APLICAÇÃO DO BROADBAND OVER POWER LINE PARA INCLUSÃO DIGITAL EM SANTA CATARINA

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1 APLICAÇÃO DO BROADBAND OVER POWER LINE PARA INCLUSÃO DIGITAL EM SANTA CATARINA APPLICATION OF BROADBAND OVER POWER LINE FOR DIGITAL INCLUSION IN SANTA CATARINA Eliel Marlon L. P 1 RESUMO: Buscar alternativas para fazer a inclusão digital no Brasil tem se mostrado um desafio a cada dia. Propor soluções em tecnologia da informação, que atinja um percentual de quase cem por cento dessa população, não é mais um mito através do BPL. Pensando em atender a demanda crescente de internet rápida, ao mesmo tempo trazendo para si novos nichos de mercados. O BPL tem se mostrado como uma solução, não só para fazer a inclusão digital, através da Internet, mas também para difundir serviços que até então pouco acessíveis à maioria da população. Essa tecnologia não precisa de um novo meio físico, a rede elétrica residencial pode ser usada na transmissão de dados em banda larga. PALAVRA-CHAVE: BPL (Broadband over Power Line). Internet Rápida, PLC (Power Line Communications). ABSTRACT: A Find alternative to digital inclusion in Brazil has been a challenge every day. Propose a solution in information technology, which achieves a rate of almost one hundred percent of that population, is no longer a myth through the BPL. Thinking of meeting the growing demand for fast internet while bringing you new niche markets. The BPL has been recommended as a solution, not only for digital inclusion, through the Internet, but also to spread services hitherto not easily accessible to the majority of the population. This technology does not need a new physical environment, the residential power grid can be used in the transmission of broadband data. KEYWORDS: BPL (Broadband over Power Line), Fast Internet, PLC (Power Line Communications). INTRODUÇÃO Desde a década de 1920, já se buscava patentear produtos que oferecessem serviços de comunicações através da rede elétrica (GALLI; SCAGLIONE; DOSTERT, 2003). Um exemplo bem sucedido de utilização das linhas de transmissão para realizar a trafegabilidade de dados entre dois pontos foi o sistema Carrier, o qual usa uma faixa de freqüência entre 150 e 450KHz (COMMITTEE, 2002), tal largura de banda, proporcionava uma taxa de transmissão muito restrita. Porém na década de 1950, até mesmo as telecomunicações ainda não estavam amadurecidas suficientes para pensar em taxas de transmissões superiores na média tensão às oferecidas pelo sistema Carrier. Afinal, ainda não tinham sido criados serviços que exigissem tecnologias mais robustas com largura de banda maior. Assim, o 1 Mestre em Ciências da Computação pela Universidade Federal de Santa Catarina UFSC. marlon@inf.ufsc.br

2 sistema Carrier, atendia de forma satisfatória as necessidades da época, pois sua atuação se restringia a transporte de informações operacionais de voz, comando e controle pela rede elétrica para as subestações. Mas com o passar do tempo, a expansão das linhas de transmissão de energia elétrica, com surgimento de novos serviços em telecomunicações, o estudo do PLC voltou a emergir de maneira mais consistente, seja através Projetos de P&Ds (Pesquisa e Desenvolvimento) das empresas distribuidoras ou das geradoras de energia elétrica. Tais P&Ds começaram a testar soluções que oferecessem não só acesso a Internet, mas também aplicações como videoconferência, tv a cabo, monitoramento eletrônico, vídeo on-demande, telemetria ou AMR com o PLC (Power Line Communications). Eliel Marlon de L. P. Mestre em. Marlon@inf.ufsc.br. professor efetivo da UDESC do Curso de Sistemas de Informação. HISTÓRICO DO PLC O Sistema Power Line Carrier, conhecidos no Brasil de OPLAT (Ondas Portadoras em Linhas de Alta Tensão), tem sido um recurso utilizado pelas empresas de energia elétrica desde a década de Tais sistemas foram e ainda são utilizados em serviços de telemetria, controle remoto e comunicação de voz. Os equipamentos do sistema Carrier são considerados robustos, com uma vida útil de trinta anos aproximadamente. Mas recentemente, com o avanço de instalação de fibras ópticas, atrelado a redução de custo de sistemas de telecomunicações. As empresas de energia elétrica estão abandonando o sistema Carrier paulatinamente. Conseqüentemente, se abriu um novo nicho de mercado a ser explorado com novos serviços que poderão utilizar a largura de banda disponibilizada pelas fibras de distribuidoras de energia. (FONTES; WAJSMAN, 2003) Mas a proposta de utilizar a malha elétrica pública, como meio de transmissão de dados em banda larga não foi esquecida. Porém, é importante mencionar que tanto as linhas de baixa tensão quando as de média tensão, não foram projetadas para fazer a trafegabilidade de dados (WiMAX, 2010). A hostilidade na transmissão de informação pela rede elétrica, sempre foi muito alta pela incidência de ruídos externos. Contudo, a evolução do Power Line Carrier, fez surgir o Power Line Communication, que em 1991, Dr. Paul Brown da Norwer Communications, iniciou testes com comunicação digital em banda larga na rede elétrica. Já entre 1995 e 1997, foi comprovado que era possível solucionar os problemas de ruído e de interferências, mostrando assim que a transmissão de dados pela rede elétrica poderia ser viável.

