelhante, possvel dizer que os sistemas

PLC so relativamente imaturos no que diz respeito ao acesso

de dados em redes. Em geral, problemas de compatibilidade

eletromagntica e emisso de dados so geralmente bastante

complexos em redes que se utilizam da tecnologia PLC.

Outro ponto so os desafios desta tecnologia. Os cabos de

energia no foram primeiramente projetados para suportar um

trnsito de dados, eles agem como filtros passa-baixa. O

projeto do canal PLC , portanto, bastante complexo, pois se

trata de um canal ruidoso que sofre tanto de rudos impulsivos

como rudos de fundo (background).

Finalmente, a falta de um padro global PLC faz com que

seja extremamente difcil o reconhecimento de estranhos a

esses sistemas. No existe um padro domstico estabelecido

para a implantao de uma rede PLC e, portanto, cada sistema

em diversos pases apresenta sua prpria particularidade.

II. COMPONENTES DE UMA REDE PLC

H um conjunto especfico de componentes que podem ser

usado em uma rede PLC. Primeiramente preciso indicar

como ocorre a transmisso dos sinais no canal PLC. A rede

PLC transmite os sinais da portadora pela rede de alta

voltagem(rede eltrica). Aps a transferncia destes sinais

linha eltrica, o sinal deve ser direcionado a um terminal

apropriado de forma a tornar possvel a entrega de dados.

Sabendo disso, os primeiros equipamentos indicados so os

transmissores e receptores. Montados em centrais de controle

onde so conectados rede utilizando cabos coaxiais que

evitam pertubaes nos sinais, como rudos externos que

ocorre em redes de alta tenso estes equipamentos so

responsveis pela conexo do canal com a rede PLC. Existema

ainda circuitos de filtragem para evitar que ocorra uma

intermodulao entre transmissores, causando distores nos

sinais. Em alguns casos, filtros passa-altos e passa-baixos

podem ser utilizados para isolar os equipamentos de

modulao. Podemos tambm citar os modems-PLC

responsveis por receber os sinais e direcion-los aos

dispositivos finais.

III. ARQUITETURA

Considerando a tecnologia PLC, interessante analisar a

arquitetura utilizada em modelos de comunicao reais. Como

o PLC se trata de uma forma de comunicao bastante verstil,

diversas arquiteturas foram desenvolvidas baseadas nas mais

variadas especificaes. Atualmente, a especificao

HomePlug o padro dominante em sistemas PLC em

praticamente todo o mundo, porm, outros padres crescem

rapidamente, fazendo com que o mercado e os conceitos de

arquitetura PLC mudem constantemente.

A seguir sero apresentados trs principais tipos de

arquitetura para sistemas PLC: arquitetura de Redes Eltricas,

de Meio Compartilhado e de Camadas.

A. Arquitetura de Redes Eltricas

Como anteriormente discutido, sistemas PLC permitem a

transmisso de dados via rede eltrica, que age como o meio

de propagao desses sistemas. Existe, portanto, uma dupla

funo do cabeamento em sistemas que utilizam tal

tecnologia. O meio fsico transporta tanto dados quanto

energia, ao contrrio de outros tipos de meio de propagao na

camada fsica como cabos coaxiais, fibra tica e etc, nos quais

a transmisso apenas voltada para dados. Portanto, a rede

eltrica e sua arquitetura so, para sistemas PLC, essenciais

para a compreenso e exposio dos conceitos desses

sistemas. Na arquitetura de redes eltricas, os sistemas PLC estaro

sujeitos s mesmas caractersticas que os sistemas eltricos j

apresentam. Como o suporte fsico em sistemas PLC o

mesmo que em sistemas de rede eltrica, natural perceber

que o mesmo no foi inicialmente projetado para carregar

dados, mas energia em uma determinada frequncia. Portanto

conceitos como os de impedncia, capacitncia, indutncia,

atenuao e resposta em frequncia so presentes em sistemas

PLC, e incrementados com o tratamento de mais um fator no

transporte, que so os dados.

B. Arquitetura de Meio Compartilhado

Ao se analisar um sistema PLC possvel interpretar a

topologia geral de uma rede eltrica como um meio

compartilhado. Isso significa que todos os equipamentos

responsveis pelos sinais PLC em um determinado sistema so

carregados em um mesmo meio compartilhado, transportando

os dados entre ns de uma rede local.

