Engenheiro de Telecomunicações pela Universidade Católica de Petrópolis (Julho 2008)

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1 BPL (Broadband Over Powerlines) I: Características e Aplicações O objetivo desta série de tutoriais é apresentar um estudo detalhado sobre os novos sistemas de comunicações PLC/BPL (Power Line Communications / Broadband over Power Line). Para tanto será apresentada uma parte teórica sobre a tecnologia, e os resultados de um teste prático, realizado através de medidas que foram obtidas e gentilmente cedidas pela parceria Inmetro/Anatel/CNPq. Os experimentos foram realizados no CPqD, em Campinas-SP, com estações de rádio HF instaladas em Campinas e Brasília-DF. Os tutoriais foram preparados a partir do trabalho de conclusão de curso BPL (BROADBAND OVER POWERLINES) - Estudo da funcionalidade dos equipamentos BPL em redes elétricas de médias tensões em freqüências HF, elaborado pelo autor, e apresentado à Escola de Engenharia da UCP como requisito para a conclusão do Curso de Engenharia de Telecomunicações. Foi orientadora do trabalho a Profa. Maria Cristina Quesnel, Coordenadora do curso. Este tutorial parte I descreve o funcionamento da rede elétrica em si, bem como as adaptações que a mesma sofre para se adequar às aplicações do PLC, e a seguir foca as técnicas de transmissão que os sistemas PLC utilizam para transportar seus sinais, desde as antigas técnicas testadas até as atuais, dando uma atenção especial para a modulação OFDM e suas derivadas, sendo estas as mais utilizadas atualmente. Rafael Teixeira de Andrade Engenheiro de Telecomunicações pela Universidade Católica de Petrópolis (Julho 2008) Atualmente está cursando Mestrado em Engenharia Elétrica na Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, na área de sistemas de comunicações, em tempo integral, além de estar cursando MBA em Comunicações Móveis na Universidade Federal Fluminense. rafaeltandrade@gmail.com Categoria: Banda Larga Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 20/09/2010 1

2 BPL I: Introdução A tecnologia BPL (Broadband over Power Line) ou PLC (Power Line Communications) é a tecnologia de comunicação de dados, voz ou imagem que utiliza a rede de energia elétrica como meio de transmissão. O princípio de trafegar outros sistemas pela rede elétrica não é novo, pois há quase nove décadas atrás, já se tinha registros de transmissões de voz por redes elétricas de alta tensão. Nesta época as concessionárias necessitavam estabelecer comunicações entre suas unidades e pretendiam monitorar e gerenciar as redes. Em 1920, com modulação AM, a comunicação de voz sob redes elétricas utilizava uma faixa de 15 a 50 khz. Não existiam os conhecimentos de métodos de codificação nem existiam sistemas digitais para implementações de técnicas avançadas. Embora se tenha esta como uma das primeiras técnicas de transmissão, não se pode esquecer que as características do sinal de dados são bem diferentes do sinal de voz. Como a rede de telefonia não era apta para estabelecer estas atividades foi necessário desenvolver técnicas específicas de transmissão de dados pela rede elétrica. A primeira técnica que possibilitou a utilização da rede de distribuição de energia elétrica para transmissão de alguns sinais de controle foi desenvolvida em Conhecido como RPC (Ripple Control), caracterizava-se pela utilização de baixas freqüências (100 a 900 Hz), possibilitando comunicação a taxas bem baixas e potência elevada para a transmissão. O sistema possibilitava comunicação unidirecional, sendo utilizadas tarefas simples como o acionamento da iluminação pública e o controle de carga. As técnicas de transmissão desenvolvidas permitiam somente o tráfego de dados de banda estreita uma vez que a utilização da rede para monitoramento e gerenciamento exigia um baixo tráfego e não era uma atividade regular. As redes elétricas sempre foram projetadas para basicamente obterem a menor perda de energia na transmissão, sem considerar qualquer requisito para telecomunicações. Até a década de 80, novos sistemas com taxas ainda modestas foram desenvolvidos. As primeiras investigações no sentido de analisar as características da rede elétrica e as reais capacidades da mesma como canal para comunicações foram conduzidas por algumas empresas de energia na Europa e Estados Unidos, ainda nos anos 80 [4]. As faixas de 5 a 500 khz eram as mais consideradas e dois fatores tiveram predominância nestes estudos: a relação sinal/ruído e a atenuação do sinal na rede. O crescente interesse na utilização das redes de distribuição de energia elétrica como uma alternativa para o fornecimento de diversos serviços de telecomunicações, notadamente voz e dados com alta velocidade na chamada última milha, rede de baixa tensão conectada ao usuário final, motivou e tem motivado a pesquisa e o desenvolvimento de sistemas capazes de superar as características hostis deste ambiente como canal de comunicação. A forma acentuada com que o uso da internet tem crescido nos últimos anos contando com aplicativos sofisticados e incorporando recursos multimídia, faz com que seja cada vez mais interessante contar com sistemas que, além de proporcionarem altas taxas de transmissão, forneçam conexão permanente ou dedicada aos usuários. Os sistemas BPL possibilitam uma boa opção adicional de prover dados em banda larga para áreas urbanas e rurais, aumentando a competitividade no fornecimento de serviços de comunicação de dados em banda larga e provendo o serviço para áreas de difícil ou limitado acesso. Como mencionado, o princípio de funcionamento desta tecnologia não é novo, entretanto, apenas nos últimos quatro anos aproximadamente, com o advento dos novos equipamentos de conectividade, a tecnologia tem sido 2

