Análise de Soluções Tecnológicas para Comunicações Power Line Carrier (PLC)

Transcrição

1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Análise de Soluções Tecnológicas para Comunicações Power Line Carrier (PLC) Pedro Hugo Anselmo Soares VERSÃO FINAL Relatório de Projecto realizado no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Major Telecomunicações Orientador: Prof. Dr. Joaquim Costa Co-orientador: Eng. Fernando Gomes < >

2 Pedro Soares, 2010 ii

3 Resumo Neste documento é apresentada uma explicação geral de apoio à dissertação que será realizada no Segundo Semestre, sobre o tema: Análise de Soluções Tecnológicas para Comunicações Power Line Carrier (PLC). Serão abordados aspectos fundamentais da tecnologia, tais como as diferentes técnicas de modulação utilizadas em comunicações PLC. Serão analisadas a técnica de modulação OFDM bem como a modulação FSK, podendo aqui o estudo ser alargado a outras modulações. Será alvo de estudo o contributo da tecnologia PLC para o processo de monitorização e controlo da rede eléctrica em smart grid s. iii

4 iv

5 Abstract This document is a brief explanation to support the thesis work that will be held in the Second Semester 2009/2010, on the theme: "Analysis Technology Solutions for Power Line Carrier (PLC). Key aspects of technology will be examined, such as different types of modulation used in communications PLC. The main effort will concentrate on the techniques of OFDM modulation and the FSK, with the study possibly extended to other modulations. The focus of study will be the contribution of PLC technology to monitoring and control of electrical network, the so-called smart grid's. v

6 vi

7 Índice Resumo... iii Abstract... v Lista de figuras... ix Lista de tabelas... x Abreviaturas e Símbolos... xi Capítulo Introdução Motivação Objectivos Caracterização do sistema Especificação da Arquitectura do sistema Smart Grid s Tecnologia PLC Vantagens Desvantagens Explicação do Problema Capítulo Smart Grid s Primeiros passos em Portugal Modem da Renesas Diagrama de Blocos do M16C/6S Estrutura da rede Modulação DCSK Capítulo O que há no mercado Modem da Maxim Canal receptor Canal transmissor Técnica de Modulação OFDM Introdução Caracterização da Técnica de OFDM Capítulo Resultados Testes Planeamento de trabalho Futuro Organização de tarefas Medição no terreno Conclusão Referências vii

8 viii

9 Lista de figuras Figura Producto Smart Gate (DTC) Figura Topologia do sistema Figura Evolution Kit do Modem PLC da Renesas [17] Figura Diagrama de blocos do modem M16C/6S [18] Figura Estrutura da rede PLC [17] Figura Exemplo de uma transmissão DCSK [18] Figura Modem Max2991 da Maxim Figura Diagrama de blocos do chip do Max2991 [19] Figura Ilustração da separação das portadoras na frequência e no tempo [5] Figura Subportadoras de um sinal Ofdm, frequência normalizada em relação ao valor 1/T [5] Figura Espectros de FDM convencional (1) e OFDM (2) [5] Figura Quatro Subportadoras no domínio do tempo [5] Figura Testes feitos no Transmissor em modos e ganhos diferentes Figura Testes feitos no receptor em modos e ganhos diferentes ix

10 Lista de tabelas Tabela Especificações do Modem M16C/6S x

11 Abreviaturas e Símbolos ADC AFE AMI ASIDAP BFSK CA CSMA DAC DC DFT DTC EB EDF EDPD FEUP FSK LV MV OFDM PLC Analogue to Digital Converter Analogue-Front-End Automated Metering Infrastructure Automação de Sistemas, Inovação e Desenvolvimento, Automação e Protecção Binary Frequency-Shift Keying Collision Avoidance Carrier Sense Multiple Access Digital to Analogue Converter Direct current Discrete Fourier Transform Distribution Transformer Controller Energy Box Électricité de France Energias de Portugal Distribuição Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Frequency-Shift Keying Low Voltage Medium Voltage Ortogonal Frequency Division Multiplexing Power line Carrier Lista de símbolos T Período KHz KiloHertz xi

12 Capítulo 1 Introdução Este relatório é realizado no âmbito da disciplina de Preparação para a Dissertação, do curso de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Os principais objectivos deste relatório são a apresentação, descrição e evolução do tema a desenvolver, para o colocar em prática, no segundo semestre, na dissertação. Com efeito, o tema da minha dissertação é "Análise de soluções tecnológicas para comunicações PLC", orientado pelo Professor Doutor Joaquim Costa e Co-orientado pelo Engenheiro Fernando Gomes. Este tema de dissertação insere-se num dos projectos da EFACEC, mais concretamente no departamento de ASIDAP de engenharia. A Efacec, maior Grupo Eléctrico Nacional de capitais portugueses, tem cerca de 4500 colaboradores e um volume de encomendas que ultrapassou os 1000 milhões de euros, estando presente em mais de 65 países. O portfólio de actividades da Efacec, reorganizado em: Energia o Transformadores o Aparelhagem de Média e Alta Tensão o Servicing de Energia