Tal tipo de arquitetura dependente do tipo de rede eltrica

que a tem como base, ou seja, a rede eltrica pode ser privada

ou pblica e o meio compartilhado visto como interno ou

externo aos sistemas analisados.

No caso de uma rede eltrica privada, a topologia

diversas vezes no padronizada e ausente de muitas regras de

especificaes de instalao e a arquitetura de meio

compartilhado ocorre antes da conexo com a rede pblica.

Em PLCs a rede eltrica privada interpretada como meio

compartilhado, pois prov energia e dados para os

equipamentos PLC de um prdio, por exemplo.

Fig. 1. Rede de transmisso pblica vista como um meio compartilhado

Em uma rede eltrica pblica a distribuio da rede

primeiramente em uma escala maior que uma rede eltrica

privada. Geralmente uma rede pblica responsvel por

interligar prdios, vizinhanas e bairros. possvel entender

uma rede eltrica pblica como um meio compartilhado que

age como uma interface entre diferentes redes eltricas

privadas.

Fig. 2. Rede de transmisso privada vista como um meio compartilhado

A partir dos conceitos de rede eltrica pblica e privada e

sabendo que neste modelo de arquitetura um meio

compartilhado est presente, possvel desenvolver uma

analogia com o conceito de redes de internet. Em uma rede

PLC diversos dispositivos PLC so conectados rede eltrica

e ligados a um concentrador, assim como em uma rede de

computadores, na qual diversos dispositivos de acesso a

internet so conectados via ethernet em um hub.

Fig. 3. Analogia entre uma rede PLC e um HUB de rede

C. Arquitetura em Camadas

Uma rede de dados pode ser representada de maneira

eficaz utilizando o modelo Open Systems Interconnections

(OSI) em camadas. Em sistemas PLC, tal modelo pode servir

como base para a anlise das principais caractersticas desta

tecnologia. As camadas representadas no modelo OSI na qual

sistemas PLC se encontram so a fsica e em alguns casos as

de enlace de dados, fornecendo acesso ethernet e ento

provendo s camadas superiores.

A camada fsica em sistemas PLC , de maneira geral, toda

a rede eltrica e seus cabeamentos. Para que o transporte de

sinais PLC atravs do meio seja possvel, a frequncia da linha

do circuito eltrico do sistema suplantada em um modulador

de sinal de baixa amplitude. A camada fsica pode, portanto,

ser considerada como o conjunto desses sinais modulados

transportados em um cabeamento eltrico atravs de uma

frequncia especfica.

Em sistemas PLC a camada de enlace de dados

corresponde a, geralmente, um terminal (PC) que possui

acesso ethernet e utiliza de protocolos MAC, sendo ainda

capaz de acessar servios de camadas superiores como HTTP,

TCP e semelhantes.

IV. FUNCIONALIDADES

Com o avano de tecnologias de redes tais como ADSL,

Wi-Fi e Ethernet, pode-se dizer que sistemas PLC usufruram

e sofreram evolues relacionadas diretamente a essas

tecnologias. Dentre as diversas funcionalidades possveis em

PLCs, so apresentadas trs das mais importantes na seo a

seguir.

A. Modo de Rede

Uma rede consiste de vrios dispositivos que trocam dados

entre si. O modo de rede em sistemas PLC representa uma das

maiores funcionalidades e ele trata o gerenciamento da troca

dados de modo que ela seja eficiente e organizada. Por isso

redes PLC implementam modos de organizao de rede como

Master-slave, Peer-to-Peer e Centralizado. Esses modos

tratam de como a organizao e a comunicao dos

dispositivos PLC devem ocorrer.

A tcnica de organizao Master-slave utiliza um

master, um medidor eletrnico e sua lgica, como o mestre da rede, enquanto os repetidores e outros dispositivos na rede

eltrica so os escravos, slaves. Este modo apresenta uma administrao centralizada, mas necessita de redundncia e

razoavelmente frgil quanto a sua segurana.

O modo de organizao Peer-to-Peer utiliza a distribuio

de banda , em analogia a uma rede Peer-toPeer de rede, onde

igualmente h dispositivos exercendo a mesma funo e

trocando arquivos e dados de modo descentralizado. uma

tcnica fcil de implementar mas no apresenta hierarquia de

rede.

Finalmente, o modo Centralizado diferente do modo Master-slave e do Peer-to-Peer pois envolve dois tipos de dispositivos PLC: dispositivos com um nvel hierrquico parecido e dispositivos centralizadores. Tal caracterstica faz com que o acesso mdio seja centralizado como em um sistema Master-slave, mas a troca de dados de forma direta entre os dispositivos, assim como no modo Peer-to-Peer.