3 avaliada e considerada por algumas empresas e incluída em planos de ação social do governo federal. No entanto, a tecnologia PLC usa a faixa de freqüências de 1,705 MHz a 80 MHz sobre linhas de distribuição de energia elétrica e a disseminação de sistemas de comunicação de dados utilizando esta tecnologia sem normalização e homologação dos equipamentos pode contaminar o espectro reservado em ambientes que operem com serviços baseados em radiofreqüência nesta faixa. Podem ser citadas utilizações clássicas dessa parte do espectro como o Serviço Móvel Aeronáutico (inclui-se comunicações de tráfego aéreo), Serviço Fixo Aeronáutico, Serviço Móvel Marítimo, canais para uso em correspondências governamentais, faixas de freqüências para uso exclusivo militar, Serviço Fixo, Radioamador e outros. Nas últimas publicações da Anatel referentes ao BPL/PLC, constam inúmeras reclamações a respeito das interferências causadas pelos equipamentos do sistema BPL/PLC. Dentro das suas atribuições, a agência deverá estabelecer um conjunto de normas técnicas e recomendações operacionais para homologação de funcionamento de equipamentos do sistema BPL/PLC para minimizar a interferência em outros serviços autorizados de radiocomunicação. Para evitar possíveis contaminações do espectro e viabilizar a convivência dos sistemas BPL/PLC, proporcionando a devida compatibilidade eletromagnética, com os demais serviços alocados nas faixas em questão, tornam-se necessários estudos que especifiquem os devidos processos de mitigação, indiquem as faixas a serem protegidas e os limites para a operação dos equipamentos BPL/PLC. Este trabalho, teórico e de medição experimental com sistemas reais em operação, visa caracterizar essas contaminações no espectro eletromagnético, através de testes já realizados pela própria Anatel, e visa também fornecer material técnico especializado para colaborar com a recente parceria feita por Anatel/CNPq/Inmetro. O estudo apresentado neste trabalho demonstra resultados de ensaios efetuados no CPqD, em Campinas-SP, com um sistema de comunicações de voz e dados em HF com estações em Campinas e Brasília, operando no mesmo ambiente com sistemas PLC instalados em um trecho de aproximadamente 380 metros, em rede de energia elétrica de média tensão. Motivação A principal motivação para a realização deste trabalho foi minha participação nas medições da compatibilidade eletromagnética entre sistemas PLC e outros sistemas de telecomunicações, sendo estas realizadas no período em que estive estagiando no Inmetro, no ano de Estudos diversos têm sido realizados sobre a compatibilidade eletromagnética de sistemas PLC em relação aos demais sistemas atuantes na faixa de HF, para assegurar um funcionamento de todos eles de forma coexistente. A importância de nossos testes reside na viabilização da implantação desta nova tecnologia no Brasil [14]. A Anatel tem feito estudos em cooperação com outras instituições de ensino e pesquisa, no intuito de garantir esta coexistência dos diversos sistemas existentes, o que dentre muitos benefícios, tornaria mais próximo da realidade o processo de inclusão social e digital de áreas periféricas com pouca ou nenhuma disponibilidade de infra-estrutura para comunicação de voz e dados. Estes sistemas já têm sido utilizados experimentalmente em algumas regiões do país. 3

4 Através destas medições visa-se caracterizar a interferência eletromagnética gerada e percebida pelos sistemas PLC em relação a outros sistemas pré-existentes, o que viabilizará o estudo de possíveis alternativas para se chegar à coexistência harmônica entre os mesmos, o que colocaria então à disposição dos governos e da sociedade o recurso de poder utilizá-lo como alternativa para suprir deficiências de logística de distribuição de pontos de comunicação de dados e voz com rede de banda larga. Esta deficiência logística se deve ao alto custo de implantação de uma infra-estrutura de rede cabeada e de comunicações sem fio (wireless), agravada pela viabilidade econômica de atendimento a poucos usuários. Em regiões urbanas as alternativas tradicionais ainda apresentam-se como as mais vantajosas economicamente, devido à quantidade e concentração de usuários, o que possibilita um maior compartilhamento de recursos e de custos. Entretanto, isto já não ocorre em regiões que as empresas de telecomunicações julgam que não proporcione um retorno financeiro que justifique o investimento, como periferias destes centros urbanos, comunidades carentes e as zonas com baixa densidade demográfica e baixo índice de linhas telefônicas instaladas por habitante. A importância da tecnologia PLC no plano de governo atual para a inclusão social e digital é que a mesma utiliza um meio de acesso com infra-estrutura instalada e presente em quase todos os domicílios do país. Fato que reduz os custos de implantação do serviço e da utilização dos acessos à banda larga para o usuário final. Objetivo Os objetivos desta série de tutoriais os seguintes: Entender a tecnologia PLC, suas aplicações práticas e possíveis melhorias que a mesma poderá trazer para o mercado das telecomunicações do país. Analisar possíveis interferências dos sistemas PLC em outros sistemas de telecomunicações operantes no país. Tentar obter uma perspectiva de futuro para esta tecnologia. Estrutura dos Tutoriais Os dois tutoriais da série apresentam em sua parte introdutória uma breve introdução sobre a tecnologia PLC, a motivação para pesquisar sobre este tema, o objetivo do trabalho e a estruturação da série de tutoriais. Este tutorial parte I descreve o funcionamento da rede elétrica em si, bem como as adaptações que a mesma sofre para se adequar às aplicações do PLC, e a seguir foca as técnicas de transmissão que os sistemas PLC utilizam para transportar seus sinais, desde as antigas técnicas testadas até as atuais, dando uma atenção especial para a modulação OFDM e suas derivadas, sendo estas as mais utilizadas atualmente. O tutorial parte II descreverá as aplicações atuais e futuras do PLC, nas áreas das telecomunicações, da informática e da eletricidade, descreverá as primeiras pesquisas e testes realizadas no Brasil para a tecnologia PLC, bem como alguns projetos pilotos aplicados no país, os testes de medição de compatibilidade eletromagnética em sistemas PLC de média tensão, realizados em 2007, realizados pela parceria criada por Anatel/INMETRO/CPqD, visando homologar equipamentos PLC no país, e a 4