13 Engenharia e Serviços o Engenharia o Automação o Manutenção o Ambiente o Renováveis Transportes e Logística o Transportes o Logística Um dos projectos que este departamento está encarregue, é o desenvolvimento do produto SmartGate, realizado no âmbito do Projecto InovGrid, liderado pela EDPD. Um dos principais objectivos da minha dissertação está relacionado com o estudo das evoluções das tecnologias de comunicações via rede eléctrica, modems PLC que utilizam diferentes técnicas de modulação, nomeadamente a OFDM e FSK. Esta tecnologia encontra-se em forte desenvolvimento e evolução, apresentando um grande potencial, podendo vir a ser usada, futuramente, como uma solução viável para as comunicações em smart grid s Motivação A necessidade emergente de controlar e reduzir os gastos energéticos é um objectivo que, actualmente assume uma grande importância e relevo. Nesta óptica, e atendendo à constante evolução tecnológica e às diferentes soluções tecnológicas, é justificada a pertinência da investigação por mim desenvolvida. O carácter inovador desta temática está relacionado com o facto deste tipo de tecnologia PLC estar, neste momento, a ser implementada em smart grid s, para permitir uma melhor gestão e monitorização da rede eléctrica. Os estudos realizados relativamente a esta implementação são escassos, visto tratar-se de uma aplicação bastante recente, que está, ainda, em fase de testes. As comunicações assumem um papel fulcral no projecto que está a ser desenvolvido pela EFACEC, para a EDP, assim sendo, é deveras essencial a utilização de um modem PLC, que se adeqúe às necessidades do projecto, evidenciando a importância deste estudo quer 13

14 para a empresa quer para a FEUP, visto tratar-se de uma investigação pioneira neste campo, de uma aplicação recente Objectivos O trabalho a ser elaborado na dissertação irá ser focado nos seguintes itens que passo a enumerar: Análise das características das diferentes tecnologias de modems PLC, nomeadamente OFDM e FSK; Elaboração de ensaios sobre evalution boards de diversos fabricantes, proprietários dessas tecnologias; Desenvolvimento de um relatório com as características de cada uma dessas tecnologias PLC e respectiva análise comparativa Caracterização do sistema Tal como referi no ponto anterior a tecnologia PLC aplicada em smart grid s está neste momento em forte expansão e desenvolvimento. O sistema é composto por um SmartGate, figura em baixo, tecnicamente designado por DTC, que é colocado no PT, tendo como principal função a comunicação e gestão das EB, existentes na rede LV da subestação. Figura Produto Smart Gate (DTC) 14

15 O DTC opera, ainda, quer como um dispositivo inteligente de controlo e automação do PT, quer na detecção de defeito e controlo da iluminação pública. O DTC é, igualmente, responsável pela implementação de outras funções, das quais o balanço energético, a monitorização do desequilíbrio de carga e de sobrecarga do transformador, a análise da qualidade da energia, a detecção e notificação de falhas de energia, são exemplos de utilização [7]. No DTC encontram-se instalados três modems PLC, um por fase, que comunicam com o modem PLC de cada EB, que se encontram instaladas nas habitações, estas EB s são distribuídas equitativamente pelas três fases. A EB é um tele - contador que permite saber em tempo real o consumo de energia registado até ao momento, bem como as evoluções verificadas em termos de histórico de consumos. A EB é o dispositivo que fica mais próximo dos produtores/consumidores, implementando os serviços de contagem e contratuais, através da sua capacidade comunicativa local, via modem PLC, possibilita a troca de mensagens entre cliente e fornecedor incluindo a informação detalhada dos consumos. As EB s fornecem suporte à gestão e controlo da microgeração (tanto ao nível local como ao nível da rede de baixa tensão, respondendo a pedidos recebidos do DTC), bem como à gestão e controlo de cargas locais [6]. 15

16 Figura Topologia do sistema A informação recolhida nas EB s (E) é enviada pelo modem PLC via rede eléctrica para o DTC (C), que tem capacidade para armazenar a informação das várias EB s, até ao máximo de mil EB s, por cerca de seis meses. A distância máxima entre as EB s e o DTC é de no máximo um quilómetro. Quando necessário, a informação armazenada no DTC poderá ser enviada para a central (A), via GPRS (B), caso esta efectue o pedido, caso contrário os dados permaneceram guardados no DTC (figura 1.2). 16

