Power Line Communications (PLC)

Power Line Communications (PLC)

PowerLine Communication (PLC, Comunicacin por lnea de potencia) es el nombre genrico para la transmisin de datos por el segmento de baja tensin de las redes elctricas, que va desde la subestacin elctrica al domicilio u oficina del cliente.

Sistema elctrico

Un sistema elctrico puede ser definido como el conjunto de elementos que hacen posible disponer de energa elctrica en cualquier punto en el que se considere adecuada o necesaria su utilizacin.

Las caractersticas ms importantes de un sistema elctrico son la frecuencia, la intensidad y la tensin.

La frecuencia es fija para cada sistema elctrico, pero puede variar de unos sistemas a otros. Por ejemplo, en Europa tiene un valor de 50 ciclos por segundo(50Hz), mientras que en Estados Unidos y en Canad tiene un valor de 60. En cualquier caso, sus valores siempre estn dentro de lo que se denomina frecuencia extremadamente baja o frecuencia industrial.

La intensidad circulante en un punto del sistema depende de la cantidad de energa demandada por los clientes, por lo que su valor puede variar continuamente.

Por lo que se refiere a la tensin, motivos tcnicos, econmicos y de seguridad obligan a que sea distinta en los puntos de produccin, en los puntos de consumo y en los distintos tramos de las lneas que los unen. Por ello, es necesario disponer en distintos puntos del trayecto que recorren estas lneas de elementos llamados transformadores, capaces de aumentar o disminuir la tensin.

Elementos del sistema elctrico

El sistema elctrico est integrado por una variada serie de elementos, entre los que cabe destacar los siguientes: Centros de generacin, lneas de transporte en alta tensin(AT), estaciones transformadoras(AT/MT), lneas de distribucin en media tensin(MT), centros de transformacin MT/BT, lneas de distribucin en baja tensin (BT), aparatos de medida y elementos consumidores.

- Centros de generacin

Son los elementos del sistema que producen la energa elctrica. Segn el recurso energtico que utilicen pueden clasificarse en instalaciones de energa renovables(hidrulica, elica, solar ...) y no renovables (carbn, gas, fuel, nuclear ...)

Lneas de transporte en alta tensin (AT)

Forman una malla que cubre el territorio y permiten el suministro de la energa desde los generadores que resulten ms adecuados en cada momento. Hay en ella distintos escalones de tensin, desde los 30.000 a los 400.000 voltios.

Las lneas de alta tensin son necesarias:

Para transportar eficientemente la energa elctrica a largas distancias.

Para satisfacer la demanda creciente de los centros de consumo.

Para incrementar la potencia transportada, disminuyendo el nmero de lneas necesarias.

-Estaciones transformadoras

Los transformadores adecuan la tensin a los distintos escalones de la red de transporte o a la tensin de la red de distribucin en media tensin.

-Lneas de distribucin en media tensin (MT)

Llevan la energa a los centros de transformacin. En grandes poblaciones suelen formar mallas, generalmente subterrneas, que unen los distintos centros de transformacin. La tensin en estas lneas vara desde 1.000 a 30.000 voltios.

-Centros de transformacin MT/BT

Reducen la tensin de forma apropiada para que la corriente pueda ser utilizada por los consumidores.

-Lneas de distribucin en baja tensin (BT)

Llevan la energa a los elementos consumidores. Tienen menos de 1.000 voltios.

-Aparatos de medida

Miden la energa consumida y facilitan su comercializacin. Se sitan en las instalaciones que son propiedad del consumidor de la energa.

-Elementos consumidores

Son los distintos aparatos y mquinas que utilizan la energa elctrica para funcionar.

Funcionamiento PLC

La tcnica consiste en acondicionar parte de las actuales infraestructuras elctricas para que puedan transmitir seales regulares de baja frecuencia y otras por encima de la banda de 1 MHz, sin que se vea afectado el rendimiento elctrico. Las seales de baja frecuencia (50 60 Hz, segn la red) son las encargadas de la transmisin de la energa, mientras que las seales de ms alta frecuencia pueden utilizarse para la transmisin de datos, circulando ambas simultneamente a travs del hilo de cobre.

Power Line emplea una red conocida como High Frequency Conditioned Power Network (HFCPN) para transmitir simultneamente energa e informacin.

Una serie de unidades acondicionadoras son las que se encargan del filtrado y separacin de ambas seales. As pues estas unidades acondicionadoras separaran la electricidad, que alimenta a los electrodomsticos, de las seales de alta frecuencia, que van a un mdulo o unidad de servicio, donde se reconvierten en canales de vdeo, datos, voz, etc.