B. Nvel de frame

Quando existe um trfego particularmente grande de

volume de dados, a transmisso entre dispositivos PLCs pode

no ser trivial. Para isso, o modo de gerenciamento de Frame

PLC basicamente indica as tcnicas de fragmentao e

montagem de dados com o objetivo de facilitar o transporte e

diminuir o volume bruto nos canais das redes.

Considerando o modelo de camadas OSI, diz-se que as

tecnologias PLC se comunicam atravs das camadas fsicas e

de enlace de dados. Com isso o conceito de encapsulamento

de dados possvel em transportes de mensagens PLC, com o

encapsulamento de endereos MAC alm do conceito de

algoritmos de fragmentao e montagem.

V. APLICACAES

Em razo da grande praticidade e relativa facilidade na

qual sistemas PLC podem ser integrados, a quantidade de

aplicaes para tais massiva. Esta seo apresenta algumas

das principais opes de aplicao que representam tanto a

atual situao quanto o futuro das redes PLC.

A. Multimdia

A primeira aplicao que pode ser observada se trata da

aplicao em Multimdia. No se trata de uma tarefa fcil a

implementao de voz e vdeo em tempo real em sistemas de

redes como o PLC. Entretanto, o futuro em comunicao se

mostra cada vez voltado para tal desenvolvimento, e os

sistemas PLC j so atualmente aplicados em voz, vdeo e

multimdia uma vez que redes PLC so usadas nos EUA e

Europa para transmisso de canais de TV, videoconferncias,

streaming e videogaming. Sistemas PLC tambm podem ser

usados em multimdia para transmisso de voz via telefone, e

igualmente para transferncia de imagens.

De qualquer maneira, esperado que sistemas que utilizem

PLC sejam capazes de tratar de toda a parte relacionada a

sincronizao e qualidade de servio em aplicaes

multimdia. Quanto sincronizao, este um assunto

bastante complexo e longe de ser trivial em sistemas PLC, que

so sistemas assncronos, pois no h gerenciamento de tempo

e os dados so transportados de maneira determinstica.

B. Smart Grid

Atualmente sistemas PLC j so aplicados no Smart Grid.

O Smart Grid uma aplicao de integrao de tecnologias de

comunicao e informao em redes de transmisso e

distribuio de energia. No Smart Grid as redes eltricas tem

seus medidores analgicos substitudos por medidores digitais

em tempo real, gerando dados em tempo real para anlises de

custo-benefcio, eficincia e confiabilidade. A relao entre

sistemas PLC e Smart Grid direta e bastante simples, tais

tecnologias se complementam em relao energia e

transporte de informaes.

C. Meios de Transporte

O tipo de tecnologia PLC j permite comunicao com a

rede de dentro de um veculo automotivo com suporte para

dados digitais de voz, msica e vdeo atravs de uma bateria

DC que utiliza PLC. Outras aplicaes automotivas utilizando

PLC so controladores de temperatura, sensores de clima,

mdulo de trancas e portas e detector de obstculos. PLCs tambm podem ser aplicados em sistemas de transporte

pblico de alta velocidade, como trens-bala, ou em navios

transatlnticos e at em pequenos avies.

D. Redes Locais

O uso de PLCs ao se construir uma rede local tanto em

ambientes domsticos como em empresas uma prtica

razoavelmente comum. Enquanto nos lares o uso de mais e

mais componentes capazes de ter acesso internet, em

ambientes profissionais as aplicaes em internet j so

cruciais. Em ambos os exemplos, a aplicao de sistemas PLC

principalmente usada com o intuito de se obter conexo

compartilhada de internet entre as mquinas de uma mesma

rede. Dois exemplos de PLCs em redes locais so o

compartilhamento de arquivos e de impressoras. Em ambos os

casos o conector RJ-45 usado e ento possvel tal

compartilhamento tendo a rede eltrica como meio de

propagao.

Existem ainda diversas outras aplicaes como o uso de

PLCs em medidores e sensores, que podem ser aplicados em

indstrias, pesquisas subaquticas, anlise de trnsito e

energia, e transmisso de rdio. Todas as aplicaes expostas

anteriormente dependem de um fator importante: capacidade

de canal disponvel nas redes de energia nas frequncias em

que so usadas.

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