17 1.4. Especificação da Arquitectura do sistema A arquitectura do sistema encontra-se dividida em 3 grandes níveis: 1. Nível do produtor/consumidor Neste nível encontram-se as EB s, que implementam as funções de contagem de energia e também a gestão de energia doméstica, incluindo o controlo de equipamentos consumidores de energia e o controlo da microgeração; 2. Nível da subestação MV/LV (posto de transformação) Neste nível encontra-se o DTC, com funções de concentração de informação, gestão das Energy Boxes e ainda a monitorização, controlo e automação do PT; 3. Nível de controlo e gestão central Neste nível é realizada a agregação da informação comercial, ou seja a EDP processa a informação recolhida para, por exemplo, se efectuar a facturação para o cliente, permite também efectuar a gestão da energia, sendo ainda implementado o controlo operacional da rede [6] Smart Grid s Genericamente, a smart grid ou rede inteligente é uma simples actualização das redes de energia eléctrica do século XX que, geralmente, difundiam a energia das centrais eléctricas para um grande número de utilizadores, com o único objectivo de responder às necessidades energéticas dos utilizadores. Ao contrário, a smart grid deve ser capaz de escolher o melhor caminho para a electricidade percorrer, minorando o desperdício de energia, desde o fornecedor até ao utilizador. As smart grid s e as tecnologias AMI são cada vez mais, componentes críticos para a melhoria da eficiência da rede, aumentando a confiabilidade da energia eléctrica e do sistema de entrega ao cliente. Estas tecnologias utilizam um sistema de comunicação digital bidireccional, tais como, os sistemas de radiofrequência (RF), sistemas PLC ou opções de banda larga como o BPL (banda larga sobre linhas eléctricas) ou redes sem fio. As smart grid s possibilitam uma melhor gestão da rede eléctrica, de forma a optimizar a rede para uma utilização mais equilibrada, economizando a energia eléctrica, reduzindo custos e aumentando a confiabilidade e transparência do sistema. 17

18 A monitorização de toda a rede, permite por exemplo, desligar uma subestação ou diminuir a produção de energia eléctrica numa central, caso a necessidade energética seja inferior ao que está a ser produzido. [8] A smart grid funciona como um sistema de monitorização inteligente que mantém o controlo de toda a electricidade que flui no sistema. Este sistema de monitorização também incorpora o uso de linhas de transmissão supercondutoras para menor perda de potência, bem como a capacidade de integração de fontes alternativas de energia como a solar e a eólica. Quando a electricidade é mais barata, uma rede inteligente pode ligar electrodomésticos seleccionados, tais como, máquinas de lavar roupa ou processos de uma fábrica que podem ocorrer a horas arbitrárias. Em horários de pico energético, esta rede poderia desligar os aparelhos seleccionados para reduzir a demanda energética nesses períodos de pico, diminuindo assim os gastos energéticos Esta rede eléctrica inteligente moderna está a ser promovida por muitos governos como uma forma de abordar a independência energética, o aquecimento global e questões de resiliência de emergência. Os contadores inteligentes podem ser parte de uma rede inteligente, mas por si só não constituem uma rede inteligente [3] Tecnologia PLC A tecnologia PLC utiliza a rede eléctrica para transmitir dados e voz em banda larga, representando uma alternativa à construção de infra-estruturas dedicadas [16]. Apesar da tecnologia PLC ser usada desde 1950, para serviços com baixa taxa de transmissão de dados, tal como controlo remoto de dispositivos da rede eléctrica, tornouse mais importante nos anos mais recentes devido à evolução tecnológica que permitiu aumentar as potencialidades dos PLC s e possibilitou as comunicações de alta velocidade em linhas de média (15/50kV) e baixa (110/230V) tensão fossem possíveis [11]. No entanto, existem ainda vários problemas técnicos e questões regulatórias que estão por resolver. Além disso, os estudos teóricos e práticos sobre PLC são reduzidos, existindo apenas alguns resultados gerais sobre o desempenho final na rede eléctrica. A utilização de PLC s a alta velocidade em longas distâncias requer ainda mais investigação, apesar disso a tecnologia PLC poderá constituir-se como uma alternativa bastante boa tanto em termos de custo como de eficiência para o problema da conectividade do último quilómetro (last mile problem) [14]. 18

19 Na maioria dos países existem regulamentos e normas específicas para PLC, que devem ser seguidas. Nos Estados Unidos da América é regulamentado pela FCC, no Japão pela ARIB, na Europa, pelo CENELEC (EN50065). Na Europa, o CENELEC EN50065 é a norma que define as faixas de frequências para a transmissão de dados em baixa tensão. Essas quatro bandas estão situadas na faixa de frequências entre 3 khz e 148,5 khz Vantagens As vantagens das tecnologias PLC para aplicações de automação da rede eléctrica são: Extensa cobertura geográfica: pois toda a infra-estrutura da rede eléctrica está já montada, um pouco por todo o lado. É especialmente vantajosa nas subestações nas zonas rurais, onde geralmente não existe outro tipo de infraestruturas para a comunicação; Custo: a rede de comunicação pode ser estabelecida rapidamente e de forma rentável, pois utiliza os fios já existentes da rede eléctrica [11] Desvantagens As principais desvantagens subjacentes a esta tecnologia são: Fontes de ruído sobre as linhas de energia: as linhas eléctricas encontram-se em ambientes com bastantes fontes de ruído, tais como: motores eléctricos, fontes de alimentação, lâmpadas fluorescentes e interferências do sinal de rádio [12]. Este ruído leva a perdas de bits nas comunicações PLC, o que prejudica em muito o seu desempenho; Atenuação e distorção do sinal: em linhas eléctricas, a atenuação e distorção de sinais são consideráveis tanto devido à topologia da rede de energia como à flutuação das cargas nas linhas de energia [13]. Capacidade: baixa taxa de transmissão de dados, largura de banda reduzida, usa uma faixa de frequências entre os 3kHz até os 148,5kHz (Cenelec A- B-C) [10]; Segurança: maiores interferências electromagnéticas (EMI) no meio envolvente. Os sinais são facilmente interceptados por receptores de rádio o que obriga ao uso de técnicas de criptografia [13]; Falta de regulamentação: falta de modelos protocolares estandardizados internacionalmente [16]. 19