5 finalmente apresentará a conclusão do trabalho. 5

6 BPL I: Propriedades do Sistema Elétrico Sistema Elétrico Usado para a Transmissão de Sinais de Telecomunicações As linhas de transmissão para telecomunicações buscam sempre obter uma melhor resposta de freqüência e podem ser caracterizadas por possuírem uma uniformidade ao longo de sua extensão, apresentando valores de capacitância, indutância e resistência, série e paralelo, em qualquer que seja o trecho estudado. Dentre os principais parâmetros dessas linhas estão: Impedância característica uniforme esta condição garante que, uma vez realizado o casamento de impedâncias entre linhas ou entre uma linha e um equipamento, não ocorrerão reflexões de sinal e ondas estacionárias que prejudicam a qualidade dos dados em transmissão. As reflexões ocorrem por descontinuidades no valor da impedância característica ao longo da linha. Quanto mais precisa, estável e uniforme forem as características dimensionais, elétricas e construtivas, melhor será o desempenho da linha. Baixa interferência eletromagnética em redes de cabeamento metálico, o campo eletromagnético gerado em torno da linha irá interferir em outras redes próximas, e de forma análoga, a linha em questão poderá sofrer interferências causadas por campos eletromagnéticos produzidos por outras linhas. A condição próxima da ideal é alcançada utilizando-se linhas blindadas como cabos coaxiais e guias de onda. As redes ópticas são imunes a interferências eletromagnéticas. Alta resposta de freqüência permite que sinais enviados através da linha sejam recebidos com amplitude suficiente para serem detectados na presença de ruído, sem que seja necessária utilização de grandes amplitudes, o que muitas vezes inviabiliza a transmissão. Tipos de Redes para Transmissão de Dados A seguir são apresentados os principais tipos de redes de transmissão de dados. Redes Elétricas de Alta Tensão Geralmente são redes acima de 110KV. São redes utilizadas para interligar os centros de geração aos centros de consumo, geralmente percorrendo grandes distâncias. Este nível de tensão é marcado principalmente pelas perdas por efeito Joule e por capacitâncias e indutâncias parasitas. As redes de alta tensão foram projetadas para transporte da energia das usinas de geração até as estações consumidoras, localizadas a dezenas ou até centenas de quilômetros de distância. Por esse motivo, o custo se tornou um fator importante, o que levou o sistema trifásico (a três fios) se tornar predominante em todas as plantas de distribuição do mundo. Alguns fatores importantes podem ser observados com relação ao sistema a três fios. Esta configuração permite a geração de tensões de mesma amplitude com defasagem de 120º entres as ondas senoidais, melhor geometria na construção das torres de transmissão e melhor transmissão de potência. Redes Elétricas de Média Tensão Geralmente redes entre 10KV e 70KV. São Usadas para consumidores de grande porte e possuem 6

7 subestações próprias para alimentar sua planta. Pode-se facilmente identificar a distribuição secundária, sendo quatro fios que ficam arranjados na posição vertical, contendo um neutro e três fases. Essas redes possuem comprimentos de 5 até 25 Km e se distribuem geralmente no interior das áreas urbanas e rurais, alimentando indústrias e transformadores abaixadores de distribuição. Atualmente as redes aéreas estão sendo substituídas por linhas subterrâneas nos grandes centros urbanos. A LIGHT, empresa responsável pelo fornecimento de energia no Rio de Janeiro, mantém como padrão as tensões de 13,8 e 25 kv. As redes de média tensão são responsáveis pela interligação entre as subestações. Este nível de tensão pode também ser utilizado no fornecimento de energia elétrica aos consumidores de maior porte como indústrias, hospitais, condomínios, grandes edifícios e etc. No Brasil, as tensões padronizadas são 13,8 kv (alimentação de transformadores de distribuição e médios clientes) e 25 kv (grandes indústrias). No cenário brasileiro atual, podem ser encontrados três diferentes tipos de linha de transmissão para média tensão [9]: Linha convencional de média tensão construída com condutores de cobre ou alumínio, puros ou revestidos com material isolante e montados sob travessas de madeira no alto dos postes. A distância entre os condutores pode variar entre 50 e 100 cm, dependendo da tensão utilizada. Linha compacta de média tensão ou Spacer-Cable também com característica aérea, utiliza afastadores capazes de manter uma distância de 10 a 20 cm entre os cabos, criando uma disposição losangular, suspensos por um cabo guia. Os condutores empregados são sempre isolados nesse tipo de construção. Linha multiplexada de média tensão são linhas formadas por três condutores isolados e blindados, que são torcidos juntamente com um cabo guia, o qual é utilizado para sustentação do sistema. Atualmente, está em grande utilização devido menor complexidade quando comparado as linhas convencionais e compactas. Redes Elétricas de Baixa Tensão Geralmente são redes de até 0,5 KV. Este é o nível de tensão derivado do enrolamento secundário do transformador de distribuição e que efetivamente chega à maioria das unidades consumidoras. A natureza dinâmica com que as cargas são inseridas e removidas da rede, as emissões conduzidas provenientes dos equipamentos e as interferências de diferentes naturezas fazem deste ambiente o mais hostil, para a transmissão de sinais, dentre os três níveis de tensão apresentados Aumentando ainda mais a capilaridade do sistema elétrico, está a rede de baixa tensão. Ela é responsável por atender os consumidores em suas residências, comércios e pequenas indústrias. Por atingir raios de 100 até 500 m, ficou conhecida como a última milha (Last Mile) e, embora se apresente como a melhor opção para a disseminação das telecomunicações sobre a rede elétrica, este segmento sofre bastante interferência devido a eletrodomésticos, motores e outros equipamentos que estão constantemente sendo conectados e retirados do circuito. Neste segmento da topologia, os valores padrões de tensão podem ser fornecidos em circuitos monofásicos de 127 ou 220 V, ou ainda em circuitos bifásicos e trifásicos de 220 ou 380 V. O 7

8 fornecimento de circuitos em 440 V se destina apenas a pequenas indústrias que possuem motores e outros equipamentos bastante específicos. A tensão de fornecimento é definida pela concessionária local, considerando aspectos técnicos e econômicos. No Brasil, encontramos três diferentes tipos de linhas de transmissão para este tipo de rede [9]: Linha convencional de baixa tensão construída com condutores de cobre ou alumínio, tendo as 3 fases revestidas com material isolante e o neutro nú. O sistema é montado em disposição vertical junto aos postes de distribuição com distância entre os condutores variando de 15 a 30 cm. Linha multiplexada de baixa tensão são linhas com construção semelhante às linhas multiplexadas de média tensão, porém, neste caso, os condutores não possuem blindagem. Linha subterrânea de baixa tensão as redes subterrâneas utilizam condutores de cobre isolados não blindados para as fases e nús para o neutro. Podem ser classificadas em radial, pois a rede secundária parte de apenas um transformador, ou malhada, porque vários transformadores interligados e alimentados por diferentes redes primárias formam uma rede secundária em malha, que se estende por várias quadras. Esta configuração é largamente utilizada em grandes centros urbanos. Propriedades do Sistema Elétrico Esta seção analisa, independente do nível de tensão da rede, as propriedades físicas da rede elétrica como meio de transmissão para sinais de alta freqüência, caracterizando as bandas de utilização, o circuito de acoplamento e as principais limitações da tecnologia, como atenuação e interferência. A rede de distribuição de energia elétrica em geral é um meio de transmissão hostil, no sentido de apresentar um nível de ruído muito elevado e, ainda, de ter uma impedância muito variável em diversos pontos da rede ou no mesmo ponto ao longo do tempo. Atualmente, para a transmissão de dados é utilizado freqüências portadoras bastante elevadas, da ordem de khz ou até mesmo MHz, o que leva os transformadores de distribuição, que interligam os diferentes níveis de tensão, a atuarem como um obstáculo natural causando um isolamento perfeito entre os circuitos primário e secundário. Outro problema grave que pode ser encontrado é o fato do descasamento de impedâncias entre diferentes tipos de cabos produzir uma reflexão acentuada dos sinais de dados que estejam sendo transmitidos, impedindo sua propagação pela rede. A figura 1 [8] mostra o diagrama básico de um sistema de comunicação PLC, onde podem ser vistas as unidades de transmissão e recepção, bem como os circuitos de acoplamento e o meio de transmissão, neste caso a rede elétrica. 8

