CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SISTEMAS ELÉTRICOS FRANCISCO DE ASSIS GOMES BARRETO GENILSON ABREU WALQUER VINICIUS KIFER COELHO

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM SISTEMAS ELÉTRICOS FRANCISCO DE ASSIS GOMES BARRETO GENILSON ABREU WALQUER VINICIUS KIFER COELHO A TECNOLOGIA PLC E O ACESSO À INTERNET BANDA LARGA ESTUDO BIBLIOGRÁFICO Campos dos Goytacazes/RJ Julho 2013

FRANCISCO DE ASSIS GOMES BARRETO GENILSON ABREU WALQUER VINICIUS KIFER COELHO A TECNOLOGIA PLC E O ACESSO À INTERNET BANDA LARGA ESTUDO BIBLIOGRÁFICO Monografia apresentada ao Instituto Federal Fluminense, Campus Campos Centro, como requisito parcial para conclusão do Curso Superior de Tecnologia em Sistemas Elétricos. Orientador: José Elias da Silva Justo, Mestre em Pesquisa Operacional e Inteligência Computacional Campos dos Goytacazes/RJ 2013

FRANCISCO DE ASSIS GOMES BARRETO GENILSON ABREU WALQUER VINICIUS KIFER COELHO A TECNOLOGIA PLC E O ACESSO À INTERNET BANDA LARGA ESTUDO BIBLIOGRÁFICO Aprovada em: 18/07/2013 Monografia apresentada ao Instituto Federal Fluminense, Campus Campos Centro, como requisito parcial para a conclusão do Curso Superior de Tecnologia em Sistemas Elétricos. Banca Avaliadora: Prof. José Elias da Silva Justo (orientador) Mestre em Pesquisa Operacional e Inteligência Computacional / UCAM - Campos Instituto Federal Fluminense Campus Campos Centro Prof. Leonardo Siqueira Rangel Especialista em Engenharia de Produção / UCAM - Campos Instituto Federal Fluminense Campus Campos Centro Sandra Maria Pereira de Assis Pós-graduação latu-sensu em Didática aplicada e tecnologia educacional / FAFIC Instituto Federal Fluminense Campus Campos Centro

AGRADECIMENTOS Agradecemos a Deus por tudo que têm nos proporcionado, aos nossos familiares e amigos por todo o apoio que têm nos dado durante toda a nossa vida. Ao orientador, José Elias, pela orientação didática, pela paciência e incentivo. Ao Instituto Federal Fluminense pela oportunidade de estudar nesta instituição pública e de qualidade. Aos professores e funcionários por manterem esta instituição funcionando.

A adversidade desperta em nós capacidades que, em circunstâncias favoráveis, teriam ficado adormecidas. (Horácio)

RESUMO O presente trabalho tem como escopo apresentar os conceitos fundamentais acerca da tecnologia de transmissão de dados via rede de energia elétrica conhecida como Power Line Communications (PLC). Primeiramente, é feita uma pequena análise do Sistema Elétrico de Potência mostrando o caminho percorrido pela eletricidade desde a geração até o consumidor final e a apresentação das principais técnicas de modulação e multiplexação, sem as quais não seria possível a comunicação via rede elétrica; em seguida é abordada uma breve evolução histórica do tema. Este TCC também apresenta os principais protocolos de comunicação utilizados pela tecnologia PLC, além das principais vantagens e desvantagens da utilização da mesma aqui, no Brasil. Por fim, é apresentado um estudo realizado pela Companhia Paranaense de Energia Elétrica (COPEL) que demonstra que o PLC pode ser uma solução viável e de baixo custo para o fornecimento de internet banda larga, sendo uma alternativa para a resolução do problema relativo à última milha que impede que a internet banda larga seja mais difundida no Brasil. Palavras-chaves: Tecnologia PLC, Internet Banda Larga, Rede Elétrica.

ABSTRACT The current research has the objective to present the fundamental concepts about technology data transmission via power grid known as Power Line Communications (PLC). First, a little analysis of the Electric Power System showing the path taken by the electricity from generation to the end user and the presentation of the main techniques of modulation and multiplexing is done, without which it would not be possible to power line communications, then a brief historical development of the subject is addressed. The work also presents the main communication protocols used by the PLC technology, besides the main advantages and disadvantages of using it here in Brazil. Finally, we presents a study conducted by Companhia Paranaense de Energia Elétrica (Copel) which demonstrates that the PLC can be a viable and cost-effective solution to provide broadband internet, being an alternative for solving the problem on the last mile that prevents broadband internet to be more widespread in Brazil. Keywords: Technology PLC, Broadband Internet, Grid.