3 Porém, um fator preponderante que impediu o avanço do PLC, foi o fato de não haver uma padronização na emissão de ruídos causados por produtos como eletrodoméstico e equipamentos eletro/eletrônico. Implementar um sistema PLC se mostrava cada vez mais difícil. Outros fatores contribuíram e ainda contribuem para a falta de amadurecimento tecnológico no Power Line Communication. Dentre as barreiras que existentes para o avanço da Internet através das linhas de transmissão elétrica, merece ser destaque a demora de regulamentação da tecnologia, falta de órgãos certificadores dos produtos e regras claras para a exploração de serviços com o BPL. Mas a crescente demanda por acesso a banda larga na última milha, é um dos maiores desafios técnicos das operadoras de telecomunicações na atualidade (FONTES; WAJSMAN, 2003). MODULAÇÃO NO PLC Analisando o meio de transmissão de dados, onde este sofre uma interferência forte do meio externo através de ruídos. A modulação na arquitetura PLC é de extrema importância. Pois a infra-estruturada rede elétrica, tende a ser compartilhada com eletros domésticos, onde estes imitem freqüências variadas, tornando assim a meio físico elétrico altamente hostil para a transmissão de dados, seja em alta ou até mesmo em baixa velocidade. Algumas técnicas de modulação, têm se apresentado como soluções viáveis para reduzir a influência do meio externo num ambiente PLC. Dentre tais técnicas podemos destacar a OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiolexing) (WiMAX, 2010), GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying) (FONTES; WAJSMAN, 2003), DWMT(Discrete Wavelet Multitone Modulation) (SUN; LUN, 2002), OFDM O que necessariamente seriam as Técnicas de transmissão OFDM? Para Pinto e Albuquerque, num sistema convencional de transmissão, os símbolos são enviados em seqüência através de uma única portadora (modulada na taxa de símbolos da fonte de informação), cujo espectro ocupa toda a faixa de freqüência disponível. A técnica OFDM consiste na transmissão paralela de dados em diversas subportadoras com modulação QAM ou PSK e taxas de transmissão por subportadoras, tão baixas quanto maior o número destas empregadas.

4 Assim, reduzem-se a taxa de transmissão, implicando uma diminuição da sensibilidade à seletividade em freqüência causada por multi percursos. Este tipo de modulação é muito utilizado também em outros sistemas de comunicação já consolidados como: ADSL, VDSL, DAB e DVB. Dessa forma, a modulação em OFDM garante a estas tecnologias altas taxas de transmissão, excelente desempenho e confiabilidade. Outras técnicas de modulação que também podem ser utilizadas na tecnologia PLC/BPL, são: GMSK e a DWMT. Todavia, tanto a GMSK quanto a DWMT são consideradas uma OFDM melhorada. Sendo a GMSK especificamente, uma OFDM em banda larga. O grande diferencial do uso da modulação em OFDM na tecnologia PLC/BPL está na forma de como é controlada esta modulação pelo Chip set DS2, que, em tempo real, monitora as freqüências em utilização, alternando o carregamento dos sinais em transmissão, de acordo com a presença de ruídos nas mesmas. Na próxima figura, está um exemplo de como a modulação em OFDM pode se adequar às diversas condições da rede em tempo real. Figura 1: Modulação OFDM Conforme o ruído vai se propagando nas diversas freqüências (SNR - Signal-to-Noise Ratio), os sinais são carregados e transmitidos (Modulados), em várias freqüências simultâneas, e em níveis de carregamento diferentes, aproveitando desta forma a melhor condição possível do Link escolhido. SISTEMAS POWER LINE COMMUNICATION Com o advento da Internet e seus serviços exigindo soluções de baixo custo, agregado a taxas de transmissões cada vez mais altas, para o usuário final. Muitas empresas de produtos eletro/eletrônicos começaram a investir em modelos de soluções que se utilizam a infraestruturadisponibilizada pelo sistema elétrico. Seja a estrutura da alta ou baixa tensão. Dentre