9 Circuito De Acoplamento Figura 1: Diagrama básico de um sistema de comunicação PLC A base da tecnologia em questão está na modulação e no acoplamento da rede de dados (alta freqüência) com as redes elétricas (baixa freqüência - 50 ou 60 Hz). Ao se transmitir um sinal é desejável que o mesmo possua o mais alto valor de amplitude possível, para que o receptor seja capaz de identificá-lo mesmo que este apresente atenuação. Considerando que a rede elétrica sofre com distúrbios harmônicos e impulsivos, se faz necessária uma segura separação entre os circuitos de transmissão/recepção e o meio elétrico, sem que ocorram interferências a ponto de corromper a informação que está sendo transmitida. O circuito acoplador apresentado nesta seção tem por função inserir e retirar o sinal analógico no meio de transmissão, ao mesmo tempo em que mantém eletricamente isolada a parte eletrônica da rede. Associado a ele, estão os dispositivos de modulação, multiplexação e correção de erros, que permitem altas taxas de transmissão. O acoplamento na rede elétrica normalmente é feito em paralelo, podendo ser em circuitos monofásicos (fase-neutro) ou em circuitos bifásicos (fase-fase), sendo o último de maior rendimento devido à simetria do dispositivo acoplador [10]. A possibilidade de acoplamentos em série também já foi estudada, porém não é utilizada devido ao custo na interrupção dos cabos. Figura 2: Diagrama esquemático da unidade de acoplamento A figura 2 [8] mostra o esquema básico do filtro passivo, utilizado como acoplador entre o transmissor/receptor e o meio de transmissão, apresentado na figura 1. O filtro é composto de um transformador tipo toróide T de indutância mútua L que, juntamente com o capacitor C, formam um circuito ressonante em série, o qual atua como um filtro passa-alta removendo as freqüências de 50 e 60 Hz, além de harmônicos e qualquer outro espectro de baixa freqüência que esteja na rede. O varistor é formado por diodos de alta capacidade de condução e de resposta (alguns nanossegundos), o que permite converter elevados picos de tensão em calor sem sofrer qualquer dano. Sendo assim, atua como uma unidade de proteção que minimiza os efeitos dos ruídos impulsivos existentes na rede, e que podem danificar o dispositivo transmissor/receptor. Os ruídos impulsivos serão explicados na próxima seção. Embora a estrutura do dispositivo acoplador seja a mesma para transmissor e receptor, existem algumas diferenças que devem ser consideradas. No lado do transmissor, em virtude da elevada amplitude do sinal, se faz necessário um rígido acoplamento, contribuindo com um mínimo de atenuação para a passagem do sinal que está sendo 9

10 injetado na rede. Neste caso o resistor R, figura 2, deve ter valor inferior a 1 Ω - 1 W [10]. No lado do receptor, não se faz necessário um acoplamento tão rigoroso, visto que a amplitude do sinal não é mais tão elevada. Porém, é desejado um acoplamento que permita uma ótima filtragem das interferências geradas pelo canal. Desta forma, o valor do resistor R deve ser maior que o valor da impedância da rede. Em prática, entre 100 e 150 Ω - 1 W [10]. Em virtude da freqüência de dados (acima de 20 khz) ser de 400 até 3000 vezes maior que a freqüência da rede (50 ou 60 Hz), relação de transformação N1:N2 normalmente varia entre 1:2 e 1:4 no lado do transmissor e 1:1 no lado do receptor [10]. Modelo Completo do Canal O modelo completo do canal, considerando múltiplos percursos e perdas no condutor, é apresentado na figura 3 [8]. A propagação do sinal não pode ser descrita por um caminho direto entre o transmissor e o receptor sendo que caminhos adicionais, formando uma componente de eco do sinal, devem ser considerados, como mostra a figura 3: Figura 3: Estrutura básica do modelo multipercurso A equação (1) [10] descreve o modelo de múltiplos percursos no domínio do tempo, onde a função de transferência h(t) é caracterizada por: N, número de ecos existentes; τ i, coeficiente de atraso dos ecos e por α i, atenuação no sinal do eco pelo percurso: (1) Onde: h(t) - função de transferência em função do tempo, [adimensional]; N - número de ecos existentes, [adimensional]; α i - atenuação no sinal do eco pelo percurso, em [db]; δ (t - τ i ) - atraso dos ecos, levando em conta o tempo de atraso e o coeficiente de atraso, em [µs]. A partir da equação (1), a função de transferência no domínio da freqüência pode ser calculada e está representada pela equação (2) [10], onde o coeficiente α i, não depende somente do comprimento do cabo, mas também da freqüência: 10