En las subestaciones elctricas locales hay servidores de estacin base que se conectan a Internet generalmente a travs de fibra ptica. Esto quiere decir que no se utiliza toda la red elctrica para la transmisin de datos. La red elctrica consta de tres partes bien diferenciadas: los tramos de baja tensin, los de media y los de alta tensin. Los de baja tensin -equivalentes a la "ltima milla" o bucle de abonado en las redes telefnicas- conecta los hogares con las subestaciones de distribucin local. Es precisamente este tramo el nico que se utiliza en PLC. Las estaciones base de PLC tienen una estructura tpica de rack. Una localizacin puede llegar a contener unas doce unidades emisoras del tipo estacin base, cada una capaz de comunicar un canal. Los datos llegan a estas estaciones que las incorporan a la seal elctrica. Una estacin estndar sirve a unos cincuenta usuarios, ofrecindoles un espectro cercano a los 20 MHz en el caso de clientes prximos, o entre 6 y 10 MHz para clientes lejanos. El servidor opera con un sistema basado en IP para crear redes LAN en cada rea de servicio. Las unidades acondicionadoras situadas en los hogares de los abonados, que tambin pueden recibir el nombre de mdem elctricos o mdem PLC, tienen en su interior dos filtros.

El primero de ellos, el de banda baja, libera la corriente elctrica de 50 Hz para su distribucin a todos los enchufes de la casa. Este filtro adems sirve para limpiar los ruidos generados en la red por los electrodomsticos conectados en casa del usuario. Si se dejaran pasar esos ruidos, al unirse a los procedentes de otros usuarios de la red, acabaran por introducir distorsiones muy significativas.

En segundo lugar, el filtro de banda alta es el que libera los datos y facilita el trfico bidireccional entre el cliente y la red.

Lneas elctricas como medio de comunicacin

Para utilizar las lneas elctricas como medio de comunicacin ha sido necesario superar varias limitaciones:

-Efecto multicamino (Multipath effect)

Idealmente la comunicacin debera ser as:

EMBED PBrush Pero realmente es as:

EMBED PBrush esto es debido a las tomas que hay en las lneas y que provocan:

-Ecos y como resultado dispersin en el tiempo de la seal.

-Prdida de potencia.

As que la caracterizacin de la frecuencia del canal es de esta forma:

-Variabilidad temporal

Otro problema es que las condiciones del canal cambian con el tiempo:

EMBED PBrush -Ruido aadido(Ingress noise)

Ciertas frecuencias pueden ser afectadas por fuentes de ruido externa.

Si se dejaran pasar esos ruidos, al unirse a los procedentes de otros usuarios de la red, acabaran por introducir distorsiones muy significativas.

-Interferencias

Al poco tiempo de realizarse las primeras pruebas se comprob que algunas de las frecuencias no se podan usar porque generaban interferencias en otros servicios preexistentes. Por ejemplo, el uso de determinadas frecuencias en las cercanas de un aeropuerto poda interferir, y de hecho interfera, con las frecuencias de la torre de control y las de los radares de aproximacin. Tambin se puede llegar a interferir con las transmisiones convencionales de radio en FM o incluso en DAB, o con las de los servicios de emergencia, como bomberos o polica. El caso britnico resulta especialmente curioso. Tras diversas pruebas se comprob que los enchufes utilizados en ese pas tenan una forma que los convertan en perfectsimas antenas capaces de redifundir como seales de radio areas los datos de PLC, con lo cual cualquiera podra "escuchar" estas transmisiones violando la privacidad y la confidencialidad de las comunicaciones.

Otro de los problemas reside en el nmero mximo de hogares por transformador. Es necesario que todos los transformadores vengan dotados de servidores de estacin base Power Line. Y cuanto menor es el nmero de usuarios por cada transformador, ms se elevan las inversiones necesarias. Es por eso que en Europa ser ms rentable que en Estados Unidos, donde el nmero de usuarios por transformador suele ser de 10. En concreto el nmero de usuarios por transformador es :

Europa: 200-300 usuarios.

USA: 5-20 usuarios.

China: 200-300 usuarios.

Japn: 5-10 usuarios.Esta tecnologa todava no se ha estandarizado. En el mundo existen unas 40 compaas desarrollando el concepto. La organizacin internacional PLCForum trata de conseguir un sistema comn para todas. Como primer paso, esta entidad est negociando una especificacin para la coexistencia de distintos sistemas PLC. Espaa participa en este grupo a travs de Endesa Servicios y el fabricante valenciano de chips DS2.

