CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SISTEMAS ELÉTRICOS THIAGO LOPES FERREIRA VICENTE DO ROSÁRIO MATTOS ESTUDO DAS TECNOLOGIAS DE TRANSMISSÃO DE DADOS POWER LINE COMMUNICATIONS E SUA APLICABILIDADE Campos dos Goytacazes / RJ Dezembro 2010
1 THIAGO LOPES FERREIRA VICENTE DO ROSÁRIO MATTOS ESTUDO DAS TECNOLOGIAS DE TRANSMISSÃO DE DADOS POWER LINE COMMUNICATIONS E SUA APLICABILIDADE Monografia apresentada ao Instituto Federal Fluminense Campus Campos Centro como requisito parcial para conclusão do Curso Superior de Tecnologia em Sistemas Elétricos. Orientador: Profº. D.Sc William da Silva Vianna Co orientadora: Prof.ª M.Sc Simone da Hora Macedo Campos dos Goytacazes / RJ 2010
2 THIAGO LOPES FERREIRA VICENTE DO ROSÁRIO MATTOS ESTUDO DAS TECNOLOGIAS DE TRANSMISSÃO DE DADOS POWER LINE COMMUNICATIONS E SUA APLICABILIDADE Monografia apresentada ao Instituto Federal Fluminense Campus Campos Centro como requisito parcial para conclusão do Curso Superior de Tecnologia em Sistemas Elétricos. Aprovada em data: 22/12/2010 Banca Avaliadora:... Profº William da Silva Vianna (orientador) Doutor em Ciência dos materiais - UENF IFF Campus Campos Centro... Profª Simone da Hora Macedo ( co-orientadora ) Mestre em Tecnologia - CEFET - Rio / Mestre em Educação UERJ IFF Campus Campos Centro... Profº Felipe Nunes Radtke Tecnólogo em automação industrial CEFET - Campos IFF Campus Campos Centro... Profº Luilcio Silva Barcelos Especialista em informática em educação - UFLA IFF Campus Campos Centro
3 AGRADECIMENTOS Agradecemos em primeiro lugar a Deus por ter nos sustentado e colocado as pessoas certas em nosso caminho como o professor Willian que nos orientou devidamente e compartilhou parte do seu tempo e do seu conhecimento para que este trabalho fosse desenvolvido. Agradecemos ao Instituto Federal Fluminense por ter nos oferecido um ensino de qualidade com toda a estrutura necessária diante de nossas humildes origens. Agradecemos também aos nossos amigos e colegas que em todo tempo se mantiveram nos apoiando e ajudando na motivação e incentivo. Agradecemos aos nossos pais por darem credibilidade ao nosso potencial.
4 Os que desistem da guerra aparentemente não sofrem, mas ao aplaudirem os vencedores, sofrem por perceber o quanto foram insignificantes ao desistir. Thiago Lopes Ferreira Vicente do Rosário Mattos
5 RESUMO Com o desenvolvimento da tecnologia Power Line Communications (PLC) é possível transmitir dados e voz em banda larga através de uma das redes mais utilizadas em todo o mundo: a rede de energia elétrica. Como toda nova tecnologia, ainda não tem confirmado seu pleno e total funcionamento aplicável nos sistemas elétricos do mundo e por isso, encontra-se em fases de testes em vários estados brasileiros e no exterior, mostrando assim suas limitações e desafios a serem superados. São várias as suas aplicabilidades nas áreas de vídeo, telefonia IP, serviços de monitoramento de trânsito, automação residencial, monitoramento de processos produtivos on-line, etc., trazendo maior facilidade ao acesso a esses serviços em regiões onde não é possível se ter internet e até mesmo economia na aplicação dentro das grandes indústrias. No entanto, os estudos teóricos demonstram seus problemas como ruído, atenuação, impedância da rede e interferência que na prática estão sendo testados e cuidadosamente analisados para uma efetivação deste serviço em regiões onde o poder público se interessar em investir na sua implementação. Assim, essa obra tem por finalidade realizar uma revisão bibliográfica contextualizando as vantagens e as desvantagens das tecnologias Power Line Communications, seguida de análise crítica. Palavras chave: Contextualização. Pleno funcionamento. Aplicabilidades. Problemas.
6 ABSTRACT With the development of technology Power Line Communications (PLC) can transmit voice and data broadband through a network widely used around the world: the power grid. Like any new technology, it confirmed its full and total operation applicable in the electrical systems of the world and therefore is in testing phases in several Brazilian states and abroad, thus showing its limitations and challenges to be overcome. There are several areas in their applications, video, IP telephony services, traffic monitoring, home automation, on-line process monitoring, etc.. Bringing easier access to these services in regions where it is possible to have internet and even economy on the implementation of large industries. However, theoretical studies show their problems as noise, attenuation, impedance and network interference that in practice are being tested and scrutinized to a realization of this service in areas where the government is interested in investing in its implementation. Thus, this work aims to review literature contextualizing the advantages and disadvantages of the Power Line Communications technology, followed by critical analysis. Key words: Background. Rolling. Applicability. Problems.
7 LISTA DE ABREVIATURAS Access Point 802.11 - Ponto de acesso no padrão IEEE 802.11 (Wireless Local Area Networks) ACK Acknowledgement AM - Modulação em Amplitude ARQ - Automatic Repeat Request BPL - Broadband Over Power Lines Bps - Bits por segundo BT - Baixa Tensão CA0 Classe 0 CA1 Classe 1 CA2 Classe 2 CA3 Classe 3 CEEE - Companhia Estadual de Energia Elétrica do Rio Grande do Sul Cemig - Companhia Energética de Minas Gerais CIFS Contention Distributed Interframe Space Copel - Companhia Paranaense de Eletricidade CPE - Customer Premise Equipment CRC - Cyclic Redundant Check CSMA-CA - Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA-CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CW - Contention Window DC - Deferral Counter DES - Data Encryption Standart DPL - Digital Powerline DSL - Digital Subcriber Line EFG - End of Frame Gap Eletropaulo - Eletricidade de São Paulo EOF - End of Frame Fast Ethernet - Evolução da tecnologia Ethernet, com taxa de transmissão de 100Mbps FDM - Frequency Division Multiplexing
8 FDMA - Frequency Division Multiple Access FEC - Forward Error Correction Code FP - Final Permutation Gigabite Ethernet - Padrão se utiliza uma taxa de transmissão de 1000Mbps GMSK - Gaussian Minimum Shift Keying HF High frequency Home Plug AV Nova versão do padrão Home Plug 1.0 Home Plug 1.0 - Especificação para redes Power Line Communications IBM - International Business Machines IE - Intermediate Equipment (Equipamento intermediário) IP - Initial Permutation khz - Kilohertz KV - Quilovolt KWh Quilowatt/hora MAC - Media Access Control Mbps - Megabits por segundo MHz - Megahertz ms - Milissegundo NACK - Negative Acknowledgement Nortel - Northern Telecom OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing PCS Physical Carrier Sense PLC Power Line Communications PLIC - Power Line Indoor Communication PLOC - Power Line Outdoor Communication PR - Priority Resolution RC - Ripple Control RIFS - Response Distributed Interframe Space RJ11 - Interface utilizada em telefonia RJ45 Interface utilizada em redes Ethernet ROBO - Robust Orthogonal Frequency Division Multiplexing SOF - Start of Frame TCP/IP - Transmission Control Protocol/Internet Protocol
9 TE - Transformer Equipment (Equipamento transformador) USB - Universal Serial Bus V - Volt VCS Virtual Carrier Sense VLAN Virtual Local Area Network VoIP - Voice over Internet Protocol WAP - Wireless Acess Point Wi-fi - Wireless fidelity (fidelidade sem fios) XDSL - Refere-se a todos os tipos de Digital Subscriber Lines: Asymmetric DSL (ADSL), Symmetric DSL (SDSL), High-data-rate DSL (HDSL) e Very High DSL (VDSL) µs- Microsegundos
10 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1. Topologia do Sistema Elétrico...18 FIGURA 2. Gráfico esquemático da modulação FDM e OFDM...24 FIGURA 3. Distribuição de 3 subportadoras com a OFDM...25 FIGURA 4. Distribuição da Frequência nos métodos de modulação...27 FIGURA 5. Lógica do método de acesso...30 FIGURA 6. Processo de transmissão de dados no protocolo Homeplug 1.0...31 FIGURA 7. Quadro longo...32 FIGURA 8. Quadro curto...32 FIGURA 9. Caixa de Distribuição...37 FIGURA 10. Exemplo de modem PLC...38 FIGURA 11. Repetidor BT...40 FIGURA 12. Acopladores...41 FIGURA 13. Equipamentos PLC dispostos no sistema elétrico de potência...42 FIGURA 14. Função Feistel no DES...45 FIGURA 15. HomePlug NETGEAR...52 FIGURA 16. HomePlug ZYXEL...52 FIGURA 17. Diagrama Funcional NETGEAR...54 FIGURA 18: Diagrama Funcional ZYXEL...56