11 (2) Onde: H(f) - função de transferência em função da freqüência, [adimensional]; N - número de ecos existentes, [adimensional]; α i - atenuação no sinal do eco pelo percurso, em [db]; 2πf velocidade angular, em [rd/s]; τ i coeficiente de atraso de ecos [adimensional]. Os condutores apresentam em geral uma característica de atenuação que aumenta com o comprimento do mesmo e a freqüência utilizada. Com base nas características de propagação e na extensiva análise dos dados obtidos com as medições [11], alguns parâmetros para as perdas nos condutores podem ser levantados. Como resultado, o canal PLC apresenta um comportamento com múltiplos percursos e desvanecimento em determinadas faixas de freqüência. A equação (3) [12] apresenta o modelo proposto, combinando estes dois fatores e ainda propõe a utilização de um fator de ponderação para cada percurso existente. Considerando o fato de que quanto maior for o percurso maior será a atenuação, o modelo considera, ao invés de infinitos percursos, uma aproximação por um número finito de percursos dominantes: (3) Onde: i número do percurso, tendo o percurso mais curto o índice i = 1, [adimensional]; a 0, a 1 parâmetros de atenuação, geralmente constantes para cada tipo de caso, em [db]; k expoente do fator de atenuação (valores típicos em 0,5 e 1,0),[adimensional]; c i ponderação referente ao percurso, [adimensional]; d i comprimento do i-ésimo percurso, em [m]; v p velocidade de propagação no meio, em [m/s]; f freqüência da portadora, em [Hz]. Uma vantagem interessante pode ser tirada do modelo apresentado. O fato dos ecos serem atenuados por completo em percursos longos e apenas as reflexões maiores serem detectadas pelo receptor, um pequeno número de ecos pode ser considerados na equação. Na maioria dos casos, 3 a 5 percursos permitem ao modelo caracterizar sistemas com aproximadamente 40 reflexões ao longo do cabo. Desta forma, o número de percursos considerados, N, controla a precisão do modelo fazendo com que o mesmo possa ser utilizado em diferentes aplicações tais como: 11

12 Levantamento de perfis aproximados de atenuação, considerando-se apenas o caminho direto entre o transmissor e o receptor; Levantamento de modelos detalhados de links específicos no qual um grande número de percursos é considerado; Definição de alguns modelos de referência caracterizando diferentes topologias através do uso de um número moderado de percursos. Atenuações A principal dificuldade encontrada pelos projetistas de sistemas de comunicação está em vencer as limitações físicas do meio de transmissão. Estas limitações atenuam e distorcem o sinal podendo deixá-lo incompreensível para o receptor. Nas redes PLC, esta preocupação é ainda maior. Devido ao compartilhamento da rede elétrica como meio de transmissão, os sinais de alta freqüência sofrem os efeitos da atenuação e da interferência eletromagnética de forma mais acentuada. Existem diversos modos de atenuação para estes sinais, porém serão abordados somente os dois mais comuns: Atenuação em Altas Freqüências Embora as transmissões de energia (baixa freqüência e alta potência) e de dados (alta freqüência e baixa potência) serem afetadas pelas mesmas propriedades físicas, existe uma considerável diferença nas intensidades das atenuações para diferentes faixas de freqüências. Em particular, as perdas aumentam consideravelmente com o aumento da freqüência como poderemos verificar a seguir. Após análise realizada em condutores de alumínio, os quais são largamente utilizados em redes elétricas, ficou comprovado que a atenuação se eleva com o aumento da freqüência devido ao efeito pelicular gerado nos condutores, diminuindo assim a espessura da casca e, conforme a figura 4 [13]. Figura 4: Efeito pelicular no condutor Em uma linha de transmissão de alta tensão com 500 km de extensão, a resistência em um circuito de dois fios com f = 50 Hz é R 50 ~ 30 Ω, enquanto que com f = 500 khz o valor aumenta para R 500k ~ 1023 Ω, podendo ser calculado pela equação (4) [10], [13]: (4) 12

13 Onde: R AC - resistência do condutor em uma determinada área da seção transversal reta, em [Ω]; R - resistência na linha de transmissão para uma determinada freqüência, em [Ω]; e - espessura da casca do condutor, em [mm]; R DC - resistência do condutor considerando toda a seção transversal reta, em [Ω]. Desta forma verificamos os diferentes resultados em processos de propagação de sinais de baixa freqüência e alta potência (energia) em oposição aos sinais de alta freqüência e baixa potência (dados). Somado a isto, o sistema de energia sempre utiliza três condutores, enquanto na transmissão de dados é utilizado, geralmente, um par. Atenuação Por Reflexão Outro problema grave que pode ser encontrado é o fato do descasamento de impedâncias entre diferentes tipos de cabos produzir uma reflexão acentuada dos sinais de dados que estejam sendo transmitidos, impedindo sua propagação pela rede. Estudos anteriores, baseados na norma européia da CELENEC, determinaram que a impedância característica de uma linha de baixa tensão aérea, utilizando dois fios de diâmetro d = 100 mm, equivalente a seção transversal de 75 mm 2 e separados por s = 25 cm, pode ser dada pelo modelo apresentado na equação (5) [10]: (5) Onde: Z LF - impedância característica de uma linha de transmissão de baixa tensão, em [Ω]; s - separação entre os fios, em [mm]; d diâmetro dos fios, em [mm]. O casamento de circuitos com impedâncias características diferentes ocorre em vários momentos, como em interligações entre redes aéreas e subterrâneas, conexões entre circuitos e até mesmo na simples ligação de um aparelho doméstico na tomada. Esses pontos são relevantes apenas para freqüências elevadas e podem interferir de maneira fatal na transmissão de dados. Quando duas linhas com diferentes impedâncias características (Z L1, Z L2 ) são acopladas, o resultado do coeficiente de reflexão no ponto de acoplamento é dado pela equação (6) [10]: (6) Onde: 13

14 r - coeficiente de reflexão entre as linhas de transmissão, [adimensional]; Z L1 - impedância característica na linha de transmissão 1, em [Ω]; Z L2 - impedância característica na linha de transmissão 2, em [Ω]. Analisando o acoplamento entre a rede subterrânea Z L1 = 50 Ω e a linha aérea (Z L2 = 470 Ω), podemos observar que o nível de reflexão do sinal é bastante elevado, conforme a equação (7) [10]: (7) Com isso, as potências transmitida (P T ) e refletida (P R ), em relação à potência total injetada na rede (P E ), são dadas pelas equações (8) e (9). (8) (9) Onde: P T potência transmitida, em [w]; P R potência refletida, em [w]; P E potência injetada na rede, em [w]; r coeficiente de reflexão, [adimensional]. Deste modo, apenas uma pequena parcela, em torno de 19 % do sinal consegue ser transmitido pela conexão. Sendo este um dos maiores problemas encontrados nas redes atuais, a utilização de um balun indutivo, constituído de um solenóide de ferrite, já utilizado para casamento de impedâncias em rádio freqüência, foi crucial no desenvolvimento da tecnologia PLC. Com ele foi possível realizar acoplamentos em redes elétricas de potência, praticamente livres de reflexão para altas freqüências e sem interferência ao sistema de fornecimento de energia elétrica. A figura 5 [10] mostra o princípio de ligação do balun entre uma rede de baixa tensão aérea e uma rede subterrânea, nos padrões de cabeamento europeu. Figura 5: Balun utilizando entre redes de média tensão aérea e subterrânea 14