5 tais empresas que investem no aprimoramento de soluções PLC, merecem citação como: Amperion, EBAPLC, ASCOM Power Line e no Brasil, a Siemens. A falta de padronização de sistemas Power Line, tem propiciado o surgimento de sistemas que até então não conseguem interagir entre si. Dentre tais sistemas, merecem destaques os produtos da Amperion, EBAPLC e ASCOM Power Line. MODELO AMPREION O sistema proposto pela Amperion, dentre os demais, se mostra ser o mais completo, pois além de oferecer as soluções em PLC, também oferecem recursos que interagem com outras tecnologias, como é o caso de tecnologias FDDI e Wi-Fi. Equipamentos Amperion: Figura 2: Griffin TM 1000 Figura 3: Lynx TM 1000 Figura 4: Falcon TM Injetor Produz e modula o sinal Powerline de 15 a 20 Mbps na linha de média tensão, que posteriormente será recebido pelos repetidores ou extratores ao longo da linha. Repetidor/Extrator Recebe e regenera o sinal Powerline, e que, também fornece um nó de extração com ponto de acesso b incluído. O ponto de acesso faz o gerenciamento da comunicação sem fio até o CPE do cliente no raio de alcance do Repetidor/Extrator. Griffin Conjunto de produtos para linhas aéreas. Este pode ser encontrado nas configurações de Injetor, Repetidor/Extrator e Extrator. Esta unidade de acesso, possui pontos de acesso PowerWiFi.Na próxima figura, esboça o modelo do sistema de rede proposto pela Amperion. Figura 5 : Modelo do sistema de rede Amperion

6 MODELO ABAPLC Este modelo é baseado no sistema PLC DS2, e é constituído basicamente por três unidades: Máster (HE), Repetidor (HG) e o CPE. Até o presente momento, uma das falhas é o fato de não interagir com outros fabricantes de produtos similares. Master: Conhecido também como HE (Head End), é projetado para comunicações de dados orientados a pacotes, pode tratar de pacotes com até 8 Kb e tráfego em tempo real, típico de aplicações VoIP. Oferece taxas de até 45 Mbps, full duplex, utilizando menos de 10 MHz de espectro. Todos os Másters têm capacidade de injetar sinal para 254 nós PLC, sendo seu gerenciamento executado através do protocolo SNMP (FONTES e WAJSMAN, 2003). Figura 6: Máster EBAPLC Figura 7: Repetidor EBAPLC Figura 8: Modem PLC ou CPE Repetidor: Também conhecido como HG (Home Gateway), transmite do sinal oriundo de um HE para os demais CPEs dentro de seu raio de cobertura. Por outro lado, isola o tráfego da rede Powerline criando outro segmento isolado dos anteriores, sua capacidade de trafegabilidade também é de 45 Mbps, o que possibilidade dobrar a capacidade inicial da rede. Segundo a EBAPLC, o HG também pode suportar até 254 CPEs penduradas, oferecendo taxas de 45 Mbps full duplex, ponto multiponto, utilizando menos de 10 MHz de espectro. Seu gerenciamento também é feito através do protocolo SNMP. CPE: O equipamento de usuário final, também denominado de Customer Premises Equipment, que na realidade é o modem do cliente. Este é o responsável por capturar os sinais de dados, enviados por um repetidor para uma tomada qualquer de energia. Disponibiliza assim a conexão do usuário final aos serviços de internet e outro que forem agregados à tecnologia PLC. PLCAdmin: Além dos hardwares, a EBAPLC, disponibiliza um software de gerenciamento, conhecido com PLCAdmin..