LISTA DE FIGURAS Figura 2.1: Geração, transmissão e distribuição... 18 Figura 3.1: Rede Local... 20 Figura 3.2: Rede Metropolitana.... 21 Figura 3.3: Rede Longa Distância.... 22 Figura 3.3: Modelo OSI.... 23 Figura 3.4: Modulação de Sinal..... 26 Figura 3.5: Distribuição Spread Spectrum... 27 Figura 3.6: Distribuição OFDM.... 29 Figura 3.7: Espectros FDM convencional e OFDM... 29 Figura 4.1: Rede PLC outdoor... 34 Figura 4.2: Rede PLC indoor... 35 Figura 4.3: Injetor... 36 Figura 4.4: Repetidor... 36 Figura 4.5: Equipamento Transformador.... 37 Figura 4.6: Modem PLC... 38 Figura 4.7: Adaptador PLC.... 38 Figura 4.8: Máster.... 39 Figura 4.9: Acopladores.... 39 Figura 4.10: Isolador de Ruído.... 40 Figura 4.11: Caixa de Distribuição... 40 Figura 4.12: Forma de Transmissão da Tecnologia X10... 42 Figura 4.13: Modelo OSI e o Modelo CEBus... 43

Figura 4.14: Formato do Pacote CEBus... 44 Figura 4.15: Rede Típica CEBus com Meios de Comunicação Diferentes 45 Figura 4.16: Formato de Quadro Longo... 47 Figura 4.17: Formato de Quadro Curto....47 Figura 6.1: Testes com o Medidor e o DPS.... 54 Figura 6.2: Relação Sinal/Ruído Sinal Excelente.... 60 Figura 6.3: Relação Sinal/Ruído Sinal Ruim.... 61

LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1: Distribuição de Medidas Velocidades de Dados.... 59 Gráfico 2: Distribuição de Medidas Velocidades de Dados.... 62 Gráfico 3: Relação de Usuários que já Possuíam Internet... 66 Gráfico 4: Utilização da Internet Via PLC... 67 Gráfico 5: Avaliação da Internet Via PLC... 68 Gráfico 6: Interesse dos Voluntários em Permanecer Utilizando a Internet Via PLC Mesmo que Comercialmente... 69

LISTA DE SIGLAS ADSL Asymmetric Digital SubscriberLine AM Amplitude Modulation ANATEL Agência Nacional de Telecomunicações ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica ASK Amplitude Shift Keying bps bits per second BT BaixaTensão CA0 Classe 0 CA1 Classe 1 CA2 Classe 2 CA3 Classe 3 CAL Common Application Language CAP - Channel Access Priority CDM Code-Division Multiplexing CDMA CodeDivisionMultipex Access CEBus Consumer Eletronic Bus Cemig Companhia Energética de Minas Gerais COPEL CompanhiaParanaense de Energia CSMA/CDR Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection and Resolution DS-SS DirectSequence Spread Spectrum DS/FH DirectSequence/ Frequency Hoping DOWN - Download DPS Supressor de Surtos EIA Eletronic Industries Alliance ETH Ethernet FDM Frequency-Division Multiplexing FH-SS Frequency Hoping Spread Spectrum FSK Frequency Shift Keying Hz Hertz Kbps Kilo bits per second KHz - Kilohertz IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IEEE Institute of Eletrical and Eletronic Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Transform IMS IlevoManegement System KHz Kilohertz KM - Kilometro KV Kilovolts LAN Local Area Network MAN - Metropolitan Area Network Mbps Mega bits per second MHz Megahertz MT Média Tensão

OFDM OrthogonalFrequency-DivisionMultiplexing OPLAT Ondas Portadoras de Alta Tensão OSI - Open Systems Interconnection PC ComputadorPessoal PPPoE Point-to-Point Protocol over Ethernet PSK Phase Shift Keying PLC Power Line Communications QAM Quadrature Amplitude Modulation RF Radiofrequência RJ11 Interface utilizada em telefonia RJ45 Interface utilizada em redes Ethernet SE - Subestação SEP Sistemas Elétricos de Potências SESC/SENAC Serviço Social do Comércio/Serviço Nacional de Aprendizagem Comercial TDR Repetidor de Domínio de tempo TDM Time-Division Multiplexing UP -Upload USB Universal Serial Bus V Volts VoIP Voice over Internet Protocol xdsl é um termo genérico utilizado para representar todas as tecnologias DSL W Watts WAN - Wire Area Network Wifi Wireless Fidelity WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