11 SUMÁRIO LISTA DE ABREVIATURAS...7 LISTA DE FIGURAS...10 INTRODUÇÃO...13 1. PRINCÍPIOS DO SISTEMA ELÉTRICO...18 1.1. Geração...18 1.2. Transmissão...19 1.3. Distribuição...20 2. ENTENDENDO A PLC...21 2.1. Classificação das tecnologias...21 2.1.1. Quanto a frequência...21 2.1.2. Quanto a localização...22 2.2. FUNCIONAMENTO...23 2.2.1. Spread Spectrum...23 2.2.2. Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM...24 2.2.3. Gaussian Minimum Shift Keying - GMSK...26 2.3. Método de acesso...27 2.3.1. Formação do Quadro...31 3. ORGANIZAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS NO SISTEMA ELÉTRICO...35 3.1. Rede Interna...35 3.2. Rede de Acesso...35 3.3. Rede de Distribuição...36 3.4. Equipamentos e Acessórios...37 3.4.1. Caixa de distribuição...37 3.4.2. Isolador de ruídos...37
12 3.4.3. Modem...38 3.4.4. Injetor...39 3.4.5. Repetidor...39 3.4.6. Extrator...40 3.4.7. Equipamento transformador...40 3.4.8. Master...41 3.4.9. Acopladores...41 4. SEGURANÇA...44 5. APLICABILIDADE...47 5.1. Internet banda larga...47 5.2. Telefonia...48 5.3. Transmissão de vídeo...48 5.4. Automação...48 6. LIMITAÇÕES APRESENTADAS PELA TECNOLOGIA PLC...49 6.1. Ruidos...49 6.1.1. Síncronos...49 6.1.2. Tonal...49 6.1.3. De alta frequência...50 6.2. Por capacitores...50 6.3. Atenuação...50 6.4. impedância na rede...50 6.5. Interferência...51 7. COMPARAÇÃO ENTRE DOIS EQUIPAMENTOS PLC...52 CONSIDERAÇÕES FINAIS...58 REFERÊNCIAS...62
13 INTRODUÇÃO O mundo vive constantes transformações, pois a cada nova geração mudam-se as formas de se relacionar e de viver em sociedade. Esta geração ficará marcada pelas transformações causadas pelo uso da internet, que implica no tráfego de dados, os quais tem produzido grande difusão nas relações sociais e econômicas pelo globo terrestre. Desta forma, melhorias estão sendo buscadas para tornar essas transmissões de dados, vídeos e voz melhor estruturadas, aproveitando a existência da estrutura da rede elétrica e o aumento no desempenho que a tecnologia Power Line Communications traz na transmissão de dados por meio da rede elétrica, comparada com a velocidade das redes utilizadas atualmente, as quais ainda utilizam meios que possuem alto custo, como por exemplo, a fibra óptica, além da dificuldade em sua implantação. No entanto, na implantação desta nova tecnologia há a praticidade, o aproveitamento de uma estrutura já pronta proporcionando uma redução no custo com a implantação da nova estrutura, trazendo assim uma melhor qualidade na transmissão dos dados e redução nos gastos com infra-estrutura. Por definição, a tecnologia PLC consiste em transmitir dados e voz em alta velocidade pela rede de energia elétrica. Como utiliza uma estrutura para seu funcionamento que já está disponível, dispensa obras como, por exemplo, de cabeamento, em sua instalação. Com isso gerando uma alta economia. Inicialmente, esta tecnologia foi desenvolvida analisando-se diversos equipamentos que já geravam modulações na rede elétrica. Entretanto, quando esses aparelhos entravam em uso com outros dispositivos eletroeletrônicos, como o rádio e a televisão sofriam interferências. Eletrodomésticos, como liquidificadores antigos que possuem motor universal ao receberem eletricidade para o rotor de seus motores por carvões, geram atrito onde as centelhas acabam por introduzir na rede elétrica sinais modulados. Esses sinais, que não são uniformes têm uma frequência muito elevada, bem próxima da velocidade de giro do motor, contendo também as frequências harmônicas. Desta forma, não há controladores para o nível de modulação e filtros que impeçam a propagação. O sinal modulado será conduzido pela fiação elétrica até chegar a outros equipamentos ligados próximos. Ao observar este fenômeno aprimorou-se uma tecnologia que permitisse a transmissão de sinais controladamente, utilizando-se escalas de frequência diferenciadas das utilizadas por
14 outros equipamentos. Contudo, esta tecnologia trabalha na faixa de 1,6 a 30 MHz com taxa de até 200Mbps (SANTOS b, 2008). Porém, problemas como ruídos, atenuação, impedância e interferência comprometem a confiabilidade e a integridade dos dados trazendo assim problemas para o bom desempenho da tecnologia PLC. Santos ressalta que essas interferências variam de acordo com a classificação da PLC empregada, que pode ser: Quanto à frequência: PLC Faixa Larga (BroadBand); PLC Faixa Estreita (NarrowBand). Quanto à localização: Power Line Indoor Communication (PLIC); Power Line Outdoor Communication (PLOC). Com base nesse contexto, este trabalho apresenta um estudo das tecnologias utilizadas para PLC e o comparativo entre equipamentos utilizados para a implementação do mesmo. Este estudo tem como objetivo principal desenvolver um estudo bibliográfico sobre a tecnologia Power Line Communications, contextualizando as vantagens e as desvantagens na prática desta técnica de transmissão de dados, vídeos e voz. Além disso, desenvolver um comparativo entre dois equipamentos de fabricantes diferentes que fornecem produtos para uso em PLC, especificando as características desses equipamentos. Esta monografia se justifica através da importância que vem sendo dada atualmente às tecnologias aplicadas para o tráfego de dados, vídeo e voz, de como são fisicamente implementadas e relação custo /benefício. Tendo em vista que a implementação específica da Power Line Communications no quesito inclusão digital proporciona melhorias, onde em algumas regiões do Brasil e no exterior, os testes já realizados mostram bons resultados. Segundo Vasconcelos a tecnologia Power Line Comunication não é algo tão novo assim, e a descoberta da mesma aconteceu a um tempo considerável, como o próprio Vasconcelos afirma a seguir:
15 Apesar de parecer que se trata de uma nova tecnologia, afirma que o surgimento do sistema PLC teve início na década de 1920. Porém, nessa época foram encontradas dificuldades em sua implementação, como por exemplo, a transmissão de voz em redes de alta tensão; a modulação analógica disponível era a AM (Modulação em Amplitude); ainda não se tinha conhecimentos sobre os métodos de codificação, logo, não havia sistemas digitais para a aplicação de técnicas avançadas, ou seja, para a transmissão de dados (VASCONCELOS, 2009). Como citado no texto de Vasconcelos, a tecnologia Power Line Comunications, foi descoberta a um tempo considerável, entretanto, não conseguiu-se implementá-la em uma aplicação relevante devido as dificuldades encontradas e a limitação de tecnologias que foram sanadas nos anos seguintes. Somente em 1930 foi possível começar a transmitir dados através da criação da primeira técnica de transmissão de dados pela rede elétrica a Ripple Control (RC) e algumas de suas aplicações eram: acionamento da iluminação pública, telemetria, comunicações (SANTOS b, 2008). Ferreira (2006) afirma que, em 1988 foi fabricado o primeiro protótipo de um modem que operava em uma distância de até 1Km, a uma taxa de aproximadamente 60 bps, utilizando a técnica de espalhamento espectral. Segundo Ferreira (2006), foi somente em 1990, que conseguiram sistemas que operassem na forma bidirecional, com melhores níveis de potência e frequências mais elevadas. Santos cita em seu trabalho quando foram iniciados testes significativos da tecnologia Power Line Comunications, como pode ser visto em sua citação: Em 1991, foram iniciados testes com comunicação de alta velocidade na Inglaterra. Em 1997, foi anunciado pela Norweb e pela Nortel, duas empresas distribuidoras de energia elétrica na Inglaterra, que os problemas causados por ruídos ou interferências haviam sido solucionados. Ainda no mesmo ano, essas mesmas empresas afirmaram testes de acesso a internet através da tecnologia desenvolvida. Desse modo, surgiu a Digital Powerline(DPL), que era uma forma de negócio inovadora na área das telecomunicações (SANTOS b, 2008). Em 2000, no Brasil iniciaram os testes com a tecnologia PLC - Power Line Communications. (MONQUEIRO, 2009) Já em 2001, empresas como a COPEL (Companhia Paranaense de Eletricidade), a ELETROPAULO (Eletricidade de São Paulo) e a CEMIG (Companhia Energética de Minas