7 Figura 9: Gerenciador de sistema PLCAdmin Modelo ASCOM Power Line O sistema de comunicações ASCOM Power Line é otimizado visando à transmissão de dados sobre sistemas existentes de distribuição de energia elétrica, provendo um Throughput máximo com um nível mínimo de sinal. O processo de modulação e distribuição de freqüências minimiza interferências de/para serviços de radio difusão e rádio amador. Como os anteriores, o sistema ASCOM, é constituído basicamente por três tipos de unidades: Unidade OM (Outdoor Master) Recebe os dados em uma entrada RJ-45, 10 base T, e os acopla à rede de energia elétrica, modulando portadoras na faixa de 2 a 10 MHz. Unidade OAP/IC (Outdoor Access Point / Indoor Controller), constituída por dois módulos, normalmente instalada no quadro de entrada de energia das residências, funciona como um repetidor de sinal. A seção Indoor Controller remodula o sinal de dados na faixa de 18 a 28 MHz, injetando-o na rede elétrica interna. Capacidade de transmissão varia de 4.5 Mbps/UP e 10/100 Mbps/Dow. Unidade IA (Indoor Adapter): este hardware equivale ao modem de cliente dos modelos já mencionados, este é responsável por capturar o sinal de dados em uma tomada qualquer da rede elétrica e o disponibilize numa conexão 10 base T para o usuário final. Taxa de transmissão de 4.5 Mbps/UP e 10 Mbps/Dow. Figura 10: Outdoor Máster Figura 11: Outdoor Access Point Figura 12: Modem IA / Indoor Controller É prudente mencionar quem apenas o modelo Amperion se difere dos demais citados, pois não utiliza o chipset fornecido pela DS2, mas sim o chipset fornecido pela Intel on.

8 PROPOSTA E RESULTADOS Mesmo a tecnologia Power Line Communication enfrentando muitos obstáculos para conquistar seu espaço, já existem soluções híbridas que estão diminuindo consideravelmente algumas barreiras técnicas e de potência na implantação de serviços que necessitem de maior taxa de transmissão. Uma solução que já vem sendo testada com grande ênfase na Europa é um modelo, onde o backbone é viabilizado através de fibra óptica aonde o sinal chega até o transformador ou uma subestação de energia elétrica (GÖTZ; DOSTERT, 2004). Posteriormente, o sinal chega até o Máster (Injetor) e conseqüentemente, tal sinal é injetado na rede elétrica que será captado pelo Modem PLC (CPE). O modelo proposto visa customizar os atuais recursos em comunicações visando explorar novos serviços com a atual estrutura disponível. A estrutura em questão é o anel óptico conveniado em Santa Catarina. Onde tal anel é explorado por empresas como Eletrosul, CELESC e OI. A idéia será: explorar serviços como Internet Banda Larga, Vídeo Conferência dentre outros serviços agregados à tecnologia PLC. Também estaremos sugerindo a fusão de redes de dados como: CIASC (e-gov), FUNCITEC e CELESC. Nas figuras seguintes, mostraram o retrato das maiores redes públicas em Santa Catarina: FAPESC, CIASC (e-gov) e CELESC. Figura 13: Pontos de Presença da Rede Catarinense de Ciência e Tecnologia

9 Figura 14: Pontos de presença do CIASC Figura 15: Rede de fibra óptica conveniada em Santa Catarina. Com a fusão das redes, despesa com serviço de telecomunicação tenderá a ser consideravelmente reduzidos. Além do mais, o que até o presente momento é considerado como despesa para a administração pública estadual, passaria a ser investimento, pois o mesmo recurso alocado para o pagamento de serviços entre as Secretarias de Desenvolvimento Regional, passaria a ser contabilizado como investimento e serviços de comunicação. COMPARATIVO DE DESPESAS Levando em consideração a atual realidade das despesas como telecomunicações pela Administração Pública Estadual de Santa Catarina, a qual, segundo dados obtidos junto ao Centro de Informática e Automação de Santa Catarina CIASC, em serviços de Internet,

10 telefonia e outros são da ordem de R$ ,12; ,48 e ,56 respectivamente, totalizando assim R$ ,16 como mostra de forma discriminada abaixo: Serviços Internet Telefonia Outros TOTAL: , , ,88 TOTAL ANUAL: , , ,56 TOTAL ANUAL GERAL: ,16 É importante ser mencionado nesse momento que: se uma solução baseada em PLC/BPL for implantada interligando os principais órgãos da Administração Pública Estadual, através da estrutura física existente, como é o caso das linhas de média tensão em todo o Estado e o anel óptico conveniado, além de haver uma redução considerada nas despesas, estaria sendo criada uma nova empresa de telecomunicações dentro de Santa Catarina, pois a CELESC poderia desempenhar esse papel de forma a estimular a concorrências entre as telecoms. A redução de custo com telecomunicações chegará à ordem de 40% inicial, podendo ser elevado a ordem de 70% num futuro próximo. Na fusão das redes catarinenses, alguns serviços poderiam ser explorados, dentre eles podemos citar: AMR, Telefonia IP, Network Game, TV Interativa, Automação Residencial, Monitoramento Remoto, Áudio on Demand, Vídeo on Demand, LAN House, Telefonia IP e outras que poderão ser agregadas. Imaginando que um Máster está em torno de US$300 e um modem PLC/BPL do fabricante EBAPLC, está na faixa de US$ 90.00, ou outros modelos equipamentos como da AMPERION, os quais chegam a ter um custo de US$ A queda no acesso dos mais populares serviços de telecomunicações será muito grande, além do mais, o que é despesa para a Administração Pública Estadual, passaria a ser investimento, possibilitando assim, a exploração de novos serviços. No modelo proposto, o gerenciamento poderia ser realizado de acordo com a demanda dos serviços e/ou por regiões. RESULTADOS OBTIDOS Os testes realizados foram realizados em ambientes consideravelmente hostis, pois foi procurado trazer o mais próximo da realidade das redes de distribuições de energia elétrica. Um dos ambientes foi a CELESC e no Edifício CEISA CENTER. Sendo que, os testes