SUMÁRIO RESUMO...... 5 ABSTRACT... 6 LISTA DE FIGURAS... 7 LISTA DE GRÁFICOS... 9 LISTA DE SIGLAS... 10 1. INTRODUÇÃO... 14 1.1. Motivação... 15 1.2. Objetivos... 15 1.3. Organização do trabalho... 16 2. O SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA... 17 3. REDES DE COMPUTADORES... 19 3.1. Classificação das redes de computadores quanto a abrangência 20 3.1.1. Rede local... 20 3.1.2. Rede metropolitana... 21 3.1.3. Rede de longa distância... 22 3.2. Camadas OSI... 22 3.3. Modulação e Multiplexação... 24 3.3.1. Modulação... 25 3.3.2. Multiplexação... 26 3.3.2.1. Spread Spectrum... 27 3.3.2.2. OFDM... 28 3.4. Protocolo... 30

4. A TECNOLOGIA PLC... 31 4.1. A história do PLC... 31 4.2. Conceitos fundamentais... 32 4.3. Equipamentos... 35 4.4. Protocolos utilizados... 40 4.4.1. Protocolo X10... 41 4.4.2. Protocolo CEBus... 42 4.4.3. Protocolo Homeplug... 45 5. VANTAGENS E DESVANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DO PLC NO BRASIL... 48 6. IMPLEMENTAÇÃO COM PLC... 51 6.1. Equipamentos PLC utilizados... 52 6.2. Testes com a tecnologia PLC... 53 6.3. Testes de ruídos... 55 6.4. Testes de voz sobre o PLC... 56 6.5. Implantação em Santo Antônio da Platina... 57 6.5.1. Testes de medições... 58 6.5.2. Outros testes... 63 6.6. Problemas encontrados... 64 6.7. Pesquisas com os voluntários... 65 7. CONCLUSÃO... 69 REFERÊNCIAS... 71

1. INTRODUÇÃO Atualmente a internet tem sido muito utilizada pela população mundial, por meio dela o acesso à informação ficou mais fácil e prático. Hoje é possível utilizar a internet com uma grande gama de dispositivos que variam desde o tradicional computador pessoal (PC) até telefones celulares. A internet tornou-se indispensável nos dias atuais, devido a sua enorme utilização nas áreas acadêmicas, empresariais e também como uma forma de interação social entre as pessoas (WIKIPÉDIA b). A conectividade à internet pode ser feita de várias formas. Entre elas destacam-se: conexão discada ou dial-up, wireless e/ou via satélite, fibras ópticas, cabos coaxiais e telefones celulares com tecnologia 3G (WIKIPÉDIA b). Cada uma delas possui características diferentes e determinantes que influenciam no custo e na disponibilidade de acesso para os usuários. No Brasil o custo dos serviços de internet é um dos mais caros do mundo e as formas de acesso existentes são insuficientes para atender toda a população (SALVADORI, 2012). Diante dos altos custos e da dificuldade de fornecer os serviços de internet às localidades mais afastadas dos centros comerciais, uma tecnologia que está em fase de desenvolvimento e evolução surge como uma opção vantajosa para realizar o transporte do sinal de internet para os consumidores, a tecnologia em questão é o Power Line Communication (PLC Comunicação através de linha de força). A Resolução Normativa Número 375 de agosto de 2009 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) define a tecnologia PLC como um sistema de telecomunicação que utiliza a rede elétrica como meio de transporte para a comunicação digital ou analógica de sinais como: internet, vídeo, voz, entre outros [...]. PLC consiste na utilização dos fios de energia elétrica como meio físico para o transporte de dados; desse modo pode-se afirmar que a estrutura física para a transmissão já se encontra pronta e atinge mais de 97,8% da população brasileira (IG, 2011), essa é a grande vantagem desta tecnologia, do ponto de vista econômico, quando comparado com as que são utilizadas como redes de acesso. Do ponto vista social o PLC pode representar a democratização dos meios de transmissão de dados, além de ajudar nas ações governamentais e sociais de inclusão digital.