16 Gerais) se especializaram em testes com esta tecnologia. Porém, só no final de 2006 foi inaugurada uma pequena rede experimental em Porto Alegre, Rio Grande do Sul e em Goiânia foram feitos testes com a tecnologia com a participação da Anatel. (MONQUEIRO, 2009) Dentre os primeiros testes significativos da tecnologia Power Line Comunication feitos no Brasil, pode ser observado pela citação da AEP SENAI. De acordo com a Prefeitura de Porto Alegre: dados, imagem, voz e vídeo vão trafegar a uma velocidade de 45 megas bits por segundo pela rede elétrica da CEEE (Companhia Estadual de Energia Elétrica do Rio Grande do Sul). O prefeito José Fogaça inaugura o primeiro ponto de acesso à Internet pela rede elétrica às 16h30, no Centro Administrativo Regional Extremo-Sul (Rua Antônio Rocha Meireles Leite, 50 Restinga). Com mais de 3,5 quilômetros de extensão a Rede PLC da Restinga será a maior em extensão do país, em média e baixa tensões, para fins de inclusão social. Nesta primeira etapa serão conectados à rede de alta velocidade o posto de saúde Macedônia, a Escola Municipal Alberto Pasqualini e o posto local do Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (ALEGRE, 2006). Como pode ser averiguado segundo a citação acima, o Brasil já tem em funcionamento desde 2006 uma rede PLC em funcionamento na cidade de porto alegre. No princípio, as redes de distribuição foram feitas com o propósito de transmitir apenas a energia elétrica de modo eficiente. Sendo assim, não estão preparadas para fins de comunicação e transmissão de dados, se tornando necessário o uso de várias técnicas avançadas. Pelo fato da escassez de publicações de livros sobre o assunto (PLC), a maior parte do trabalho foi calcado teoricamente em outros trabalhos acadêmicos, sites de fabricantes de equipamentos PLC e outros sites que abordavam sobre o assunto coerentemente. Os principais autores os quais são citados no decorrer do trabalho são FERREIRA, SANTOS e VASCONCELOS, considerando também a relevância e a qualidade das publicações realizadas por esses autores. O presente trabalho está organizado em sete capítulos e considerações finais da seguinte maneira: O capítulo 1 traz inicialmente uma apresentação e explicação sucinta da organização e funcionamento do sistema elétrico, desde as fases de geração, transmissão e distribuição da energia elétrica. Este capítulo compreende também os fatores que devem ser levados em consideração diante de qualquer implementação, modificação ou qualquer manuseio que
17 possa ser feito na mesma, fatores como a qualidade da energia, que pode ser comprometida como um todo em qualquer fase da organização do sistema elétrico. O capítulo 2 apresenta a compreensão do funcionamento da tecnologia PLC (Power Line Comunication), trazendo a classificação da tecnologia quanto a freqüência e localização, os métodos de modulação utilizados e como os dados são inseridos na onda portadora da energia elétrica. O capítulo 3 detalha a organização das redes do sistema PLC e seus respectivos equipamentos, trazendo a definição cada rede, o objetivo de cada equipamento e onde estes estarão localizados dentro da organização das redes PLC. O capítulo 4 relata como a segurança é um parte fundamental na implementação da desta nova tecnologia e descreve os métodos para se manter a confidencialidade e integridade das mensagens trafegadas via PLC. O capítulo 5 apresenta algumas aplicações em que a tecnologia PLC pode ser utilizada e trazer certas vantagens pelo seu uso. As aplicações abordadas são: Internet banda larga, telefonia, transmissão de vídeo e automação. O capítulo 6 explicita as principais limitações que ainda são encontradas na utilização da tecnologia PLC e como estas influenciam nesta nova forma de comunicação de dados. O capítulo 7 mostra dois equipamentos PLC de empresas distintas e faz uma comparação entre os mesmos, mostrando vantagens e desvantagens e trazendo a realidade de que o mercado já oferece variedades de equipamentos para utilização da tecnologia PLC. Por fim são feitas as considerações finais acerca do trabalho desenvolvido, colocandose as devidas menções concernentes às informações adquiridas no decorrer do curso superior de tecnologia em sistemas elétricos, na construção do trabalho e no termino do mesmo.
18 1. PRINCÍPIOS DO SISTEMA ELÉTRICO Há fatores importantes que devem ser considerados na geração, na transmissão e nas redes de distribuição, pois as mudanças de adaptação que o sistema recebe devem ser analisadas para que se mantenha a integridade, garantindo a disponibilidade contínua do sistema elétrico e proporcionando uma boa qualidade no transporte de informações. Portanto, como visto na figura 1, a energia é transformada de mecânica para elétrica através de uma queda d'água que é canalizada para que a turbina gire, gerando energia, a qual é direcionada para uma subestação elevadora, seguindo o caminho da transmissão em alta tensão (69KV a 750KV), assim chegando a uma subestação redutora para transmissão em média tensão (13,8KV). E por fim chega ao consumidor na baixa tensão (127V ou 220V) (SANTOS a, 2008). Figura 1: Topologia do Sistema Elétrico (UOL CIÊNCIA, 2009) Em seguida serão apresentados as fases em que a energia elétrica é submetida até chegar ao consumidor final. 1.1. Geração: Há a possibilidade de gerar energia elétrica de diversas formas, onde as mais comuns são: hídrica, térmica, nuclear e também as fontes de energia alternativa que caracterizam a
19 eólica e a solar. Fontes alternativas são consideradas limpas, pois não agridem o meio ambiente como as demais. A energia potencial de uma queda d'água é utilizada para acionar turbinas que consequentemente acionarão geradores elétricos. A geração utilizando as quedas d água como fonte de energia é chamada fonte de geração hídrica, o Brasil o qual a maior parte da energia elétrica é gerada dessa forma é considerado um país cuja a sua geração é limpa, pelo fato da geração hídrica não agredir tanto o meio ambiente como outras fontes de geração de energia elétrica, com exceção das fontes alternativas de energia, mesmo a geração hídrica necessitando alagar grandes áreas e fazendo com que muitas pessoas necessitem se locomover do local que por muito tempo foi a sua moradia. Elementos como gás natural, carvão, bagaço da cana e óleo combustível sofrem a queima gerando gases residuais de combustão que são enviados para uma turbina que consequentemente aciona o gerador e produzindo energia elétrica. Essa se caracteriza como energia térmica. Como ela é utilizada em grande escala mundial, a queima desses elementos geradores de energia produzem uma diversidade de poluentes que são lançados na atmosfera e ocasionam problemas ecológicos. Ao aquecer-se o grau necessário de núcleos de deutério obtém-se um estado plasmático que transmite calor sendo este um reator nuclear. Esta é a geração nuclear que é temida por ter resíduos tóxicos que devem ser tratados de forma adequada e cautelosa. 1.2. Transmissão: As transmissões de energia são divididas em duas formas: transmissões aéreas e transmissões terrestres (subterrâneas), através das quais são transmitidas potências elevadas que ligam e interligam os grandes centros e as transmissões de média e baixa tensão que são utilizadas nos centros urbanos. Dessa forma, ela não faz mais do que transportar a energia de onde a mesma é gerada, para o onde será consumida usando corrente alternada. As linhas de transmissão podem alcançar valores de tensão nominal na ordem de 69KV a 750KV, sendo estes comumente os níveis que a subestação elevadora repassa para as linhas de transmissão logo após ela sair da geração e sequencialmente chega aos centros consumidores onde haverá subestações abaixadoras que irão ajudar a proporcionar essa energia elétrica em níveis aceitáveis de distribuição e consumo.
20 1.3. Distribuição: Após sair da subestação abaixadora o nível de tensão está devidamente adequado para o atendimento aos consumidores que utilizam níveis de 13,8KV como as indústrias de grande porte e grandes edifícios, no entanto, este nível de tensão ainda deverá ser reduzido através de um transformador para consumos com níveis de 127/220V, que são mais comumente usados nas residências, comércios e prédios de pequeno porte.
21 2. ENTENDENDO A PLC Neste capítulo serão apresentados a classificação da tecnologia PLC e o seu funcionamento, a classificação da tecnologia quanto à freqüência de utilização e a localização e o funcionamento mostrando como é feito a inserção do sinal na rede elétrica e como os dados são transmitidos de forma integra pelo meio, que no caso da PLC é a rede elétrica. 2.1. Classificação das tecnologias: Quanto a classificação das tecnologias PLC serão apresentadas quanto a freqüência e quanto a localização, para que se possa entender e identificar qual a sua aplicação mais adequado segundo o problema ou a necessidade que pode ser proposto. Quanto a freqüência se tem a tecnologia que é utilizada em internet banda larga e a utilizada em simples comandos os quais não se necessita de faixas largas de banda para o tráfego das informações. 2.1.1. Quanto a frequência: a. PLC Faixa Larga (BroadBand) : De acordo com Santos: Este tipo utiliza grande faixa de freqüências, variando de 1.6 a 30 MHz, enquanto que possui alta taxa de transmissão. Este é o tipo de PLC que mais vem recebendo atenção em virtude de sua utilização para o acesso a Internet. A alta taxa de transferência de dados é uma vantagem da Broadband. Segundo (Andrade e Souza, 2004): Como desvantagem do PLC Faixa Larga, tem-se que a faixa de frequência da comunicação entre o Master e os modens próximos aos transformadores é de 1 a 12 MHz, onde também temos parte da banda de rádio de ondas médias que operam de 1,7 a 3 MHz e as altas freqüências (HF) que transmitem de 3 a 30 MHz e que ficam prejudicados com o aumento do nível de ruído inutilizando várias faixas de rádio.