15 Para o cabeamento utilizado no cenário brasileiro, podemos ressaltar que as linhas aéreas convencionais sofrem bastante com as variações de impedância causadas por isoladores defeituosos, pelo fato da rede funcionar como antena para sinais de emissoras de rádio de ondas médias (540 a 1600 khz) e pela eventual presença de bancos capacitivos para correção de fator de potência instalados ao longo da linha. As redes compactas (spacer-cable) e as redes multiplexadas sofrem menos com as interferências por não possuírem isoladores nos postes e estando os condutores mais próximos uns dos outros é possível transmitir freqüências mais elevadas sem irradiação. No último caso, por possuírem condutores blindados, o cabo se assemelha bastante ao cabo coaxial, permitindo a propagação de sinais com freqüências próximas a 100 khz por centenas de metros. Interferência na Última Milha Embora as redes de média tensão sejam boas propagadoras de sinais em alta freqüência por estarem imunes a oscilações causadas por cargas leves, os transformadores que acoplam estas redes aos sistemas de baixa tensão criam uma barreira natural para freqüências acima de 20 khz, inviabilizando a disseminação de portadoras por entre as redes de média e baixa tensão. Por esse motivo, a transmissão de dados pela rede elétrica, visando atendimento a usuários, está voltada apenas para a última milha. Por outro lado, esta mesma última milha sofre com os mais diversos tipos de interferências, onde grande parte é causada por equipamentos elétricos durante operação normal, além de picos de corrente e transientes devido à entrada e saída de cargas na rede. Particularmente, uma instalação elétrica de um edifício se comporta como uma estrutura aberta, tipo antena, que sofre com o aparecimento de sinais espúrios gerados por estações transmissoras de rádio. Analisando as interferências na amplitude do espectro, três classes podem ser identificadas: Ruídos coloridos de fundo (background noise); Ruídos de banda estreita (narrowband noise); Ruídos impulsivos (impulsive noise). Os ruídos coloridos de fundo (background) são naturais nas redes elétricas. Podem ser descritos pela densidade espectral de potência (PSD Power Spectral Density) e possuem níveis elevados para freqüências entre 50 ou 60 Hz até 20 khz. Com o aumento da freqüência observa-se um constante decrescimento no nível de PSD e desta forma, para freqüências mais elevadas, é conhecido como ruído branco (white noise). O ruído branco apresenta níveis muito baixos de potência, que em muitos casos, não atinge o limite de sensibilidade dos equipamentos. Este ruído não representa um fator critico para nenhum tipo de transmissão de dados. Na figura 6 [10], a curva 3 reflete um ruído de fundo que pode ser encontrado em uma típica rede elétrica residencial, em condições de repouso. Outro tipo de ruído colorido é devido às interferências não-harmônicas e harmônicas, sendo elas causadas respectivamente por motores e transformadores. A maioria das interferências não-harmônicas é encontrada nas redes de baixa tensão e possuem uma posição variável no espectro de freqüência devido às alterações na rotação dos motores. Já os harmônicos são gerados por transformadores da rede, podendo a interferência se propagar tanto na média tensão quanto na baixa tensão. Ao contrário do anterior, os harmônicos não dependem da carga da rede, pois são 15

16 produzidos pela magnetização do núcleo dos transformadores. Na curva 1 da figura 6, podemos observar o ruído colorido de fundo gerado por motores universais. Já os ruídos de banda estreita (narrowband) são caracterizados por oscilações no espectro com um nível elevado de PSD em uma largura de banda específica. Este tipo de ruído pode ser injetado na rede, em freqüências de até 150 khz, ao se ligar e desligar lâmpadas fluorescentes e equipamentos elétricos, principalmente aparelhos televisores. As interferências acima de 150 khz são, na maioria dos casos, produzidas por estações transmissoras de rádio. A forma de onda do ruído gerado por um televisor pode ser vista na curva 2 da figura 6. Por último, os ruídos impulsivos (impulsive) são definidos como pulsos elétricos que podem chegar a 2 kv com duração de 10 até 100 µs e são gerados, normalmente, por controladores de fase (dimmers). São eventos raros e isolados, mas dependendo da duração do pulso, um ou mais bits na transmissão poderão ser corrompidos, cabendo a um sistema de regeneração a correção dos erros. Figura 6: Possíveis interferências em redes elétricas domiciliares Topologia Genérica de um Sistema Elétrico de Média Tensão As redes de distribuição foram originalmente projetadas para transmitir energia elétrica de forma eficiente, de modo que não estão adaptadas para fins de comunicação, fazendo com que tenham que ser implementadas diversas técnicas avançadas. Devido às características especiais da rede de distribuição como canal de comunicação, investigações e transformações devem ser feitas para garantir a disponibilidade contínua do sistema elétrico e a eficiência para fins de transmissão de dados. A energia elétrica pode ser produzida de diversas formas, basicamente consiste na transformação mecânica em elétrica. Podemos definir energia elétrica como a energia resultante do movimento de cargas elétricas em um condutor. Como dito anteriormente, atinge quase a totalidade da população brasileira, sem ela, hoje seria praticamente impossível fazermos quase tudo. Mas como ela é produzida, como é transportada por milhares de km e distribuída em nossas casas? Como podemos observar na figura 7 [3], existem 3 etapas bem definidas até a utilização por parte do consumidor final da eletricidade: 16