15 1.1. Motivação A cada ano que passa a presença de computadores e o acesso à internet vêm se tornando comum nas residências da população brasileira. Uma pesquisa realizada pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) entre os anos de 2009 e 2011 mostrou que houve um aumento de 39,8% na venda de dispositivos capazes de se conectar à rede mundial de computadores (GUGELMIN, 2012). Apesar da significativa elevação das vendas desses equipamentos eletrônicos, o Brasil ainda está muito longe de figurar entre os países desenvolvidos, em relação ao acesso à informação. De acordo com Salvadori (2012), 65,2% da população brasileira acima de dez anos não acessam à internet e existem apenas 5,8 conexões fixas de banda larga para cada 100 brasileiros, dados segundo a pesquisa que mede a evolução da adoção das tecnologias de acesso à internet no País. A internet banda larga no Brasil é pouco difundida devido ao seu alto custo de instalação de cabeamento e a dificuldade de levar o sinal a lugares afastados do Backbone, rede principal que distribui a internet. Além destes problemas, os valores da assinatura dos serviços cobrados pelas operadoras é um dos mais caros do mundo (SALVADORI, 2012). A situação atual do acesso à informação no Brasil motivou a realização deste trabalho sobre PLC, pois esta tecnologia, por utilizar a rede de energia elétrica como meio físico para o transporte da informação, reduziria o custo com a instalação de cabeamento, chegaria às residências de quase todos os brasileiros e seria uma opção para o fornecimento de internet banda larga a baixo custo para as pessoas de baixa renda, desta forma, ajudando no processo de inclusão digital. 1.2. Objetivos Este trabalho monográfico tem como objetivo principal mostrar que a tecnologia PLC pode ser utilizada como uma alternativa viável para o fornecimento de acesso à internet em banda larga. Pretende-se também comprovar, através de um estudo realizado pela

16 Companhia Paranaense de Energia (COPEL), que o PLC é uma tecnologia de fácil instalação e implantação e que é funcional. 1.3. Organização do trabalho Esta monografia está dividida em sete capítulos estruturados da seguinte forma: O capítulo 2 apresenta uma breve introdução ao Sistema Elétrico de Potência (SEP), detalhando o caminho percorrido pela eletricidade desde sua geração, passando pelas linhas de transmissão e distribuição até chegar aos consumidores finais. Os conceitos básicos de modulação e multiplexação são expostos no capítulo 3. No capítulo 4 descreve-se a história da tecnologia PLC, onde também são abordados os seus conceitos fundamentais, os principais equipamentos utilizados, os tipos de redes PLC e os protocolos utilizados por ela. O capítulo 5 mostra as principais vantagens e desvantagens da utilização do PLC no Brasil, além de mostrar os principais obstáculos encontrados para realizar a transmissão de dados através das redes elétricas. O capítulo 6 apresenta o estudo de caso realizado pela COPEL que mostra que a tecnologia PLC pode ser uma opção viável para utilização das redes de energia elétrica como meio físico para o fornecimento da internet em banda larga. Por fim, o capítulo 7 apresenta as considerações finais deste TCC e algumas sugestões para trabalhos futuros.

17 2. O SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA Para um bom entendimento do funcionamento do PLC é necessário que se tenha uma pequena noção de como o Sistema Elétrico de Potência (SEP) é composto e o caminho percorrido pela energia elétrica desde a geração até chegar às residências. O SEP é responsável pelo fornecimento da energia elétrica consumida em todo o país. A Norma Regulamentadora 10 define este sistema como um conjunto das instalações e equipamentos destinados à geração, transmissão e distribuição de energia elétrica até a medição, inclusive. Entre a geração da energia elétrica e a sua utilização, um SEP é, normalmente, dividido em três seguimentos: geração, transmissão e distribuição (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA, 2010). No primeiro seguimento a eletricidade é gerada. Este processo consiste na conversão ou transformação de uma determinada forma de energia disponível, como exemplo a mecânica, térmica ou eólica, em energia elétrica. Essas transformações ocorrem em um local chamado de usina, que é composto basicamente de um gerador rotativo. Este equipamento elétrico pode ser ativado por uma turbina hidráulica de uma hidroelétrica, por um motor a diesel de uma termoelétrica ou mesmo uma turbina de ar em uma usina eólica (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA, 2010). Após a geração, a energia elétrica é encaminhada para a subestação (SE) elevadora de transmissão, esta tem a função de elevar os níveis de tensão com o objetivo de evitar perdas na transmissão através do efeito joule e os gastos com cabos mais grossos. Para elevar os níveis de tensão aos patamares de transmissão, são utilizados grandes transformadores (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA, 2010). Ao sair da SE elevadora de transmissão, a energia elétrica é direcionada para os sistemas de transmissão que operam em tensão na faixa de 230 a 500 Kilovolt (KV). Esses são responsáveis por interligar as usinas geradoras aos consumidores em tensão de transmissão e a SE abaixadora de subtransmissão, esta reduz a tensão, usualmente, para valores de 138 ou 69 KV e a envia para as linhas de subtransmissão. A partir destas linhas, a energia elétrica é encaminhada para os consumidores em tensão de subtransmissão e aos centros de distribuição, mais especificamente na SE de distribuição (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA, 2010).