20 1.7. Explicação do Problema Como já referi anteriormente, as comunicações assumem um papel fulcral nas smart grid s, e como tal, a solução que está a ser utilizada no projecto InovGrid não se adequa às necessidades do projecto. O modem da Renesas só consegue transmitir dados a uma velocidade bastante reduzida e com baixa capacidade, cerca de 600bits por segundo. Como tal, é necessário efectuar um estudo alargado sobre os diferentes modems PLC existentes no mercado, visto ser uma tecnologia bastante recente, que faz uso de diferentes modulações. Este estudo visa encontrar a melhor solução tecnológica para este problema. 20

21 Capítulo 2 Smart Grid s Primeiros passos em Portugal Neste momento, a Efacec juntamente com a EDPD e outras empresas encontram-se envolvidas num projecto de desenvolvimento de smart grid s, o InovGrid que começou em 2007, e tem prevista a implementação no terreno para Março / Abril de A Efacec encontra-se responsável pelo desenvolvimento dos DTC s e da comunicação destes com as EB s, via tecnologia PLC. Estão instalados DTC s e EB s de teste em várias zonas do país, tais como: Cruz Quebrada, Paço de Arcos, na Boavista em Lisboa em instalações da EDP e também foram colocados DTC s em linhas aéreas na região de Lisboa, em Viana do Castelo e em Évora. Para Évora está prevista a implementação final de um grande número de DTC s, bem como EB s, esta será a maior smart grid do país, na já apelidada cidade inteligente Modem da Renesas O modem da Renesas, o M16C/6S suporta padrões mundiais, incluindo FCC (E.U.A.), ARIB (Japão), CENELEC A e B (Europa). A solução é flexível, uma vez que o mesmo dispositivo, M16C/6S, pode ser usado para suportar todos os padrões mundiais, sendo apenas necessário modificar alguns dos componentes externos e o software de 21

22 configuração. O CENELEC C não é suportado dado que se utiliza um esquema específico de prevenção de colisões e, embora a M16C/6S suporte CSMA / CA, não é compatível com a definida na norma CENELEC C. Derivado da técnica de modulação implementada no M16C/6S, um espectro alargado e robusto, o CENELEC D não é suportado. O CENELEC D é uma banda muito estreita. Figura Evolution Kit do Modem PLC da Renesas [17] Este kit tem um modem que funciona como concentrador e outros dois modems que funcionam como nós, o dispositivo sniffer que permite verificar os endereços de origem e destino das tramas, e se estas foram correctamente transmitidas, isto é, permite monitorizar as comunicações entre o concentrador e os nós filhos. Tem também um dispositivo (E8a emulator) que permite reprogramar o firmware dos modems. A solução Renesas utiliza uma técnica única de modulação de espalhamento espectral de banda larga chamada DCSK, que é robusta contra as fontes de ruído que atacam as linhas de energia [17]. O hardware PLC deverá ser instalado um por cada fase do sistema, podendo cada modem ser usado para transmitir e receber em até 3 canais (sistemas trifásicos) e é capaz de fazer uma decisão automática 2-de-3 para cada transmissão, isso significa que, se os pacotes recebidos em 2 dos 3 canais, corresponderem com o pacote de dados, este é aceite. O M16C/6S tem vários mecanismos para tornar a comunicação mais robusta. Estes mecanismos são incorporados no hardware, tais como: - CRC (Cyclic Redundancy Checksum); 22

23 - FEC (Forward Error Correction); - CSMA / CA (Carrier Sense Multiple Access / Carrier Avoidance); - LQI (Quality line Indicator); - três modos diferentes de comunicação (standard mode, roboust mode, extremely robust mode) [17] Diagrama de Blocos do M16C/6S O M16C/6S é um microcomputador de chip único, construído utilizando tecnologia CMOS de alta performance. Estes microcomputadores single-chip funcionam utilizando instruções sofisticadas com um elevado nível de eficiência de instrução, capazes de executar instruções em alta velocidade. O M16C/6S é adequado para a rede PLC, porque inclui a tecnologia avançada IT800 desenvolvida pela empresa Yitran. No módulo MCU encontram-se uma memória flash de 96kByte e 24kBytes de RAM. Figura Diagrama de blocos do modem M16C/6S [18] O circuito Analogue Front End (AFE) inclui caminhos de recepção e transmissão e está localizado entre o Acoplamento à linha e o M16C/6S. 23