22 b. PLC Faixa Estreita (NarrowBand): Segundo Santos: Este tipo utiliza uma faixa de freqüência menor, na faixa de 0.1 a 0.9 khz, possuindo taxa de transmissão menor que 1Mbps. Suas aplicações geralmente são nas áreas de gestão de energia elétrica, automação, medição remota, etc. 2.1.2. QUANTO A LOCALIZAÇÃO: Quanto a localização a tecnologia se divide em duas classificações básicas, que são a indoor e a outdoor, que proporcionará a visão da organização da tecnologia PLC e como a tecnologia tem evoluído atualmente. a. Power Line Indoor Communication (PLIC): Trabalha com uma técnica de comutação no transporte de dados, onde um sinal contendo informações vindas da rede elétrica é transformado em sinal digital contendo as informações originais. Este método é implantado através de uma caixa comutadora que transformará os sinais das redes existentes como DSL (Digital Subcriber Line), Wi-fi e banda larga no padrão analógico, que é utilizado pela rede elétrica. Assim, ao utilizar este equipamento (caixa comutadora), cada tomada de qualquer residência torna-se um ponto de rede. b. Power Line Outdoor Communication (PLOC): Nesta classificação, tem-se a interligação entre redes de subestações elétricas, que utiliza um dispositivo chamado Master, o qual tem a função de controlar e manter a intensidade do sinal por longas distâncias. Este aparelho conectado em uma rede primária torna todas as tomadas de qualquer residência componente desta rede primária, em um ponto
23 de rede acessível, podendo o mesmo fazer controle da taxa de transmissão, assim como é feito pelos provedores que fornecem serviços de internet atualmente. De acordo com Ferreira: O número de usuários que podem ser conectados em um mesmo Master varia, porém geralmente o número máximo são 40 usuários. 2.2. Funcionamento: Antes de descrever o funcionamento da tecnologia PLC é indispensável falar de suas partes cruciais, pois como o objetivo da antiga rede elétrica não transportar dados mas somente energia elétrica, o sistema PLC é suscetível a ruídos e interferências. Para isso existem métodos de modulação que podem contornar tais obstáculos (VASCONCELOS, 2009). Em telecomunicações, modulação é o processo de transformar a informação que está em sua forma original em uma forma adequada para que possa ser realizada a transmissão. As técnicas de modulação primordiais que permitem o pleno funcionamento do transporte de dados no meio elétrico são: Spread Spectrum, OFDM e GMSK (VASCONCELOS, 2009). 2.2.1. Spread Spectrum: O espalhamento espectral trabalha com uma faixa de frequências bem ampla, divide a potência de um sinal, que resulta em uma densidade espectral bem baixa. No entanto, necessita de bandas mais largas para sua transmissão, em escala de Mbps, ou seja, bem alta. Essa técnica é aplicada em PLC faixa estreita. A potência do sinal é distribuída amplamente no domínio da freqüência (VASCONCELOS, 2009).
24 2.2.2. Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM: A OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - Multiplexação por Divisão de Frequência Ortogonal é uma técnica de melhoramento da FDM - Multiplexação por Divisão de Frequência, ou seja, um fluxo elevado de unidades de informação a serem transmitidas é dividido em um grande número de canais em uma taxa menos elevada, usando a transmissão paralela de subportadoras, onde estas se sobrepõem sem que uma interfira na outra. Por não trabalhar com espaçamento entre as portadoras, como a FDM, na OFDM há um ganho de largura de espectro (VASCONCELOS, 2009). Figura 2: Gráfico esquemático da modulação FDM e OFDM. (PINHEIRO, 2005) As subportadoras se organizam de uma maneira que coincidam os zeros de uma com os das outras, como mostra o exemplo da figura 3.
25 Figura 3: Distribuição de 3 subportadoras com a OFDM. (WIKIPEDIA, 2010) Pinheiro identifica de forma sucinta a vantagem da técnica de modulação OFDM, fazendo também uma comparação com a técnica FDMA. Inserindo um intervalo de tempo de guarda entre os símbolos sucessivos, a seletividade do canal e a propagação multi-percurso não causam interferências intersimbólicas. Essa técnica se assemelha ao FDMA (Frequency Division Multiple Access), no que diz respeito à divisão do espectro em várias portadoras (PINHEIRO, 2005). A diferença nas técnicas de transmissão multiportadoras OFDM e FDMA está na largura do espaçamento entre as portadoras. Pelo fato de a largura de banda do OFDM alcançar 1KHz e a largura de banda do FDMA chegar a 3KHz e seu intervalo de guarda não ser ortogonal, tem-se a transmissão de uma maior quantidade de informação na que possui menor espaçamento. Assim deixando explícita a principal vantagem do OFDM (SANTOS, 2008). Destaca-se também um modelo existente de OFDM adequado para operar em meio a transmissões com muito ruído o qual é conhecido como RObust OFDM ou como ROBO - Robust Orthogonal Frequency Division Multiplexing (SANTOS e, 2008).
26 o OFDM no PLC: A aplicabilidade da modulação OFDM na tecnologia PLC está na maneira como é controlada a modulação, todas as frequências mantém-se monitoradas em tempo real e com o sistema variando de acordo com a presença ou não de ruídos no carregamento de sinais. Através da forma com que os ruídos se propagam pelas várias frequências, as portadoras carregam e são transmitidas simultaneamente em diversas frequências e diferenciando-se nos níveis de carregamento, proporcionando melhores condições do link e elevando a taxa de transmissão, trazendo melhor performance e confiabilidade. Sendo assim, as mudanças que ocorrem na transmissão da rede elétrica podem ser adaptadas, tendo-se ainda a possibilidade do uso de filtros para a proteção de interferências em serviços considerados sensíveis (PINHEIRO, 2005). 2.2.3. Gaussian Minimum Shift Keying GMSK A técnica de modulação GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) - Chaveamento por Deslocamento Mínimo Gaussiano que também é chamada nas literaturas como OFDM de banda larga. Trabalha com a inserção de dados na fase da portadora que ocasiona um conjunto de sinais constantes, permitindo a utilização de amplificadores menos complexos. Esse conjunto de sinais é mais resistente contra interferências de banda estreita (FERREIRA, 2006). A figura 4 faz um comparativo do espectro de frequências em Spread Spectrum, OFDM e GSMK.
27 Figura 4: Distribuição da Frequência nos métodos de modulação (CORRÊA, 2004). 2.3. Método de acesso: A forma como uma estação acessa um meio para enviar ou receber uma portadora é o que se define como método de acesso. Trabalhando-se com método de acesso, tem-se duas denominações de protocolos: CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) e CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Deste modo, o CSMA-CD é uma aprimoração do CSMA-CA, onde o primeiro, o qual é muito utilizado em padrões de rede Ethernet e diversas variações desta como a 802.3, não opera nas redes de energia elétrica devido a interferências de atenuação e ruído. Isto quer dizer que, uma estação pode ouvir os seus envios e recebimentos de sinais verificando se elas estão corretas ou se há colisões, através da diferença das amplitudes dos sinais, caracterizando assim a sua ineficiência para se trabalhar em redes de distribuição elétrica (SANTOS e, 2008). No CSMA-CA, antes dos dados serem transmitidos uma determinada estação avisa que se iniciará uma transmissão e o tempo que ela durará, deixando assim claro a outras estações que desejarem transmitir naquele momento que o meio de transmissão se encontra ocupado.
28 De acordo com Ferreira (2006, p. 17): antes de começar a transmitir um quadro de dados, uma estação deve escutar o meio. Para detectar se o meio está ocupado, as estações usam a detecção física PCS Physical Carrier Sense e a detecção virtual de portadora VCS Virtual Carrier Sense. Na determinação da prioridade, a camada relacionada à detecção física reporta para a camada inferior MAC (Media Access Control) intervalos de tempo, sendo assim a camada MAC funciona com o procedimento de detecção virtual de informações a partir das mesmas que já estão sendo trafegadas, relatando o tempo de ocupação do canal. Da mesma forma que acontece na padronização 802.11, este procedimento opera com diferentes intervalos de tempo para a determinação das prioridades aos tipos de quadros. Na iminência de uma transmissão, se o canal estiver livre, a estação entra na etapa de determinação de prioridade, ou seja, um CIFS Contention Distributed Interframe Space, que corresponde a 35,84µs, senão a estação espera o canal desocupar durante o tempo determinado pelo CIFS. Este padrão utiliza quatro níveis de prioridade neste método de acesso ao meio, os quais estão associados com as seguintes classes: CA0 (classe 0) à CA3 (classe 3), onde a última tem maior prioridade. Para a CA3 utiliza-se as prioridades 6 e 7 das tags de VLAN Virtual Local Area Network, onde atuam extremamente sensíveis ao tempo como no delay e no jitter que são menores que 10ms, e como exemplo para este nível temos a transmissão de voz. A CA2 (classe 2) também relaciona-se com o tráfego da rede sensível ao tempo, sendo as ordens de prioridade 4 e 5 com delay inferior a 100ms e sendo esta responsável pelo transporte de áudio e vídeo. No padrão há a CA1 que se relaciona as tags 0 e 3 que diz respeito ao tráfego de redes. E a CA0 trabalha com tráfego de melhor esforço conhecido como best effort nas tags 1 e 2 (FERREIRA, 2006). Para ocorrer a transmissão de um quadro utilizam-se tempos de prioridades, onde essas são destinadas a autorizar estações que queiram transmitir, mas apenas as que possuem alta prioridade para realizar o transporte de dados. Esses tempos de prioridade são nomeados de PR (Priority Resolution), PR0 e PR1. A prioridade das classes existentes é enviada no intervalo de 35,84µs, nos períodos de PR0 e PR1 os quais correspondem ao mesmo tempo destinado a um CIFS. O procedimento de determinação das prioridades de transmissão utilizado pelas classes transmite sinais com modulação do tipo binário, ou seja, 0 e 1; especificando de maneira que as prioridades de resolução ou PRs identifiquem os bits que determinarão a
29 classe e consequentemente sua prioridade. Se ocasionalmente no momento da disputa das prioridades haja uma determinada classe que possua uma prioridade inferior a uma superior, esta retarda sua transmissão aguardando o canal ficar livre novamente. Existe também como característica a verificação se o quadro a ser transportado tem a mesma prioridade do que já está sendo trafegado, a fim de que continue transmitindo o mesmo segmento de um quadro de dados. No momento da concorrência das estações é criada uma função de backoff e que dependendo do número de vezes que este é chamado surge o que denominamos de janela de contenção ou Contention Window (CW). A criação do backoff ocorre quando a estação escolhe um número aleatório dos distribuídos entre zero e o tamanho da janela de contenção. Os valores da janela de contenção das classes CA3 e CA2 são 7, 15, 17 e 31, respectivamente, e para as classes CA1 e CA0 são 7, 15, 31 e 63, desta forma o número de vezes que é feita a chamada backoff como nenhuma, uma, duas ou mais determina o valor da janela de acordo com a classe. Sendo assim, a função backoff atua como um contador para intervalos de 35,84µs, sendo decrementado gradualmente até que chegue a zero, onde a estação iniciará a transmissão do quadro de uma portadora (FERREIRA, 2006).