18 Na SE de distribuição os níveis de tensão são reduzidos novamente, o valor mais comum é a tensão de 13,8 KV. Dessas subestações a energia elétrica segue para as linhas de distribuição primária ou média tensão (MT), são estas linhas que levam a energia elétrica para os centros consumidores, atendendo tanto os consumidores industriais que consumem um nível de tensão mais elevado quanto os residenciais que necessitam que os níveis de tensão sejam reduzidos para o nível secundário ou baixa tensão (BT). Os valores de BT aqui no Brasil variam de acordo com a região. Algumas adotam os valores 220/127 Volts (V) enquanto outras utilizam 380/220 V (KAGAN; OLIVEIRA; ROBBA, 2010). A Figura 2.1 ilustra o trajeto percorrido pela energia elétrica, desde a sua geração até a entrega aos consumidores finais. Figura 2.1: Geração, transmissão e distribuição. (Fonte: HOWSTUFFWORKS, 2013)

19 3. REDES DE COMPUTADORES Inicialmente os computadores eram máquinas muito caras que centralizavam em um único ponto os dados de vários usuários ou de uma organização inteira. Com a redução dos custos do hardware e do software, a estrutura centralizada cedeu lugar a uma mais distribuída, na qual, diversos equipamentos dos mais variados portes, processam dados de formas isoladas, o que acarreta uma série de problemas como: duplicação desnecessária de recursos de hardware e de software e subaproveitamento dos mesmos. Nesse cenário surgiram as redes de computadores, onde um sistema de comunicação foi introduzido para interligar os equipamentos de processamentos de dados. As redes de computadores começaram a ser desenvolvida na década de 60 com o objetivo de trocar informações entre computadores. A descoberta de novas tecnologias e o desenvolvimento de novas padronizações possibilitaram uma comunicação mais rápida e com um menor custo entre computadores. Atualmente essa tecnologia está presente em quase todas as atividades empresarias e acadêmicas (TORRES, 2009). O compartilhamento de dados em redes de computadores pode ser feito utilizando uma rede ponto-a-ponto que não possui servidor dedicado, nem hierarquia entre as máquinas que a compõe, dessa forma qualquer computador conectado à rede pode funcionar como cliente e/ou servidor. Outro tipo de compartilhamento é o modelo cliente-servidor, onde os arquivos são concentrados em um único computador, o servidor e as estações têm acesso aos arquivos armazenados nele (TORRES, 2009). Para que haja a comunicação de dados é necessária a existência de: sinal, um meio passante para o sinal, transmissor e o receptor. A comunicação de dados pode ser feita em um único sentido de transmissão: é a chamada de conexão simplex, pode utilizar os dois sentidos sem simultaneidade que a forma half-duplex ou a forma full-duplex que envia e recebe dados ao mesmo tempo (FOROUZAN, 2006).

20 3.1. Classificação das redes de computadores quanto a abrangência Quando se fala em dimensão das redes, refere-se basicamente a três tipos: rede local, rede metropolitana e rede geograficamente distribuída. Dentro de cada uma dessas classificações, cada rede é determinada pelo tamanho, tipo de domínio, pela distância geográfica que ela cobre e pela arquitetura física. 3.1.1. Rede local De acordo com Forouzan (2006), as redes de área local (LAN Local Area Network) são projetadas para permitirem o compartilhamento de recursos entre computadores pessoais ou estações de trabalho, podendo ser formada por dois computadores pessoais e uma impressora ou por centenas de dispositivos dentro de uma empresa, incluindo periféricos de áudio e vídeo. Uma LAN depende da infraestrutura de uma organização ou de uma empresa e do tipo de tecnologia utilizada. As redes locais têm seu tamanho limitado a poucos quilômetros. A Figura 3.1 ilustra a composição de uma rede LAN. Figura 3.1: Rede Local. (Fonte: CASTRO, 2010)