24 Alguns dos circuitos AFE estão no chip, outros são circuitos externos. A figura em cima fornece uma descrição geral do diagrama de blocos AFE, bem como dos restantes módulos. O AFE on-chip inclui um conversor digital para analógico (DAC) no caminho de transmissão, um pré-amplificador e um conversor analógico para digital (ADC) no caminho da recepção. O DAC é parte do caminho de transmissão. O Filtro de entrada externo está ligado ao préamplificador, que é parte do caminho de recepção. A saída de cada filtro do canal externo no caminho da recepção está conectado a uma entrada de 1-bit ADC. Existem três unidades semelhantes ADC incorporados no chip [18]. Tabela Especificações do Modem M16C/6S Taxa de transferência de pacotes Cenelec A (indoor) e B (outdoor) - Europa Robust Mode Extremely robust mode 2.5kbps 0.625kbps Banda de frequência Indoor Outdoor Cenelec B 95~125kHz C 125~140kHz D 140~148.5kHz Cenelec A - 3~95kHz Protocolo de acesso ao canal CSMA / CA (apenas no Cenelec C) Controlo de retransmissão Acknowledged e Unacknowledged Gama de temperaturas Normal Mode Extended Mode -20 ºC ~ 85ºC -40 ºC ~ 85 ºC Estrutura da rede A rede do modem M16C/6S encontra-se estruturada em árvore (figura 2.2), na qual o nó concentrador, é o nó principal e que é instalado no PT, dentro do DTC e os restantes nós, se encontram nas diferentes habitações alimentadas pelo PT. Cada nó possui um endereço que o identifica na rede e estão distribuídos pelos diferentes níveis de hierarquia até ao máximo de sete níveis. 24

25 Figura Estrutura da rede PLC [17] Os nós mais próximos do concentrador comunicam directamente com este, mas os que se encontram mais longe poderão não conseguir estabelecer comunicação directa, podendo entretanto recorrer a outros nós na sua vizinhança, que funcionarão, neste caso, como repetidores, permitindo que a informação chega ao destino, o concentrador [17] Modulação DCSK A modulação utilizada pelo modem da Renesas é o DCSK (differential code shift keying), modulação desenvolvida pela Yitran, e pertence à família das técnicas de modulação de espalhamento espectral. A técnica de modulação de espalhamento espectral é uma técnica em que é utilizada, aquando da transmissão, uma largura de banda muito superior à banda mínima necessária para transmitir a informação. Desta forma, a energia do sinal transmitido passa a ocupar uma banda muito maior do que a da informação. A desmodulação é feita pela correlação entre o sinal recebido e uma réplica do sinal usado para espalhar a informação [1]. Esta modulação DCSK é bastante parecida com a modulação FSK - Frequency-shift keying, que é uma técnica de modulação na qual o sinal digital modulante varia a frequência de uma onda portadora analógica de acordo com valores pré-determinados. 25

26 Inicialmente eram utilizados apenas dois valores de frequência, cada um representando um nível binário 1 ou 0. Este método passou a ser chamado de BFSK. Foram então introduzidos mais valores de frequência, o que permitiu a codificação de dois ou mais bits por valor [4]. No caso da técnica de modulação DCSK, que possui particularidades relativamente à técnica de espalhamento espectral, aspectos esses que passo a explicar. No DCSK um sinal chirp (sinal com frequência de varrimento) começa e termina em frequências diferentes, dependendo do símbolo transmitido, que lhe confere maior robustez contra erros que possam levar à perda de pacotes, durante a transmissão. Figura Exemplo de uma transmissão DCSK [18] O exemplo acima evidencia os sinais para o envio de um símbolo de H'0000 e H'0101. O eixo vertical descreve a frequência, aqui pode-se observar que o início e fim das frequências são diferentes representando, portanto, um símbolo diferente [18]. 26

27 Capítulo 3 O que há no mercado Actualmente várias empresas concentram esforços na tecnologia PLC, pois as smart grid s encontram-se em forte expansão no mercado. É o caso da Iberdrola, empresa da sector energético, com o seu projecto Prime, no qual várias empresas se encontram associadas, tais como, a Texas Instruments, a ADD, a Itran (entre outras), espero ter brevemente um modem da ADD para efectuar testes e poder constituir-se como mais uma solução PLC [9]. A EDF (Électricité de France) também se encontra a desenvolver um projecto de contadores inteligentes para smart grid s, fazendo uso de modems PLC que utilizam a técnica de modulação OFDM. Estes modems estão a ser desenvolvidos pela Maxim, o modem MAX2991 é disso exemplo e será alvo de uma análise pormenorizada na minha dissertação, este modem é uma evolução do anterior MAX2990. De referir que esta tecnologia é bastante recente e se encontra em estado embrionário pelo que pequenas alterações ainda poderão ocorrer, de forma a melhorar a performance e robustez destes dispositivos [10]. 27