17 Figura 7: Topologia de um sistema elétrico de média tensão Geração - existem várias formas de se gerar energia elétrica. Porém devemos pensar na relação custo x benefício e nas dificuldades apresentadas em se produzir energia em larga escala. As formas mais comuns são: térmica, nuclear e hídrica. Porém, não podemos deixar de levar em consideração as fontes de energia alternativas, tais como a eólica e a solar. Ambas possuem ainda uso restrito e pequeno, mas podem ser consideradas totalmente limpas e de fácil implantação em pequenas propriedades. Transmissão - normalmente, a geração de energia elétrica ocorre em locais distantes dos centros consumidores. No caso de nosso país, predominantemente temos uma geração baseada em usinas hidrelétricas, por isso faz-se necessária uma maneira de transportar esta energia de um ponto ao outro. Após a energia ser gerada, ela é conduzida, ainda dentro das usinas, às subestações elevadoras que irão elevar o nível de tensão, geralmente entre 69kV e 750kV, para que seja transportada pelas linhas de transmissão. Ao chegar aos centros consumidores, haverá subestações, agora denominadas de abaixadoras, que irão receber esta energia elétrica e abaixar a tensão para níveis aceitáveis de distribuição. A explicação anterior foi bastante simplificada, visando apenas dar uma idéia geral do processo de transmissão de energia elétrica. Distribuição - uma rede de distribuição deve fazer a energia elétrica chegar até os consumidores da forma mais eficiente possível. Conforme dito anteriormente, deverá haver nos centros consumidores uma subestação abaixadora que irá reduzir o nível de tensão para ser distribuído. Geralmente, a tensão é reduzida a 13,8 kv (distribuição primária) e conduzida até os transformadores das ruas. Podemos facilmente identificá-la, são aqueles três fios que ficam na parte mais alta dos postes. Ao chegar aos postes de rua, esta tensão de 13,8 kv é abaixada para 127/220V (distribuição secundária). A figura 8 [3] mostra o esquema de distribuição de média tensão. Figura 8: Distribuição primária e secundária 17

18 BPL I: Técnicas Utilizadas pelo PLC Técnicas Precursoras de Transmissão sobre Redes Elétricas de Média Tensão A necessidade de manter o funcionamento da extensa rede de alta tensão fez com que o desenvolvimento de técnicas de transmissão de dados sobre a rede elétrica fosse visto com bons olhos pelas empresas de distribuição, pois com tais técnicas seria possível gerenciar e monitorar toda rede, assim elevando a eficiência da mesma. Uma forma inicial de transmissão de dados pela rede de alta tensão é a CTP (Carrier Transmission Powerline). A CTP foi desenvolvida pelas concessionárias de energia elétrica para suprir a necessidade de transmitir as informações via rede de alta tensão. O baixo volume de informações requeridas, em períodos de tempo relativamente longos, e a utilização de canais individuais possibilitaram obter um fluxo de informação relativamente grande e bidirecional para aquela época [10]. A CTP baseou-se no método convencional de modulação de banda estreita, que pode ser facilmente implementado. Inicialmente foi utilizada a modulação em amplitude (AM Amplitude Modulation), posteriormente, passou-se a utilizar também a modulação em freqüência (FM Frequency Modulation) [10]. A faixa de freqüência utilizada foi entre 15 e 500 khz, freqüências abaixo de 15 khz requeriam maior capacidade para estabilizar a rede, sendo assim economicamente inviáveis. Utilizando pequenas taxas de transmissão foi possível transmitir por longas distâncias sem distúrbios. A alocação das freqüências foi feita com muito cuidado para que não fossem usadas faixas de freqüências já ocupadas por outras estações de rádio, evitando interferências em outras transmissões. Alguns distúrbios causados por efeitos climáticos são inevitáveis, por exemplo, distúrbios causados pelo efeito corona. Na tabela 1 [10] podemos observar a máxima distância transmitida em redes de alta tensão de acordo com os distúrbios e a freqüência utilizada. Tabela 1: Distâncias alcançadas pelo CTP de acordo com as freqüências e os distúrbios Frequência Distância com Alto Distúrbio Distância com Baixo Distúrbio Diferença 200 khz 571 km 376 km 283 km 300 khz 900 km 594 km 445 km 400 khz 329 km 218 km 162 km Após a total cobertura da rede elétrica, houve a necessidade do gerenciamento da rede de média e baixa tensão. Diferente das linhas de alta tensão, as linhas de média e baixa tensão possuem numerosas conexões e diferentes tipos de cabos, tendo assim uma variação muito grande de cargas sendo inseridas e retiradas da rede, provocando uma alta atenuação e elevados níveis de interferência. Desta forma, a partir de 1930, as empresas distribuidoras de energia elétrica desenvolveram o RCS (Ripple Carrier Signaling), uma tecnologia similar ao CTP, porém com características exclusivas para essas redes. A modulação inicialmente utilizada foi a ASK (Amplitude Shift Keying) e outra modulação 18

19 também utilizada foi a FSK (Frequency Shift Keying) [10]. O RCS trabalha em baixas freqüências, muito próximas às da rede de energia, permitindo assim que as mensagens trafeguem entre transformadores de média e baixa tensão, atingindo longas distâncias. A tabela 2 [10] nos mostra a máxima distância alcançada pelo RCS de acordo com o meio utilizado e a freqüência. Tabela 2. Distâncias alcançadas em linhas de média e baixa tensão utilizando o RCS Frequência Linhas Aéreas Linhas Subterrâneas 200 khz 150 km km 500 khz 60 km km 1 khz 30 km km 2 khz 15 km 5 7,5 km Por outro lado, as limitações por atenuação limitam esta técnica a baixas taxas de transmissão, permitindo apenas que a informação trafegue de forma unidirecional, isto é, entre a companhia de fornecimento de energia e os consumidores ou vice-versa. Contudo, para as tarefas envolvidas no gerenciamento da rede de distribuição de energia, estes fatores não constituem um problema, visto que somente comandos de acionamentos são aplicados, requerendo uma baixa taxa de dados. Além das tarefas de gerenciamento, um grande número de processos de telemetria e controle é interessante para a regulamentação atual do mercado de energia elétrica. Devido a sua funcionalidade unidirecional, o RCS não pode prover a telemetria. Em adicional, o RCS trabalha com a total cobertura da rede, ou seja, isso significa que todos os consumidores de um grande número de redes de baixa tensão, conectados com a mesma rede de média tensão, são dispostos em paralelo, requerendo um fluxo de informação bastante elevado, assim a capacidade de transmissão oferecida pela RCS não é suficiente. Atualmente, a necessidade de transmitir grande quantidade de informação em curtos espaços de tempo, como é o caso das transmissões em banda larga, fez com que as técnicas apresentadas até aqui fossem substituídas por técnicas de transmissão de maior capacidade. Técnicas Atuais de Transmissão sobre a Rede Elétrica de Média Tensão Nenhuma das várias técnicas de transmissão apresentadas anteriormente e testadas como procedimentos de acesso à informação pelas aplicações padrões de telecomunicações podem ser aplicados à tecnologia PLC de banda larga sem grandes modificações. Dentre as técnicas de transmissão existentes, atualmente, somente cinco se apresentam basicamente aplicáveis a comunicação PLC de banda larga, sendo elas: Modulação de espectro espalhado, em particular o espectro espalhado em seqüência direta (DSSS Direct Sequence Spread Spectrum); Modulação de portadora simples de banda larga sem equalização; Modulação de portadora simples de banda larga com equalização; Modulação de portadora múltipla de banda larga com equalização em feedback por decisão adaptativa; Modulação de múltiplas portadoras com multiplexação ortogonal por divisão de freqüência (OFDM 19