21 3.1.2. Rede metropolitana As redes de área metropolitana (MAN Metropolitan Area Network) são redes com uma abrangência maior que as LANs, podendo ser projetadas para se estenderem por toda uma cidade. Elas podem ser constituídas de uma única rede, como as de TV a cabo ou podem conectar várias LANs, constituindo redes maiores, dessa forma permitindo o compartilhamento de recursos de LAN para LAN ou de dispositivos para dispositivos (FOROUZAN, 2006). Como um exemplo de MAN pode-se utilizar o de empresa que possui vários escritórios distribuídos por uma cidade e usa essa rede para conectar as respectivas LANs de seus escritórios, conforme a ilustração da Figura 3.2. Figura 3.2: Rede Metropolitana. (Fonte: CASTRO, 2010)

22 3.1.3. Rede de longa distância As redes de longas distâncias (WAN Wire Area Network) são redes que abrangem uma área maior que uma cidade, podendo compreender um país, um continente ou até mesmo todo o globo terrestre, conforme ilustra a Figura 3.3. Elas podem utilizar as redes públicas, redes sob concessões ou alugadas, equipamentos privados de comunicação ou uma combinação desses para atingir uma distância praticamente ilimitada na superfície terrestre (FOROUZAN, 2006). Figura 3.3: Rede Longa Distância. (Fonte: CASTRO, 2010) 3.2. Camadas OSI Com o surgimento e o crescimento do uso das redes de computadores, ocorreu o problema da falta de padronização. Um equipamento que utilizava a tecnologia de um fabricante não era compatível com a utilizada por outro fabricante, sendo impossível utilizar as tecnologias de fabricantes diferentes em uma mesma rede de computadores. Em

23 decorrência dessa situação, foi criada uma padronização universal que organiza a comunicação em camadas hierarquizadas. Esse modelo recebeu o nome de OSI (Open Systems Interconnection). Basicamente, o modelo OSI consiste em sete camadas, onde a camada mais elevada significa um maior nível de abstração do que aquela imediatamente inferior (TORRES, 2009). Figura 3.3: Modelo OSI (Fonte: LIMA, 2011). Segundo Torres (2009), na transmissão de um dado, cada camada pega as informações passadas pela camada superior, acrescenta informações pelas quais ela seja responsável e passa as informações para a camada inferior. Esse processo é conhecido como encapsulamento. A seguir serão apresentadas as funções de cada camada do modelo OSI (FOROUZAN, 2006; TORRES, 2009): física responsável em pegar os quadros enviados pela camada de enlace e os transformar em sinais compatíveis com o meio onde os dados deverão ser transmitidos; enlace tem a função de pegar os pacotes de dados recebidos da camada de rede e transformá-los em quadros que serão trafegados pela rede, adicionando

24 informações como o endereço da placa de rede de origem, o endereço da placa de rede de destino e dados de controle; rede responsável pelo endereçamento do pacote para que estes cheguem ao destino. Outra função desta camada é determinar a rota que os pacotes irão seguir para atingir seu destino, baseada em fatores como condições de tráfegos de rede e prioridades; transporte responsável por pegar os dados enviados pela camada de sessão e dividi-los em pacotes que serão transmitidos pela rede, além de manter o controle de fluxo e a correção de erros na transmissão; sessão controla a comunicação entre os dispositivos, marcando os dados que serão transmitidos. Em caso de alguma falha na transmissão, a comunicação continuará do mesmo ponto em que foi interrompida; apresentação realiza a conversão do formato do dado recebido pela camada de aplicação trabalhando, como exemplo, com conversão de codificação, criptografia, etc.; aplicação faz a interação entre o equipamento e o usuário, ela realiza a interface entre o protocolo de comunicação e o aplicativo que pediu ou receberá a informação através da rede. 3.3. Modulação e Multiplexação A transmissão de dados via rede elétrica só foi possível com o desenvolvimento de modernas técnicas de modulação e multiplexação. Essas técnicas possibilitaram a transmissão de sinais diferentes em um mesmo meio físico e controlar os problemas que surgem durante a transmissão como interferências e ruídos (VASCOCELOS, 2009).