28 3.1- Modem da Maxim O modem PLC da Maxim, o MAX2991 é o primeiro AFE (analog-front-end) projectado especificamente para OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) transmissão de sinais modulados sobre as linhas de energia eléctrica. Este modem opera na banda dos 10KHz até aos 490KHz, os filtros programáveis permitem a sua adaptação para o CENELEC, FCC e normas ARIB, utilizando o mesmo dispositivo. Figura Modem Max2991 da Maxim O MAX2991 tem dois caminhos principais. O caminho de transmissão é responsável por injectar um sinal com modulação OFDM na linha AC e é composto por um filtro digital IIR, DAC (Conversor Digital - Analógico), seguido por um filtro passa - baixo, e um preline driver. O caminho do receptor é responsável pelo aumento do sinal, filtragem e digitalização do sinal recebido. O receptor é composto por um filtro passa - baixo e um filtro passa - alto, um controlador automático de ganho de dois estágios (AGC), e um ADC (Conversor Digital - Analógico). O AGC integrado é utilizado para maximizar a gama dinâmica do sinal até os 62 db, já o filtro passa - baixo é utilizado para remover qualquer ruído fora de banda, e para seleccionar a banda de frequência desejada. O ADC converte o sinal amplificado para um formato digital e um circuito de cancelamento de deslocamento é utilizado para minimizar o offset DC [19]. 28

29 Figura Diagrama de blocos do chip do Max2991 [19] O AFE do MAX2991 é um dispositivo CMOS que oferece alto desempenho e baixo custo. Este dispositivo altamente integrado combina circuitos ADC, DAC, de condicionamento de sinal, e driver para ligar à rede eléctrica como se mostra no diagrama de blocos da figura acima. O seu design permite a operação sem controles externos, permitindo a conexão simplificada a uma variedade de chips digitais da camada física (PHY) [19] Canal receptor O bloco receptor consiste num amplificador de baixo ruído (VGA1), seguido por um filtro passa - baixo (LPF), um filtro passa - alto (HPF), e controlo automático de ganho do circuito (AGC). O amplificador de baixo ruído instalado no canal receptor reduz a entrada de ruído no canal, proporcionando um ganho de sinal adicional para a entrada do AFE e os blocos de filtros removem qualquer ruído fora da banda utilizada e fornecem anti - aliasing para amostragem exacta exigida pela ADC. A combinação do filtro passa - baixo e o filtro passa - alto é usado para fornecer uma largura adequada para a várias faixas de frequências que o AFE está configurado para operar [19]. 29

30 Canal transmissor O canal de transmissão é constituído por um conversor digital - analógico (DAC), um filtro passa - baixo, e um buffer de pré - driver. O DAC recebe o fluxo de dados da camada física digital (PHY), através da interface SPI. O filtro passa - baixo remove os harmónicos adjacentes à largura de banda, para ajudar a reduzir qualquer frequência de transmissão fora da banda desejada. Este filtro garante que o sinal transmitido satisfaz os requisitos especificados nas normas de banda estreita (narrowband) e banda larga (wideband). O nível de saída é ajustável pelo controlo de ganho pré - driver que proporciona até 6 db de ganho e atenuação de 10 db [19] Técnica de Modulação OFDM Introdução A técnica de modulação Orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM), também conhecida como discrete multitone modulation (DMT), é uma técnica suplantada na ideia de multiplexação por divisão de frequência (FDM), onde múltiplos sinais são enviados em diferentes frequências. É uma tecnologia com um elevado grau de complexidade ao nível da sua implementação, mas é bastante utilizada em telecomunicações, recorrendo a sistemas digitais para tornar mais simples o processo de codificação e descodificação dos sinais. Por exemplo quando utilizamos os aparelhos de rádio e televisão, geralmente, cada estação é associada a uma determinada frequência (ou canal), onde realiza as suas transmissões. OFDM parte deste conceito de base mas vai mais além, pois divide uma única transmissão em múltiplos sinais com menor ocupação espectral, com a particularidade de, em vez de utilizar bandas de guarda para a separação das subportadoras na recepção do sinal, utiliza uma particular sobreposição espectral das subportadoras. Neste processo de modulação OFDM, são utilizadas várias subportadoras em diferentes frequências para modular o sinal digital. Estas subportadoras são ortogonais entre si, para evitar que ocorram interferências entre elas. Isso significa que o espaçamento entre as portadoras é igual ao inverso da duração de um símbolo. A figura abaixo ilustra a forma como as portadoras são separadas no tempo e na frequência. [2] 30