30 Figura 5: Lógica do método de acesso Fonte: Adaptada de FERREIRA (2006) Para impedir a ocorrência de colisões surge um contador de adiamento DC (Deferral Counter) que trabalha de acordo com a quantidade de vezes que o backoff é chamado para realizar uma transmissão. Ele funciona como um mecanismo para avaliar a probabilidade de haver colisões, a cada vez que seu valor chega a zero a estação envolvida inicia novamente a chamada da função backoff necessitando-se que o meio se torne ocioso, aguardando no intervalo de CIFS. Além disso, evidencia-se que muitas estações com prioridades iguais desejam trafegar dados. Se ocorrerem 0, 1, 2 e acima de duas chamadas do contador backoff, os valores do decrementador DC serão 0, 1, 3 e 15, respectivamente (FERREIRA, 2006). Compreendendo como os receptores das estações em questão respondem os quadros enviados, temos que a estação transmissora aguarda a resposta da solicitação de repetição automática conhecida também pela sigla ARQ - Automatic Repeat Request, que opera com um modelo de stop and wait. A estação receptora deve sinalizar com ACK
31 (Acknowledgement) de reconhecimento de que recebeu corretamente um quadro. De forma que se a informação chegou deformada é enviado um NACK (Negative Acknowledgement), ao transmissor. Além disso, se não houver buffer suficiente para o armazenamento dos dados recebidos envia-se um outro tipo de sinal conhecido como FAIL. Sendo que todas estas sinalizações ocorrem no intervalo de resposta RIFS (Response Distributed Interframe Space) que possue o valor de 26,0 µs (FERREIRA, 2006). Figura 6: Processo de transmissão de dados no protocolo Homeplug 1. Fonte: Adaptada de ENDO; GONÇALVES (2006) 2.4. Formação do quadro Há dois tipos de tecnologias de comunicação para redes domiciliares: a Homeplug 1.0 e Homeplug AV, sendo a primeira a mais comum por já estar bem desenvolvida no processo de transmissão de dados pela rede elétrica. A Homeplug AV é um aprimoramento moderno de comunicação usando a eletricidade, sua finalidade é prover a alta qualidade dos serviços que já existem nos sistemas elétricos de PLC utilizando a geração anterior a este padrão, além de manter a interoperabilidade com o padrão Homeplug 1.0. Desta forma, o padrão Homeplug 1.0 funciona simplesmente por formatos de quadros onde esses se destacam por formato de quadro longo e formato de quadro curto, pois o longo contém os dados e é o que carrega os dados, já o curto trabalha no sistema de envio e reconhecimento dos quadros de informação. O quadro longo é constituído de um delimitador de início (SOF - Start of Frame), de carga útil (payload), intervalo de 1,5 µs conhecido também por EFG (End of Frame Gap) e um delimitador de fim EOF (End of Frame) (FERREIRA, 2006).
32 Figura 7: Quadro longo (SANTOS e, 2008). O quadro curto é constituído do delimitador de resposta que atua no desenvolvimento do processo de repetição automática (ARQ - Automatic Repeat Request) do tipo stop and wait, que recolhe os dados corrompidos e os retransmite, reduzindo o índice de erro (FERREIRA, 2006). Figura 8: Quadro curto (SANTOS e, 2008). Os dois tipos de quadro utilizam no início bits relacionados ao preâmbulo e controle de quadro (Frame Control). De modo que os preâmbulos são formados por símbolos OFDM, têm um intervalo de 38,4ms e além disso, têm as funções de sincronização, detecção da portadora e o controle automático de ganho. Entretanto, o controle de quadro compõem-se de 25 bits organizados da seguinte forma: 1 bit para o controle de disputa que atua durante os quadros de uma rajada, 3 bits para definir o tipo do delimitador que notificam se o delimitador é de início ou de fim ou ainda se é um de resposta, 13 bits para o campo variante que farão a análise a partir do tipo de delimitador e 8 bits para sequência de verificação, sendo estes 8 últimos bits usados no CRC (Cyclic Redundant Check) o qual faz o cálculo com os 17 bits anteriores (FERREIRA, 2006).
33 Em relação as mensagens que são enviadas através do quadro curto, ou seja, as respostas de confirmação das informações enviadas, Vasconcelos, 2007, faz uma explicação sobre essas mensagens. No que diz respeito ao campo variante, quando se trata de um delimitador de início, oito bits são destinados ao comprimento do quadro e cinco bits ao índice de mapa de tons. No caso de ser um delimitador de fim de quadro, dois bits são voltados para a prioridade de acesso ao meio, importantes para transmissões em rajadas. Para enviar uma mensagem de reconhecimento ACK, dois bits copiam a prioridade do quadro reconhecido e os demais onze bits repetem os onze bits menos significativos da sequência de verificação do quadro que originou a resposta. Quando ocorrer um NACK, dois bits identificam a prioridade de acesso, um bit reconhece como sendo um NACK, cujo valor é 0, e dez bits voltados para a verificação. No caso de um FAIL, dois bits continuam identificando a prioridade, um bit reconhece como sendo um FAIL, cujo valor passa a ser 1, e dez bits destinados à sequência de verificação (VASCONCELOS, 2007). Entretanto, a carga útil que compõe o quadro longo é integrada de cabeçalho; dados; enchimento de bloco (padding), que é utilizado no último segmento de um quadro preenchendo os espaços físicos com zero; sequência de verificação de quadro FCS que ocupa 16 bits e faz o cálculo a partir de todos os demais espaços de carga útil; espaço de fim de quadro EFG (lembrando que este tem o intervalo de duração de 1,5µs) e o delimitador de fim de quadro. O campo do cabeçalho do quadro também conhecido como Frame Header destinado a transmissão contém três partes importantes: controle de segmento, endereços de origem e de destino de 48 bits do padrão IEEE 802.1Q. Dentro do controle de segmento temos 3 bits de controle de versão, 2 bits reservados, 1 flag de sinalização de multicast ou difusão, 2 bits de prioridade de acesso, 15 bits de comprimento de segmento, 6 bits de contagem de segmento e 10 bits de número de sequência. Sendo assim, o espaço destinado a contagem de segmento e o número de sequência são empregados na segmentação e remontagem, com isso, o número de sequência é igual para todos os segmentos de um mesmo quadro e os bits da contagem de segmento apontam um segmento dentro do quadro. Portanto, o número de sequência de cada origem é mantido por classe de prioridade (FERREIRA, 2006).
34 PLC Faixa Larga PLC Faixa Estreita PLIC PLOC Trabalha com ampla faixa de frequência que variam de 1.6 a 30 MHZ. Aplica técnica de modulação OFDM ou GMSK. Realiza alta taxa de transferência de dados. Trabalha com uma faixa de frequência menor: 0,1 a 0,9 Khz. Utiliza técnica de modulação de Spread Spectrum. Faz a transmissão com uma taxa menor que 1 Mbps. Trabalha com caixa comutadora. Tem a função de fazer a compatibilidade no sinal transmitido. Transforma cada tomada de qualquer residência em um ponto de rede. Utiliza um dispositivo chamado Master. Tem a função de controlar e manter a intensidade do sinal por longas distâncias. Interliga redes de subestações elétricas. Tabela 1: Classificação e comparação dos tipos de PLC (LOPES e MATTOS, 2010). Como observado na Tabela 1, evidencia-se que a tecnologia Power Line Communications que trabalha com a Faixa Larga, tem aplicação de uso na Power Line Indoor Communications (PLIC) e a Power Line Outdoor Communications (PLOC) é atualmente a mais destacada para o uso e a aplicação desta nova tecnologia.