Ascom es uno de los fabricantes que ms pruebas de campo estn realizando, de hecho la compaa elctrica alemana RWE, con tecnologa de la suiza Ascom, ya ha empezado a comercializar el servicio Powerline, a 2 megabits por segundo que da acceso a Internet por el hilo elctrico, esta compaa prevee incluir en el 2002 en la oferta las llamadas telefnicas con protocolo IP y en el futuro integrar el servicio domtico para el control remoto del hogar, desde la seguridad a los electrodomsticos. RWE cobra a los clientes segn la cantidad de datos que reciben.Las tarifas de RWE van desde unas 4000 pesetas al mes para 250 megabytes y 9000 pesetas para 2 gigabytes. El servicio para empresas de 10 gigabytes ser de 20000 pesetas. A esas cantidades hay que aadir el precio del mdem, entre 16000 pesetas y 30000 pesetas.

En la actualidad muchas compaas elctricas estn realizando intensivas pruebas de campo. En el caso espaol estas pruebas se estn llevando a cabo con pequeos grupos de usuarios, pero no van a pasar demasiados meses antes de que se inicien pruebas masivas, y probablemente para finales de este ao o principios del que viene comiencen pruebas piloto con ciudades enteras. Iberdrola lo hace en Madrid con tecnologa israel de NAMS, esta empresa ha solucionado los problemas derivados de interferencias y cortes de la red como consecuencia de su inestabilidad con un sistema de modulacin que distribuye 400 portadores a lo largo de una banda que va de 0 a 50 megahercios. Si falta un portador se puede eliminar. Union Fenosa realiza pruebas en Alcal de Henares con el sistema de Main.net otra firma israel .Por su parte Endesa tambin est embarcada en estas tecnologas, con dos experimentos de tecnologa diferentes y un total de 50 usuarios. En Barcelona se ha adoptado el sistema de Ascom, y en Sevilla se ha instalado equipos que integran un chip de tecnologa espaola fabricado por la empresa valenciana DS2, en la que Endesa participa con el 15% y que se explica detalladamente a continuacin.

Tecnologa PLC desarrollada por DS2

DS2 ha desarrollado su tecnologa PLC usando una tcnica de multi portador, orthogonal frequency divisin multiplexing (OFDM). El medio de transmisin es compartido en tiempo y en frecuencia.

Las ventajas del OFDM son una gran eficiencia espectral y robustez en canales de propagacin multiva. Un apropiado intervalo de guarda protege la seal contra distorsiones provocadas por fadings e interferencias entre smbolos (ISI) y permite el uso de redes de una sola frecuencia.

Cada una de las portadoras ortogonales de un smbolo OFDM se modula mediante una tcnica de QAM absoluto. Cualquiera de los esquemas de modulacin comunes utilizados con sistemas de una nica portadora se pueden utilizar con OFDM.

DS2 usa 1280 OFDM portadoras. Al utilizar un gran nmero de portadoras se consigue:

La sincronizacin es ms robusta y simple.

Es ms fcil adaptarse a cortes e ingresos.

Mejor inmunidad a ruidos impulsivos.

Incrementos de robustez frente a distorsiones provocadas por fadings

La tasas de datos por subportadoras se adaptan dependiendo del SNR(Distancia seal-ruido) detectado. Esta caracterstica es tecnologa exclusiva de DS2 y da una excepcional adaptabilidad a las condiciones del canal.

Se consigue:

- Tasa de datos de hasta 45Mbps

- Eficiencia de modulacin de hasta 7,25 bps/Hz

- Los subcanales estn solapados, as se consigue un eficiente uso del espectro ahorrando ancho de banda.

DS2 pretendi que el protocolo utilizado tuviera las siguientes caractersticas:

Eficiencia: No pagar por capacidad no usada.

Variable bit rate: Transmisiones orientadas a paquetes.

Constant bit rate: Streaming media.

Baja latencia: Voice over IP.

Diferentiatted QoS: Multimedia

Su solucin es tener un MAC master/slave:

EMBED PBrush

Resumiendo las ventajas de la tecnologa powerline de DS2 son:

Alta tasa de bits conseguida: (hasta 45 Mbps)

Alta eficiencia (7,25 bps/Hz)

OFDM con 1280 portadoras adaptables para un mximo rendimiento en cualquier red..

Bpc adaptables dependiendo de SNR

Bajo coste por bit (alta integracin).

QoS adaptables(a necesidades de servicios y usuarios)

IP y SNMP 100% compatibles

Acceso y servicios en casa.

-Bus compartido: Powerline ofrece una conexin punto-multipunto. Los usuarios comparten los coste de la instalacin.

No se necesita nuevo cableado

La red elctrica llega a 3000 millones de personas en el mundo.

Nuevas oportunidades de negocio tanto para las compaas elctricas que podrn diversificar sus operaciones entrando en el mercado de las telecomunicaciones como las PTTs y los operadores de cable que tendrn fcil y barata la solucin en la ltima milla

LAN en casa: Los equipos en casa se comunicarn fcilmente mediante la red elctrica permitiendo control y acceso remoto.