31 Figura Ilustração da separação das portadoras na frequência e no tempo [5] Um sinal OFDM em banda base é a soma de várias subportadoras ortogonais, os dados de cada subportadora são independentemente modulados usando por exemplo QAM ou PSK. A modulação OFDM exige uma sincronização precisa entre o transmissor e o receptor, pois qualquer desvio nas subportadoras pode afectar a ortogonalidade. Das diversas vantagens da utilização do OFDM destaco a elevada eficiência espectral, imunidade contra multi-percursos e filtragem de ruído simples. Alguns sistemas OFDM usam algumas subportadoras para carregarem sinais piloto, que são usados para sincronismo. A sincronização entre o transmissor e receptor em OFDM é fundamental, uma vez que um ligeiro desvio poderá comprometer a ortogonalidade das subportadoras. [2] Caracterização da Técnica de OFDM Nos sistemas convencionais de transmissão, os símbolos são enviados em sequência através de uma única portadora (modulada na taxa de símbolos da fonte de informação), cujo espectro ocupa toda a faixa de frequências disponível. A técnica de OFDM consiste na transmissão paralela de dados em diversas subportadoras com modulação QAM ou PSK e taxas de transmissão por subportadora tão baixas quanto maior o número destas. A redução na taxa de transmissão (aumento da duração dos símbolos transmitidos em cada subportadora) implica uma diminuição da sensibilidade à selectividade em frequência (dispersão no tempo) causada pelo multipercurso. Num sistema OFDM o espaçamento entre as subportadoras é cuidadosamente seleccionado conforme se ilustra na figura abaixo [5]. 31

32 Figura Subportadoras de um sinal Ofdm, frequência normalizada em relação ao valor 1/T [5] Apesar de existir sobreposição espectral de subportadoras moduladas, existe ortogonalidade entre as mesmas, a qual se deve ao espaçamento da frequência utilizado. Porém, para que se tenha ortogonalidade entre os subcanais na recepção, é necessário que as subportadoras estejam centradas nas respectivas frequências dos subcanais OFDM, para além da devida sincronização de relógio. Esta sobreposição espectral particular permite uma economia significativa de banda relativamente à técnica FDM tradicional, conforme ilustrado na figura em baixo. Pode-se obter uma economia de banda de aproximadamente 50%. Figura Espectros de FDM convencional (1) e OFDM (2) [5] 32

33 Relativamente ao domínio do tempo, a característica de ortogonalidade entre subportadoras implica que duas portadoras quaisquer difiram exactamente por um número inteiro de ciclos, uma vez que estão separadas em frequência por um valor múltiplo de 1/T. A figura abaixo ilustra esta propriedade para o caso de quatro subportadoras. Figura Quatro Subportadoras no domínio do tempo [5] A modulação e desmodulação do sinal OFDM requerem conjuntos de osciladores coerentes, que tornam este processo numa implementação complexa e cara, particularmente quando o número de subportadoras é elevado. Contudo, estes processos de modulação e desmodulação podem ser executados de forma mais simples utilizando nomeadamente algoritmos baseados na Transformada Rápida de Fourier (FFT). A largura de banda dos subcanais de um sistema OFDM é dada pela divisão da largura de banda total destinada ao sistema pelo número de subportadoras. Trabalhar com canais mais estreitos, em vez de um único canal mais largo traz um grande benefício no que diz respeito à selectividade em frequência. Apesar do termo multiplexagem, aparecer ligado à técnica OFDM há que referir que em rigor não ocorre multiplexagem num sistema OFDM, mas sim a transmissão paralela de uma sequência de bits originalmente única. [2] 33

34 Capítulo Resultados Testes Nos testes que já efectuei com o modem da Maxim, o MAX2991, colocando um modem com funções de receptor, num posto de transformação na Efacec e outro modem com funções de transmissor numa sala de testes nas imediações do PT. Seguidamente, apresento alguns resultados dos testes que efectuei, através do programa Hyper-Terminal e utilizando a interface que já se encontra implementada nos modems PLC. Estes testes serviram para melhor compreender o funcionamento destes dispositivos e ajudar no estudo da tecnologia PLC, não têm portanto um carácter vinculativo, servem apenas como uma base sólida para a implementação e desenvolvimento do trabalho futuro na dissertação. 34

35 Figura Testes feitos no Transmissor em modos e ganhos diferentes Para permitir uma leitura mais fácil da imagem, passo a explicar os símbolos presentes: TX - representa o número de pacotes transmitidos; ACK número de acknowledge recebidos, demonstra o número de tramas enviadas com sucesso; ReTX - indica o número de pacotes retransmitidos; TX Rate - é a taxa de transmissão de tramas. Nestes testes preliminares (fgura 4.1), feitos no modem programado com funções de transmissor foi possível ter a percepção que para ganhos abaixo de 6dB e no modo normal os modems não conseguiam comunicar, somente a 6dB a comunicação foi estabelecida. Já no modo robusto a partir de 0dB já era estabelecida comunicação entre ambos os lados, mas conforme aumentava o ganho do canal maior era o número de pacotes transmitidos com sucesso. 35