35 3. ORGANIZAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS NO SISTEMA ELÉTRICO Compreendido os princípios do sistema elétrico de geração, transmissão e distribuição da energia elétrica, prossegue-se dando ênfase à projeção dos equipamentos PLC e como são inseridos na estrutura da rede elétrica, proporcionando o bom desempenho da rede e consequentemente evitando danos aos consumidores. Deve-se entender que a forma como os equipamentos PLC utilizados na rede elétrica estão organizados e posicionados é uma forma consistente na qual podemos classificar topologicamente como níveis de rede. 3.1. Rede interna: Esta se baseia na estrutura elétrica já formada do ambiente interno de qualquer residência até um medidor de KWh, iniciando nos modens PLC que são ligados nas tomadas disponíveis, onde estes podem ser constituídos de interface RJ45 para rede Ethernet, interface RJ11 para caso queira conectar um telefone comum para serviços de voz sobre IP já que o mesmo opera como um Gateway ou ainda dispõe de uma interface USB para caso haja dispositivos USB. Já disponíveis também dispositivos com funcionalidades Wi-fi e alternativas que já foram aplicadas como Access Point 802.11 que podem conectar- se diretamente a receptáculos. Observando sempre que estes modens recebem sinais de dados e energia elétrica (VASCONCELOS, 2007). 3.2. Rede de acesso: Esta é estruturada na rede de baixa tensão, tendo seu início junto ao medidor de energia elétrica do usuário com a interligação do equipamento conhecido como equipamento intermediário (IE) ou repetidor de baixa tensão (BT), que recebe os sinais gerados pelos modens e realizam um bypass no medidor retransmitindo para a rede de baixa tensão. Até
36 chegar a um equipamento denominado de repetidor de baixa/média tensão ou Transformer Equipment (TE), que encontra-se fisicamente junto ao transformador e recebe os sinais PLC dos repetidores ou IE's da rede de baixa tensão e os retransmite para a rede de média tensão. Tendo em vista que a distância do equipamento instalado no medidor seja superior a 300 metros ao alcance do transformador há a necessidade da utilização de um repetidor, pois a cada 300 metros é necessário recompor o sinal e também caso haja problemas de atenuação na rede elétrica surge a alternativa de usarmos esses IE's (VASCONCELOS, 2007). Além disso, há equipamentos denominados acopladores que são necessários para que os sinais sejam bem adaptados e que podem ser utilizados onde a distância entre o BPL e o transformador é curta, pode-se optar pela utilização desses acopladores que executarão naturalmente o bypass do medidor para a baixa tensão. Esses acopladores podem ser capacitivos, que através de contato direto colocam sinais de dados nas linhas de energia elétrica ou os acopladores indutivos, que colocam sinais pelo método da indução. Ainda dentro da rede de acesso, podemos ligar a rede PLC diretamente a uma rede de alta velocidade de fibra óptica, cabos metálicos ou wireless, caso não haja a rede PLC de média tensão. Para ligarmos esta e fazermos esta junção de forma a manter a continuidade do sinal é necessária a utilização do equipamento Head end ou também conhecido como Master (VASCONCELOS, 2007). 3.3. Rede de distribuição: Observamos que esta interliga subestações de média tensão até ligar-se a uma rede de transporte da operadora de telecomunicações e é nesse ponto que o Master executa a sua função. Nesta etapa, acontece a interligação do mundo elétrico com o mundo de dados, ou seja, com a rede de transporte da operadora de telecomunicações, até alcançar o ponto de acesso a internet. Tendo em vista que o uso do repetidor de baixa tensão pode deixar de existir dependendo das características e da topologia da rede, surge uma nova forma de configuração na qual se detém apenas um modem PLC e o Master de baixa tensão (VASCONCELOS, 2007).
37 3.4. Equipamentos e acessórios: 3.4.1. Caixa de distribuição: Este equipamento (Figura 9) é caracterizado por sua utilização na distribuição do sinal PLC para painéis elétricos que constam ou que exigem a presença de uma grande demanda de usuários como ocorre nos edifícios. Na maioria das vezes, esses equipamentos vem acoplados de um filtro que protege o sistema contra os ruídos provenientes de outros equipamentos ligados na rede elétrica (SANTOS d, 2008). Figura 9: Caixa de Distribuição (FERREIRA, 2006). 3.4.2. Isolador de ruídos Como o próprio nome sugere, este equipamento é utilizado para reduzir a quantidade de ruído em uma rede, sendo necessário este estar conectado a um circuito onde encontram-se muitos outros aparelhos conectados, proporcionando assim uma otimização no funcionamento do modem PLC ligado na rede elétrica (SANTOS d, 2008).
38 3.4.3. Modem O equipamento Modem, é explicado por Vasconcelos, 2007 desde onde o mesmo é utilizado, até a algumas peculiaridades que o mesmo pode conter em relação a necessidade que porventura pode ser exigida ou simplesmente solicitada: Também conhecido pela sigla de CPE (Customer Premise Equipment), o modem recebe, além do sinal de dados, a própria energia elétrica. Este dispositivo localiza-se no ambiente do usuário final, nos casos mais gerais sendo em residências ou pontos de acesso. Existem modems específicos para determinados serviços, como aqueles voltados para Internet, contando com conexões Ethernet RJ45 e USB, os destinados à telefonia juntamente com Internet, acompanhando sockets RJ11 com conexões USB e Ethernet, além de modems destinados unicamente à telefonia, possuindo apenas o socket RJ11. Dispositivos com funcionalidades extras como Wi-Fi também já estão disponíveis. O modem destina o tráfico de voz e dados para o dispositivo adequado, de acordo com as conexões disponíveis (VASCONCELOS, 2007). Figura 10: Exemplo de modem PLC (COSTA, 2009)
39 3.4.4. Injetor Funciona gerando um sinal Power Line e modulando-o na rede elétrica local. A localização de um injetor não é definida mas normalmente instala-se próximo de uma subestação para que outros sinais PLC possam ser obtidos de maneira mais acessível. É comum o injetor ter agregado um chipset Wi-fi 802.11a, que funciona como ponto de acesso, enquanto que se conecta por um cabo Ethernet a um roteador de agregação distribuindo o sinal recebido. Os sinais injetados por esse equipamento podem ser capacitivos ou indutivos (SANTOS d, 2008). 3.4.5. Repetidor O repetidor (Figura 11), é usado de modo intermediário em uma rede PLC, ou seja, em sua instalação é comumente usado entre estações de baixa ou média voltagem e o ponto de acesso. Tem uma função importante, que é de recuperar e injetar novamente o sinal originado do transformador na rede elétrica de baixa voltagem do local de acesso, tendo um alcance de até 300 metros. Só é necessário a introdução de um repetidor dependendo da conexão estabelecida na rede elétrica entre o transformador e o modem, que pode gerar atenuação do sinal (SANTOS d, 2008).
40 Figura 11: Repetidor BT (FERREIRA, 2006) 3.4.6. Extrator Segundo Santos: Ele é instalado nas pontas de uma linha de média tensão, onde não se deseja continuar a propagação do sinal, ou em qualquer lugar entre os repetidores onde se precise de pontos WAP (Wireless Acess Point) adicionais. 3.4.7. Equipamento transformador É um dispositivo que recepta o sinal proveniente dos repetidores da rede de baixa tensão e fica junto ao transformador e o transmite para a rede de média tensão ou no sentido inverso. Possui uma configuração onde é possível utilizar diversas placas dependendo da ocasião. Temos placas de baixa tensão que injetam o sinal da rede elétrica de distribuição pelos cabos de baixa tensão e placas de média tensão que proporcionam a conexão do equipamento transformador com as redes de distribuição. Para conexões de subestações de baixa ou média tensão com outras diferentes tecnologias como rede de fibras óticas ou XDSL são empregadas placas Fast Ethernet e Gigabit Ethernet proporcionando a flexibilidade de interconexão na rede PLC (VASCONCELOS, 2007).
41 3.4.8. Master Este dispositivo também conhecido em muitas literaturas como Head End é aplicado na interconexão das redes PLC, em situações onde uma Power Line pode ser ligada a redes sem fio, redes por fibra ótica ou qualquer rede de baixa tensão, não possuindo conexão alguma com uma rede de média tensão (VASCONCELOS, 2007). 3.4.9. Acopladores Os acopladores (Figura 12) são utilizados para que os sinais de dados sejam adaptados do medidor até o transformador, tendo a função de executar o bypass do medidor residencial para a média tensão. Características da rede elétrica como qualidade do sinal e facilidade de instalação determinam quais tipos de acopladores devem ser utilizados, sendo assim é possível utilizar dois modelos de acopladores: capacitivos que realizam a transmissão do sinal por contato direto com a rede elétrica e indutivos que injetam os sinais por indução nas linhas de energia (FERREIRA, 2006). Figura 12: Acopladores (FERREIRA, 2006).