25 3.3.1. Modulação Modulação de sinal é o processo de transformar um sinal em uma forma adequada para que possa ser transmitido por um determinado meio físico ou canal. A informação é adicionada a uma onda senoidal pelos transmissores de tal forma que ela poderá ser recuperada pelos receptores através do processo reverso chamado de demodulação (FOROUZAN, 2006). Forouzan (2006), explica que uma onda senoidal pode ser definida por suas três características: amplitude, fase e frequência. Ele afirma também que a variação de qualquer um desses parâmetros cria um novo sinal, desta forma pode-se utilizar a onda senoidal original para representar o número binário 1 e a onda modificada para representar o número binário 0 ou vice-versa. Assim é possível modificar alguns aspectos do sinal elétrico senoidal e permitir representação adequada dos dados binários. A alteração de qualquer uma das três características do sinal senoidal permite o surgimento de pelo menos três técnicas de modulação de dados em sinais analógicos que são: amplitude shift keying (ASK), frequency shift keying (FSK) e phase shift keying (PSK). A ASK é uma técnica de modulação que modifica a amplitude do sinal da onda portadora de modo a representar a informação binária 0 ou 1; a frequência e a fase ficam inalteradas. A susceptibilidade a interferências provocadas por ruídos é grande desvantagem dessa técnica de modulação (FOROUZAN, 2006). O método FSK modifica a frequência do sinal da onda portadora de modo a representar a informação binária 0 ou 1; a amplitude e a fase ficam inalteradas. Com essa técnica de modulação os problemas com ruídos são eliminados (FOROUZAN, 2006). A técnica de modulação PSK modifica a fase do sinal da onda portadora de modo a representar a informação 0 ou 1, mantendo inalteradas a amplitude e frequência. Essa técnica oferece boa flexibilidade em termos de compromisso entre banda necessária e taxa de erros, gerando assim uma grande variedade de esquemas de modulação tendo como base o PSK original (FOROUZAN, 2006).

26 Figura 3.4: Modulação de Sinal. (Fonte: MATOS; 2011). 3.3.2. Multiplexação A multiplexação é uma técnica que possibilita que mais de um sinal possa ser enviado ao mesmo tempo em um mesmo meio físico ou canal. Existem diferentes técnicas de multiplexação, entre as mais importantes pode-se citar (FOROUZA, 2006): frequency-division multiplexing (FDM) é uma técnica analógica que utiliza uma largura de banda muito maior que as somas das larguras de bandas de todos os sinais a serem transmitidos. O FDM modula os sinais gerados nos dispositivos transmissores em portadoras de frequências diferentes e combina os mesmos em um único sinal composto para ser transportado pelo canal. Os sinais são separados e decompostos por filtros e enviados para os demoduladores que os separa em portadoras e os enviam para os receptores; time-division multiplexing (TDM) nessa técnica muitas conexões compartilham uma mesma banda, onde cada sinal ocupa o canal em um espaço de tempo. O TDM faz a divisão da banda no domínio do tempo; code-division multiplexing (CDM) nessa técnica cada sinal é identificado por um código diferente. Assim, é possível enviar em um mesmo canal, vários

27 sinais que serão separados no receptor. Isto permite uma melhor utilização do meio de transmissão já que amplia a densidade e capacidade de multiplexação. Estas técnicas de multiplexação são bases para formas mais robustas utilizadas na tecnologia PLC: spread spectrum (espalhamento espectral) e OFDM, as quais serão apresentadas a seguir. 3.3.2.1. Spread Spectrum Essa técnica de multiplexação se caracteriza pela habilidade de rejeitar interferências na transmissão. Ela consiste em distribuir a potência do sinal ao longo de uma faixa de frequência muito ampla, como pode ser observado na Figura 3.5, fazendo com que sua densidade espectral seja pequena e reduzindo o tempo de transmissão dos dados. Com isso, há a necessidade de utilização de bandas mais largas para a transmissão (PARENTE, 2011; ROCHA, 2009). Figura 3.5: Distribuição Spread Spectrum. (Fonte: VASCONCELOS, 2009) Os primeiros a utilizar essa técnica de multiplexação foram os sistemas militares, tendo como objetivo evitar a obstrução intencional do canal de comunicação, evitando que os adversários interrompessem a comunicação entre os grupos aliados. Em 85 essa tecnologia tornou-se disponível para o mercado (PARENTE, 2011; ROCHA, 2009). Essa forma de multiplexação tem como foco principal a segurança nas transmissões em ambientes hostis, o que significa que a eficiência em termos de banda é deixada em segundo plano. Esta segurança advém do fato que o sinal é espalhado no espectro de frequência, sua aparência é de sinal de ruído, podendo ser transmitido pelo canal sem ser detectado, caso alguém esteja monitorando a comunicação (VARGAS, 2004).