36 Figura Testes feitos no receptor em modos e ganhos diferentes Na imagem acima há que referir que: RX - é o número de pacotes recebidos; SNR - é o signal to noise ratio, quanto mais baixo for este valor maior é o ruído presente no canal; CRC16 - indica o número de pacotes corrompidos; RX Rate - evidencia a taxa dos dados recebidos. Como podemos verificar na imagem acima, no receptor os resultados foram piores do que no transmissor, uma vez que, o número de tramas bem recebidas é bastante baixo, portanto bastantes tramas são descartadas, pois contém erros. De notar que ambos os modems podem funcionar tanto com transmissor como receptor. Durante o próximo semestre, na dissertação, irei abordar e efectuar de uma forma mais pormenorizada e detalhada estes testes, tentando descobrir as razões desta baixa taxa de 36

37 transferência de dados, poderá dever-se a interferência por parte de fontes de ruído externas, tais como, motores ou geradores Planeamento de trabalho Futuro Organização de tarefas Numa primeira fase a atendendo aos objectivos anteriormente enumerados, haverá espaço para simular e testar os diferentes modems PLC, no terreno, neste caso no PT da Efacec, sendo ponderada a hipótese de fazer alguns testes com os DTC s e EB s já implementados, fazendo uma análise dos resultados e procurar resolver as interferências externas. Numa segunda fase da dissertação haverá a possibilidade de trabalhar esses dados recolhidos com a expectativa de comprovar qual a melhor solução PLC para a smart grid que irá ser implementada. A terceira fase da dissertação será destinada à escrita do relatório final da dissertação, assim como de todas as conclusões sobre a mesma Medição no terreno As medições serão efectuadas maioritariamente na Efacec, recorrendo a um analisador espectral tanto do lado do transmissor como do receptor nos diferentes modems PLC. Serão analisadas as interferências e analisadas as velocidades e capacidades de transmissão de dados Conclusão Com este trabalho foi possível analisar e estudar a tecnologia PLC bem como o seu uso e todos os aspectos subjacentes. Para já não é possível retirar conclusões sobre os testes efectuados, ficando para o segundo semestre uma análise mais detalhada e uma possível integração de um novo modem PLC da ADD neste estudo. 37

38 Referências [1] Wikipédia - A Enciclopédia livre. Disponível em Acesso em 20/Janeiro/2009. [2] Wikipédia - A Enciclopédia livre. Disponível em Acesso em 20/Dezembro/2009. [3] Wikipédia - A Enciclopédia livre. Disponível em Acesso em 25/Janeiro/2010. [4] Wikipédia - A Enciclopédia livre. Disponível em Acesso em 25/Janeiro/2010 [5] Manuel Carlos Pereira Baptista, Identificação e caracterização da Modulação dos sinais digitais, Departamento de electrónica, telecomunicações e informática da Universidade de Aveiro, [6] Carrapatoso, António M.; Gomes, Fernando M. ; IT 43 - Projecto InovGrid - A evolução da rede de distribuição como resposta aos novos desafios do sector eléctrico, 2008; [7] oduto=238, consultado em Novembro de 2009; [8] Heidell, James; Ware, Harold; Is There a Case for Broadband Utility Communications Networks? Valuing and Pricing Incremental Communications Capacity on Electric Utility Smart Grid Networks, Dezembro de 2009; [9] Sendin, Alberto; First Deployment of PRIME compliant Meters, Outubro de 2009; [10] Hirsch, Martial Monfort Jeremny; Performance of open-standard PLC technologies on ERDF distribution network, 2009; [11] I.H. Cavdar, A solution to remote detection of illegal electricity usage via power line communications, IEEE Transactions on Power Delivery, 19 Outubro de 2004; [12] V.C. Gungor, F.C. Lambert; A survey on communication networks for electric system automation, 21 February 2006; [13] N. Pavlidou, A.J.H. Vinck, J. Yazdani, B. Honary; Power line communications: state of the art and future trends, IEEE Communications Magazine 41, Abril de 2003; [14] Y. Abe et al., Development of high speed power line communication modem, SEI Technical Review 58, Junho de 2004; [15] S. Galli, A. Scaglione, K. Dosterl, Broadband is power: Internet access through the power line network, IEEE Communications Magazine 41, Maio 2003; [16] W. Liu, H. Widmer, P. Raffin, Broadband PLC Access systems and field deployment in European power line networks, IEEE Communications Magazine 41, Maio de

39 [17] Renesas Technology Corporation, Introduction to PLC micro-controller, M16C/6S, Fevereiro de [18] Renesas Technology Corporation, Manuals of M16C/6S, Abril de [19] MAXIM, MAX2991 Preliminary Datasheet, Novembro de [20] Faccioni, André Umberto; Trichez, Lucas Marcon; Macedo, Ronaldo Lopes, Análise sobre tecnologia PLC (Power Line Communication), Junho de