42 A Figura 13 Ilustra como podem ficar os equipamentos PLC dispostos na topologia do sistema elétrico de potência e qual a função de cada equipamento. Figura 13: Equipamentos PLC dispostos no sistema elétrico de potência (SANTOS d, 2008). Na figura 13 pode-se observar a injeção dos dados na rede elétrica através do equipamento de acesso, que pode ser um injetor ou um acoplador, entretanto, o fato do sinal de dados estar sendo inserido na rede de alta tensão o equipamento indicado para ser usado é o injetor. Após os sinal ser inserido na rede elétrica pelo equipamento de acesso, ele pode ter dois caminhos como mostra a figura 13, o sinal pode ser levado para outra subestação ou ir para o transformador de potência da rede elétrica o qual irá rebaixar a tensão de distribuição para a tensão de consumo (13,8 KV para 127/220 V). Junto ao transformador de potência da rede elétrica encontra-se também o equipamento transformador o qual irá manter o sinal de dados PLC durando a transformação da tensão de média para baixa tensão. Todo esse processo feito, o sinal PLC está disponível em qualquer ponto pertencente a rede de baixa tensão do transformador, sendo necessário para residências ou pequenos estabelecimentos somente o modem PLC para ter acesso ao sinal, e em prédios de pequeno porte que utilizam por exemplo a medição agrupada (vários medidores de energia independentes que fazem parte de um mesmo quadro), utiliza-se um equipamento de concentração, que é a caixa de distribuição, que recebe apenas um sinal PLC e distribui para todos os medidores pertencentes àquele quadro de distribuição, contudo, cada apartamento tem a necessidade de utilizar
43 mesmo assim um modem PLC para fazer a recepção do sinal de dados em sua tomada. É necessário também que a cada 300 metros do transformador se utilize um equipamento repetidor para que se mantenha a intensidade do sinal. A classificação topológica da rede PLC na figura 13 pode ser observada da seguinte forma: A rede de distribuição é a interligação entre uma subestação de distribuição e outra e até o equipamento transformador, a rede de acesso é localizada após o equipamentos transformador até os modems PLC e a rede interna seria uma rede particular que qualquer usuário poderia fazer utilizando modems PLC, ou seja do medidor de energia para a residência.
44 4. SEGURANÇA A preocupação com a segurança é também um ponto importante dentro da tecnologia PLC, pois a rede elétrica das residências compartilham o mesmo transformador. Então, métodos para se manter a confidencialidade e integridade das mensagens enviadas é uma característica importante na utilização dos serviços que essa tecnologia pode oferecer. Santos, 2008, traz um breve histórico em relação ao método de criptografia DES e um apanhado rápido sobre a característica mais marcante do método de criptografia: Como uma solução, a Power Line Communication utiliza o algoritmo DES (Data Encryption Standart) de 56 bits para criptografar os dados. Este algoritmo foi originalmente criado pela IBM, com o nome de LUCIFER na década de 70, se tornando uma norma federal americana em 1976. O DES utiliza primordialmente funções de substituição e deslocamento de bits sobre blocos de 64 bits, tendo como base chaves simétricas de 64 bits, onde apenas 56 servem realmente no algoritmo, enquanto os outros oito servem para a verificação de paridade (SANTOS d, 2008). Segundo Santos, o DES foi criado pela IBM e se tornou uma norma federal americana na mesma década em que foi criado, mostrando assim a eficiência da técnica. Será apresentado a seguir como a técnica funciona, ou seja, como os dados em forma de bits são cifrados e decifrados no meio. Permutações são realizadas na Input e Output no algoritmo utilizado, estes são conceituados de IP (Initial Permutation) e FP (Final Permutation) e trabalham com essas permutações onde uma entrada atua sempre anulando uma saída e vice-versa. Essas duas ações não tem relevância no processo criptográfico. O motivo pelo qual esses blocos realizam permutações é devido ao contexto tecnológico da década de 70 que foram soluções encontradas na praticidade da abertura e fechamento de blocos no hardware (SANTOS d, 2008). Segundo Santos antes das permutações acontecerem o bloco de 64 bits que esta na entrada é dividido em sub-blocos de 32 bits e esta ação ocorre de modo alternado, de acordo com o esquema Feistel, mostrado na figura 13, que é basicamente um procedimento onde operações ocorrem sobre um texto tendo o objetivo de cifrar/decifrar o mesmo. A diferença em que isso ocorre está na ordem em que estes sub-blocos são processados, mas a forma de encriptar e desencriptar uma informação são bem similares.
45 Sendo assim, segundo Brito, a função Feistel desempenha os seguintes estágios respectivamente como mostra a figura 13: 1º Estágio: Expansão (E) Após a passagem pelo módulo principal onde foram gerados os 32 bits, neste são acrescentados 16 bits através da permutação expansiva; 2 Estágio: Combinação de Chaves Os 48 bits obtidos no estágio anterior são combinados com a sub-chave, a qual é gerada pela função XOR; 3 Estágio: Substituição (S) Essa nova combinação é dividida em 8 partes de 6 bits para que possa ser processada; 4 Estágio: Permutação (P) As 32 saídas geradas a partir das sub-chaves são rearrumadas de acordo com uma tabela de permutação. Figura 14: Função Feistel no DES (BRITO, 2009). Além destes procedimentos que basicamente demonstram o funcionamento do DES, a tecnologia PLC trabalha também com um software de detecção e correção de erros no momento da transmissão, o qual é denominado de FEC (Forward Error Correction Code). De acordo com Santos, no FEC, o emissor acrescenta bits redundantes para que quando a mensagem chegue ao receptor, o mesmo possa detectar e corrigir possíveis erros que tenham ocorrido, dentro de uma ordem de tempo, entretanto uma das vantagens na
46 utilização desse programa adicional a PLC é diminuir a necessidade de retransmissão da mensagem, embora diminua um pouco desempenho no momento da transmissão. Da mesma forma que os repetidores são empregados em PLCs por motivo de distâncias, os FECs só serão acionados quando as distâncias forem muito longas.
47 5. APLICABILIDADE Observando-se um mundo onde as tecnologias estão cada vez mais interligadas, as possibilidades que a tecnologia Power Line Communications pode trazer e oferecer nos serviços de qualidade e que demonstram ampla concorrência diante de outras tecnologias é um destaque de grande relevância, pois muitos dos serviços utilizados com as tecnologias já empregadas têm melhor implementação com o emprego da PLC, como por exemplo, gerenciamento e medição de energia elétrica, controle de utensílios domésticos e integração de sistemas em uma casa ou prédio. São destacadas abaixo aplicações de redes baseadas no sistema PLC, de maior influência em termos comerciais: 5.1. Internet banda larga Esta é a principal aplicação no ramo da Power Line Communications, pois o uso da Internet faz uma junção dos variados dispositivos elétricos que já utilizam a Internet e sabendo-se que grande parte desses equipamentos utilizam a rede elétrica. Além disso, a grande necessidade atual de se estar conectado a Internet é de extrema importância, assim como é estar conectado a energia elétrica. Tendo em vista que a instalação e a infra-estrutura em alguns lugares são complexas, além do alto custo que isso envolve, realiza-se um aproveitamento da estrutura já existente - a rede elétrica, para o uso como forma de conexão a Internet, onde essa pode trazer velocidade de transmissão em condições razoáveis. Sendo de grande relevância destacar o fato de que o acesso a internet sobre a rede é elétrica, tem semelhança com serviços já existentes, como os de telecomunicações sobre a rede elétrica que da mesma forma que a PLC usam o protocolo TCP/IP onde chegam a ter velocidades de 45Mbps (VASCONCELLOS, 2007).
48 5.2. Telefonia A tecnologia PLC entra no cenário da telefonia com importante destaque de competitividade, pois a telefonia baseada em VOIP (Voice over Internet Protocol) já é uma realidade presente em alguns setores. Desta forma, a PLC aplicada a telefonia poderá futuramente atuar como agente principal na oferta desse serviço ou ainda melhorar as aplicações já existentes. Uma grande vantagem na aplicação de tecnologia PLC é que ela prioriza os dados de VOIP no momento das transmissões (VASCONCELLOS, 2007). 5.3. Transmissão de vídeo A transmissão de dados em banda larga via rede elétrica proporciona meios suficientes aos serviços de videoconferência, televisão digital e outros tipos de serviços áudio visuais. Fazendo uma comparação a nível de eficiência, as redes PLC trazem maior confiabilidade do que as presentes redes sem fio, pois as transmissões realizadas por PLC não apresentam tantas perdas de pacotes de informações como as redes sem fio. Sendo assim, com o desenvolvimento e aprimoramento da tecnologia PLC será possível transmitir imagens e vídeos com qualidade cada vez melhor (VASCONCELLOS, 2007). 5.4. Automação Visto que na atualidade tem-se observado muito a aplicação da automação em ambientes domésticos, o aprimoramento da tecnologia de transferência de dados pela fiação da rede elétrica, propõe o conceito de Home Area Network, uma série de variáveis, como automatização no acendimentos de lâmpadas, funcionamento de aparelhos de ar condicionado, controle de temperaturas entre outros (VASCONCELOS, 2007). Assim, por exemplo, o que temos atualmente a nível de integração de sistemas para uma casa inteligente tornaria super econômica a implantação do mesmo, com o aproveitamento de uma infra-estrutura já existente que é a rede elétrica.