Acceso Real broadband en casa al ms bajo costo: Servicios como video bajo demanda, internet de alta velocidad , voice over IP y otros estarn disponibles para todos.

Diagrama de bloques del mdem desarrollado por DS2:

El mdem est compuesto por un interfaz host (PCI, USB, Ethernet, Wireless LAN o otros), los bloques de modulacin digital (DSS4200) y el Analog Front End(AFE).

Los datos de los bloques de modulacin digital se envian/reciben a/desde el AFE. El camino de transmisin covierte los datos a analgicos, as como realiza el filtrado y la amplificacin de la seal antes de enviarla a la lnea elctrica.

Un Line Coupler protege el mdem del alto voltaje de la red elctrica y permite que pasen las seales de datos de alta frecuencia.

En el camino de recepcin se amplifica y filtra la seal antes de la conversin analgica-digital y los bloques de demodulacin digital.

El interfaz digital interacta con los datos de entrada y de salida.

El bloque de proceso de datos lo que hace es construir los paquetes aadiendo correccin de error y otros datos.

Digital Front End: Aqu se implementa la modulacin digital OFDM.

Analog Front End: Interacciona con la lnea elctrica en el campo analgico.

Line Coupler: Aisla y protege los equipos terminales de la red elctrica con mnima prdida de seal.

EMBED PBrush

EMBED PBrush

Principales caractersticas de DSS4200:

45 Mbps data-rate; 27 Mbps downstream y 18 Mbps upstream.

- Full duplex, punto a multipunto, enlace de comunicacin orientado a paquetes.

Dos rangos de espectro para operar: Link1(access) y Link2(LAN) completamente programables entre 1 y 38 Mhz.

-Conforme a los standards ETSI y CENELEC para acceso y LAN.

-El rendimiento de la modulacin es de hasta 7,25 bps/Hz.

Modulacin OFDM con1280 portadoras adaptables para mximo rendimiento en cualquier red.

-Canal SNR continuo de monitorizacin.

-Bit rate adaptable por portadora dependiendo de las condiciones del canal SNR.

Master/Slave MAC para optimizar el uso del ancho de banda disponible.

-Integrado VCXO control logic.

-Espectro programable via transmision power mask.

Adaptable interleaved Reed Solomon forward error correction.

-Funciona hasta 1 dB de SNR.

-Tasas de error optimizadas para TCP/IP, y programables para otras aplicaciones.

Soporta mensajes broadcast.

-SNMP y encriptacin.

-Manejo de Quality- of-Service.

Hasta 254 usuarios (512 en versiones futuras)

-Paquete PBGA304.

Drivers disponibles para Windows & Linux.

El objetivo de DS2 ahora es conseguir la integracin de los diferente bloques en uno slo, reduciendo costos e incrementado el rendimiento:

Este es el esquema de funcionamiento:

La casa del cliente requerir un MODEM Powerline CPE( Customer Premises Equipment) que contiene un chipset DS2.

Un MODEM Powerline de alta velocidad HE (Head End) que contiene el chipset DS2 se instala en el transformador MV/LV.

Un backbone proporciona las necesidades del vecindario en trminos de ancho de banda.

HE inyecta la seal que proviene del backbone.

Home Gateway permite que varios nodos se conecten a la LAN y compartan la conexin de alta velocidad. Se consigue una eficiente reutilizacin de la frecuencia LAN a LAN .

Cualquier otra tecnologa de acceso puede usar las caractersticas de Home Gateways.

Direcciones de inters:

PLCFORUM: www.plcforum.org ASCOM: www.ascom.comMAIN.NET www.mainnet.co.il NAMS: www.nisko-metering.com

DS2: www.ds2.es IBERDROLA: www.iberdrola.es

ENDESA: www.plcendesa.es UNION FENOSA: www.unionfenosa.es

RWE: www.rwe-powerline.de/en/we/index.htm

Bibliografa:

Campos elctricos y magnticos de 50Hz UNESA

- DS2: www.ds2.es

- www.idg.es/comunicaciones/mainart.asp?artid=121622-ENDESA: www.plcendesa.es Artculo del peridico El Pais 5 abril 2001 Las elctricas podrn solicitar licencias para llevar Internet a casa

-Artculo en Yahoo Noticias 4 julio 2001 Lanzamiento comercial de Internet por la red elctrica en Alemania

Agradezco la amabilidad del Sr. Ramn Garcia Customer Support Engineer de la empresa DS2 por la informacin facilitada.

Trabajo realizado por: Mnica Almendros Garca