11 realizados na CELESC, teve uma maior abrangência, pois a implantação do sistema usou a rede de Média 13,8 KV e de Baixa Tensão 220 V. Os teste realizados com os equipamentos da EBAPLC, utilizando o PLAdmim, foi chegado as seguintes medidas: TESTE PLC ( PLADMIN ) SNR CFR BIT RATE Kbps ETAPAS Rx Tx Rx Tx Rx Tx LINK 1 Ganho Tx/Rx = 5 / Tudo Ligado Desligar Só Ar Desligar Só Lâmpadas Lâmpadas/Ar Desligados Legenda: SNR - Relação Sinal / Ruído; CFR - Bit Rate - Velocidade Conexão Ganho - Parâmetro de Amplificação do Sinal; LINK - Banda de Conexão ETAPAS - Condição dos circuitos; HE - CPE Rx: Sinal Recebido; Tx: Sinal Transmitido. No caso do CEISA CENTER, os testes realizados foram na baixa tensão. A figura a seguir, mostra o diagrama elétrico do ambiente de teste. Figura 17: Diagrama do Ambiente de teste no CEISA CENTER. CONSIDERAÇÕES FINAIS Os testes realizados com o modelo PLC/BPL da EBA, não podem ser considerados como pontos finais para a tomada de decisão de aplicabilidade ou não da tecnologia, mas como uma referência do uso da rede elétrica para a transmissão de dados num ambiente real e altamente ruidoso.

12 O amadurecimento da tecnologia é algo de grande relevância nesse instante, para isso, alguns fatores precisam ser considerados como: Testar outros modelos de sistemas BPL/PLC usando a estrutura propostas visando aprimorar técnicas de roteamento, detecção/redução de ruídos no canal BPL/PLC e correção de erro no recebimento e transmissão de pacotes da rede elétrica. Buscar interação entre as tecnologias levando em consideração seus padrões e largura de banda explorada. Aprimoramento de técnicas de gerenciamento de serviços oferecidos, tendo como gerente empresas de distribuição de energia elétrica. Explorar modelos de negócios que interajam com tecnologia de rádio, TV a cabo e celular, visando encontrar um modelo eficiente na busca da convergência digital. Desenvolver modelos de negócios baseados nas especificações técnicas sugeridas pelas resoluções que regulamentam o BPL/PLC na ANATEL (AE, 2010). REFERÊNCIA AE - Agencia Estado. Internet pela rede elétrica enfrenta obstáculos. Janeiro, COMMITTEE, RSGB. EMC.; Compatibility Between Radio Communications Services and Power Line Communications Systems. Britain, Setembro, FONTES, C. R.; WAJSMAN, D.; Grupo de Trabalho Power Line Power Line Communications- PLC ou Broadband over Power Lines-BPL. Rio de Janeiro, Dezembro, GALLI, S.; SCAGLIONE, A.; DOSTERT, K.; Broadband is Power: Internet Access Through the Power Line Network, IEEE Communication Magazine: May, GÖTZ, M.; DOSTERT, K.; Power Line Channel Caracteristics and Their Effect on Communication System Design. IEEE Communication Magazine: April, M. Dostert, K. The Low Voltage Power Distribuition Network as Last Mile Acess Network-Signal Propagation and Noise Scenario in the HF-Rang, Intertional Journal of Electronics and Communications (AEU) 54 (2000). 1, SUN, M. C.; LUN, D. P. K.; Power-Line Communication using DWMT Modulation. IEEE Communication Magazine: July, WiMAX. OFDM. Acessado em 27/05/2010.