49 6. LIMITAÇÕES APRESENTADAS PELA TECNOLOGIA PLC Apesar da tecnologia PLC ter se desenvolvido consideravelmente até os dias de hoje, ela ainda se depara com algumas dificuldades e problemas que ainda são desafios a serem superados: 6.1. Ruídos Ligados a rede elétricas existem equipamentos variados e de uso relativamente constante nas atividades comuns dos consumidores de energia elétrica. Esses equipamentos, devido às suas características de funcionamento, acabam por introduzir ruídos no canal de transmissão, podendo vir a ferir a integridade da informação. Os ruídos encontram-se classificados da seguinte maneira: 6.1.1. Síncrono De acordo com Vasconcelos os ruídos caracterizados como síncronos, são provenientes de equipamentos como o dimmer, onde estes apresentam efeito da conexão de um aparelho a cada ciclo alternado, gerando impulsos no canal (SANTOS c, 2008). 6.1.2. Tonal O ruído tonal é classificado de duas formas, intencional e não intencional, sendo que o intencional é ocasionado por equipamentos que utilizam a rede elétrica como meio de comunicação e o não intencional é gerado por ruídos provenientes de equipamentos que se enquadram na frequência fundamental de 10KHz a 1MHz, onde estes geralmente vem com frequências harmônicas inseridas (VASCONCELOS, 2007).
50 6.1.3. De alta frequência É proveniente da utilização de equipamentos cujo funcionamento acontece mediante o trabalho realizado por motores elétricos universais, que por sua vez, introduzem na rede impulsos cuja a frequência do pulsos é consideravelmente alta (VASCONCELOS, 2007). 6.2. Por capacitores Acontece devido a característica corretiva que este componente tem quando utilizado em equipamentos eletrônicos, essa correção é feita quando o capacitor é carregado ou descarregado, dependendo de sua aplicação no equipamento eletrônico. A caracterização da influencia deste ruído gerado se dá mediante a capacitância do componente (SANTOS c, 2008). 6.3. Atenuação O tráfego de dados no PLC em seu melhor desempenho é feito em altas frequências, assim, baixas frequências, acabam gerando limitações na comunicação desses dados, como a diminuição da distância que o dado pode percorrer. Dentro da rede elétrica os principais agentes causadores de atenuação no PLC são as cargas e as descontinuidades de impedância, que provêm, de emendas de fios, interruptores e tomadas (mesmo sem carga) (SANTOS c, 2008). 6.4. Impedância da rede A qualidade da transmissão do sinal no PLC depende diretamente da impedância da rede, tendo o valor da mesma, pode-se calcular os valores de tensão e potência necessários
51 pelo transmissor. Entretanto a impedância não se mantém constante na rede, variando de acordo com a frequência e o tempo, trazendo maior custo na saída dos transmissores. Dessa forma, temos três possibilidades que acarretam a impedância: a primeira ocorre quando gradualmente a frequência aumenta e essa quando chega ao transformador de distribuição, faz com que a impedância surja. Segunda é que, devemos ressaltar a impedância dos cabos que podem ser dimensionados de formas diferentes em função de indutores e resistores em série. Terceira é que, existem equipamentos com impedâncias variadas que conectados simultaneamente elevam a suscetibilidade de reflexão do sinal transmitido, diminuindo a potência do sinal proveniente (SANTOS c, 2008). 6.5. Interferência Em PLC é necessário ter a preocupação com duas principais influências em sua rede que são as influências que podem ser ocasionadas por equipamentos que utilizam o mesmo meio físico que o PLC e as influências de outros usuários da tecnologia PLC, devido a utilização simultânea acarretando no congestionamento no meio (SANTOS c, 2008).
52 7. COMPARAÇÃO ENTRE DOIS EQUIPAMENTOS PLC Figura 15: HomePlug NETGEAR Figura 16: HomePlug ZYXEL Fabricante NETGEAR Powerline AV 200 Adapter XAV2001 Velocidade de 200 Mbps. Fabricante ZYXEL PLA 491 powerline ethernet multiplug center. Velocidade de 200 Mbps. 1 porta 10/100 ethernet. 4 portas 10/100 ethernet. Compatível somente com sistemas operacionais Windows e Mac OS. Alimentação elétrica de 100-240V AC @ 50-60Hz. Compatível somente com sistemas operacionais Windows e Mac OS. Alimentação elétrica de 100-240V AC @ 50-60Hz. 0 tomadas de alimentação elétrica. 4 Tomadas de alimentação elétrica. Informação não fornecida pelo fabricante. Modulação OFDM, QAM 1024/256/64/16, QPSK e BPSK. Informação não fornecida pelo fabricante. Botão de segurança Informação não fornecida pelo fabricante. 86mm de largura, 67mm de espessura e 40mm de altura. Peso de 0,13 Kg Método de criptografia AES. Botão de segurança. Frequência de banda entre 2 e 30 Mhz. 330mm de largura, 140mm de espessura e 40 mm de altura. Peso de 1,15 Kg Tabela 2: Informações comparativas entre o homeplug da NETGEAR e a ZYXEL (LOPES e MATTOS, 2010).
53 Atualmente existem várias empresas que fornecem equipamentos para utilização da tecnologia PLC. Naturalmente algumas empresas fornecem mais variedades, inovações, conforto, opções de utilização e se preocupam mais com o aspecto técnico do que outras, entretanto, precisa-se enfatizar que o tipo encontrado com maior variedade de equipamentos é o indoor, pelo fato de suas limitações serem em menor escala do que o outdoor. Os consumidores dos equipamentos PLIC não precisam necessariamente ter um nível técnico relativamente elevado. Com os equipamentos PLIC, pode-se fazer uma pequena rede interna em uma residência, um escritório ou qualquer outro tipo de ambiente que tenha a sua rede elétrica interna em baixa tensão, como é caracterizada a utilização do PLIC. Na tabela anterior, pode-se observar dois equipamentos da tecnologia PLIC de duas empresas distintas e com características diferenciadas, características essas, que podem influenciar na compra do equipamento PLIC de acordo com a utilização, necessidade e preferência do consumidor. O equipamento da NETGEAR é um equipamento PLIC básico que simplesmente disponibiliza na rede elétrica dados os quais o utilizador deseja compartilhar em sua rede local. É um equipamento com dimensões relativamente pequenas em relação ao da ZYXEL, tensão de alimentação e frequência padrões, apenas uma porta de rede 10/100 ethernet, compatível com os sistemas operacionais windows XP/VISTA/7, MAC OS X, e ainda possui botão de segurança, que é uma ferramenta interessante pelo fato de proporcionar uma qualidade e uma consistência na integridade dos dados durante a comunicação no meio físico. Este botão é utilizado para garantir uma conexão segura, ou seja, uma conexão com menos probabilidade de inconfidencialidade dos dados entre dois equipamentos PLIC. O equipamento da ZYXEL, já é um equipamento mais sofisticado e que proporciona algumas opções além do que o equipamento da NETGEAR proporciona, como quatro portas 10/100 ethernet, compatível com os mesmos sistemas operacionais que o equipamento da NETGEAR, Possui também botão de segurança utilizando o mesmo princípio de funcionamento descrito acima e quatro saídas de alimentação filtradas com tensão e frequência padronizados. A ZYXEL, também se mostra preocupada com aspectos técnicos como se pode observar na tabela acima, fazendo com que o equipamento além de atender a consumidores com nível técnico relativamente baixo, possa também, atender a consumidores com níveis técnicos mais elevados, devido a quantidade de informações que a empresa proporciona acerca do seu equipamento. Entretanto, isso não descaracteriza a utilização por outras classes de consumidores. A ZYXEL proporciona dados como: técnicas de modulação,
54 faixa de frequência e método de criptografia, informações essas que a NETGEAR não dá, como se pode perceber segundo a tabela anterior. Além dos aspectos técnicos que a empresa ZYXEL se atenta, ela também demonstra preocupação com a diversidade de necessidades que o consumidor pode exigir. Nas figuras 16 e 17 podemos compreender a aplicabilidade dos dois equipamentos contextualizados, através do diagrama funcional disponibilizado pelos fabricantes dos equipamentos, NETGEAR e ZYXEL respectivamente: Figura 17: Diagrama Funcional NETGEAR (NETGEAR, 2010).
55 O diagrama da figura 16 mostra um tipo de aplicação prática do equipamento PLIC do fabricante NETGEAR, encontram-se no diagrama os seguintes equipamentos: o Escritório residencial: Modem banda larga; Roteador; Adaptador Power Line AV. o Sala de estar Televisão HDTV; Vídeo Game; Receptor de sinal; Adaptador Power Line AV. Os equipamentos listados acima estão dispostos em dois ambientes distintos: sala de estar e escritório residencial, como discriminado acima. No escritório residencial é recebido o sinal da rede de internet pelo modem banda larga, o roteador desempenha a função de permitir que este sinal de internet possa ser compartilhado com outros equipamentos que são padronizados para receber um sinal de rede. Após o roteador promover essa permissão, faz-se a conexão com o adaptador Power Line AV para que se possa ter este sinal em qualquer tomada residencial comum componente da rede elétrica de baixa tensão proposta, desde que se tenha outro adaptador Power Line AV para se fazer a recepção dos dados que estão sendo originados do escritório residencial. No exemplo do diagrama da figura 16, está sendo exemplificado a utilização da rede de internet em equipamentos da sala de estar, como televisão, vídeo game ou receptor de sinal, por meio do adaptador Power Line AV da NETGEAR.
56 Figura 18: Diagrama Funcional ZYXEL (ZYXEL, 2010). No diagrama da ZYXEL na figura 17, encontram-se dois exemplos de aplicação do equipamento homeplug da ZYXEL: Um exemplo de aplicação residencial, apenas para conforto e segurança, e o outro para aplicação em escritórios juntamente com equipamentos mais específicos para trabalho.