20 Orthogonal Frequency Division Multiplexing). As técnicas de modulação por espalhamento de espectro (SST Spread Spectrum Techniques) foram originalmente desenvolvidas somente para comunicações militares, com intuito de impedir distorções propositadas e espionagem. Devido à grande resistência que a modulação SST tem contra todos os tipos interferências em banda estreita e atenuação seletiva, faz com que essas técnicas sejam uma opção a comunicação PLC. Outro fator importante é o fato destas técnicas apresentarem EMC excelente. Apesar destes prós, a SST não apresenta eficiência espectral satisfatória, não têm boa resistência a distorções de canais nem flexibilidade e adaptabilidade, além do alto custo para implementação do sistema. As técnicas de modulação de portadora simples de banda larga apresentam uma boa resistência aos ruídos impulsivos, um dos maiores problemas na transmissão de dados pela rede elétrica, e um baixo custo para implementação de sistemas. Mesmo apresentando características relevantes, estas técnicas também apresentam uma baixa eficiência espectral, limitação para taxa de transmissão e alocação de freqüência. Devido às desvantagens encontradas com as técnicas de modulação mencionadas acima, as técnicas de modulação de múltiplas portadoras de banda larga estão recebendo atenção especial para aplicações à tecnologia PLC. Para estas técnicas a quantidade de dados transmitidos não precisa estar contida numa porção contínua do espectro, mas devem estar distribuídas em diversos sub-canais, opcionalmente com intervalos entre eles. A modulação de múltiplas portadoras adéqua a possíveis distribuições desiguais dos intervalos espectrais entre os sub-canais, se tornando aplicável às necessidades da tecnologia PLC. A tabela 3 [10] apresenta uma comparação entre as propriedades mais importantes para os cenários de modulação, supracitados, para a tecnologia PLC. Com base na tabela abaixo, a multiplexação de múltiplas portadoras com OFDM se apresenta como a técnica mais qualificada para os cenários aplicáveis ao PLC. Para o sistema OFDM, geralmente temos um grande número de sub-canais igualmente amplos, sendo que cada sub-canal pode ser carregado com dados de acordo com a sua respectiva qualidade. A técnica OFDM claramente oferece o maior grau de flexibilidade comparando-o com todos os cenários já testados para PLC. Tabela 3. Comparação entre os cenários de modulação para a tecnologia PLC Técnicas SST Técnicas de Portadora Simples Técnicas de Múltiplas Portadoras OFDM Eficiência Espectral 0,1 bit/seg.hz 1-2 bit/seg.hz 1-4 bit/seg.hz >>1 bit/seg.hz Taxa Máx. (Mbit/s) ~ 0,5 <1 ~ 3 >10 Resistência à Distorção Resistência à Ruído Flexibilidade e Adaptabilidade Custo do Sistema

21 Aspectos EMC OFDM para PLC de Alta Velocidade (++ Excelente; + Bom; 0 Regular; - Ruim; -- Muito Ruim). A multiplexação por divisão de freqüência (FDM - Frequency Division Multiplexing) é a tecnologia que permite transmitir simultaneamente múltiplos sinais num simples canal de transmissão, por exemplo, um cabo ou um sistema sem fio (wireless). Cada sinal trafega numa faixa de freqüência única, portadora, que é modulada de acordo com os dados a serem transmitidos (texto, voz, vídeo, etc.). A técnica OFDM consiste em modular um grande número de portadoras de banda estreita distribuídas lado a lado. Esta técnica distribui os dados sobre um grande número de portadoras, em que cada portadora está separada por uma freqüência específica. Este espaçamento permite a ortogonalidade entre as freqüências, que impede que os demoduladores processem outra freqüência além da destina ao mesmo. O OFDM apresenta diversos benefícios, dentre eles, uma alta eficiência espectral, resistência a interferências de rádio freqüência e baixa distorção para múltiplos percursos. Oferece ainda grande adaptabilidade ao sistema, pois é possível controlar a potência das portadoras, suprimindo portadoras interferentes, interferidas ou variar o carregamento (número de bits) de cada portadora de acordo com a relação sinal/ruído ou atenuação do enlace. Dessa forma, é possível distribuir dinamicamente a energia entre as portadoras de acordo com suas qualidades de comunicação na linha de transmissão. Necessita de amplificadores altamente lineares para evitar que as harmônicas das portadoras provoquem interferências [14]. O OFDM já apresentou excelentes resultados em aplicações como: linha digital assimétrica para assinantes (ADSL Asynchronous Digital Subscriber Line) e transmissão de áudio digital (DAB Digital Audio Broadcasting). Além disto vislumbra-se uma possibilidade de transmissão de vídeo digital (DVB Digital Video Broadcasting). O OFDM é comparado ao salto de freqüência (FH Frequency Hopping) uma técnica utilizada em espectro espalhado (Spread Spectrum) [10]. No OFDM a largura de banda disponível B t é segmentada em diversos sub-canais de banda estreita. O fluxo de dados é transmitido pela multiplexação por divisão de freqüência, FDM, utilizando N portadoras com freqüência f1, f2,..., fn em paralelo. Conforme ilustrado na figura 9 [10], é possível calcular a largura de banda de cada sub-canal, através da equação (10) [10]. (10) Onde: - largura de banda de cada sub-canal, em [Hz]; B t - largura de banda total do canal, em [Hz]; N número de portadoras do canal, [adimensional]. 21