28 De acordo com Vargas (2004), as principais vantagens desta técnica de multiplexação são: baixa densidade espectral de potência; rejeição a interferências; privacidade: o código usado para o espalhamento tem baixa ou nenhuma correlação com o sinal e é único para cada usuário, sendo impossível separar do sinal a informação que está sendo transmitida sem o conhecimento do código utilizado. Entre os principais sistemas spread spectrum, destacam-se: FH-SS (Frequency Hoping Spread Spectrum), sistema que divide a banda total de transmissão em diversos subcanais de banda estreita e o comuta rapidamente entre eles seguindo uma sequência aleatória, conhecida tanto pelo transmissor quanto pelo receptor; o sistema DS-SS (Direct Sequence Spread Spectrum), essa técnica utiliza um canal de banda larga onde todos transmitem a uma alta taxa, seguindo uma sequência que provém de um código aleatório pré-definido, pseudo ruído, esse é um sinal binário produzido a uma frequência muito maior que a do dado a ser transmitido, espalhando o sinal no domínio de frequência. Na recepção o sinal é filtrado seguindo a mesma sequência. o sistema DS/FH é um sistema híbrido, neste sistema a banda é dividida em subcanais e em cada um deles um pseudo ruído é multiplicado com o sinal de dados (VARGAS, 2004). 3.3.2.2. OFDM O OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) é uma técnica de multiplexação bastante conhecida e muito utilizada em diversas tecnologias como no WIMAX, no protocolo de enlace ADSL, no protocolo IEEE 802.11 a/g e no rádio digital DAB. Essa técnica consiste em enviar a informação modulando um grande conjunto de portadoras em diferentes frequências de bandas estreitas distribuídas lado a lado, como ilustra a Figura 3.6 (ROCHA, 2009; VARGAS, 2004).

29 Figura 3.6: Distribuição OFDM. (Fonte: VASCONCELOS, 2009) De acordo com Vargas (2004), o OFDM foi criado objetivando minimizar as interferências entre canais de frequências próximos uns dos outros e está baseado na propriedade da ortogonalidade entre sinais. Dois sinais são chamados ortogonais, quando o produto de um pelo outro resulta em zero. Parente (2011) explica que: A técnica OFDM surgiu como uma evolução da FDM, de modo que, se nesta usava-se diferentes frequências para transmitir o sinal, frequências essas separadas por uma banda de guarda; naquela, utiliza-se também diferentes frequências, contudo as portadoras, por serem ortogonais, podem ser sobrepostas sem perda da informação. Pinto e Albuquerque (2002, p. 02) observam que essa sobreposição espectral particular produz uma economia significativa de banda relativamente a FDM tradicional, de forma que pode-se obter uma economia de banda de aproximadamente de 50%. (PARENTE, 2011, p. 21) A Figura 3.7 abaixo ilustra a afirmação de Parente (2011). Figura 3.7: Espectros FDM convencional e OFDM. (Fonte: PARENTE, 2011)

30 O OFDM é uma tecnologia de alta complexidade, a sua função é codificar um sinal de forma a corrigir os erros produzidos na transmissão suprindo portadoras interferentes, interferidas ou variar o carregamento, números de bits, de cada portadora de acordo com o a relação sinal/ruído ou atenuação do enlace (PARENTE, 2011; VARGAS, 2004). Esta técnica é a mais utilizada nos sistemas PLC, entre os vários benefícios dessa técnica destaca-se: maior número de canais para uma mesma faixa espectral se comparada com a técnica FDM; resistência à interferência; pouca distorção causada por caminhos múltiplos; eficiência e robustez. 3.4. Protocolo Protocolo é um padrão que cria uma linguagem utilizada por dispositivos de uma rede de modo que eles consigam conversar entre si, trocando informações entre si. Ele também define que tipo de informação será trocada, como e quando será trocada. Para que todos os dispositivos possam se comunicar é necessário que eles estejam utilizando o mesmo protocolo (FOROUZAN, 2006).

31 4. A TECNOLOGIA PLC PLC é uma tecnologia que se baseia no aproveitamento da rede elétrica como meio físico para o transporte de sinais de dados. A transmissão dos mesmos é feita sobre os fios de cobre das redes de energia elétrica de alta, média e baixa tensão. Uma rede PLC transforma qualquer tomada elétrica em um ponto de dados, voz e vídeo, podendo transformar um prédio ou uma residência em uma verdadeira rede local de dados (LAN). Com essa tecnologia também é possível que o usuário ligue e desligue os eletrodomésticos conectados à rede elétrica, sistemas de iluminação e sistemas de alarmes através de um computador conectado à internet (CAMARGO LU, 2010). 4.1. A história do PLC A transmissão de dados através da rede de energia elétrica, apesar de ter ganhado muito destaque nos últimos anos, não é uma coisa nova. Segundo Faccione (2008), existem registros da utilização da tecnologia PLC desde 1838, com a primeira patente registrada no ano de 1897. Esta tecnologia é utilizada desde os meados 1920 por muitas empresas de energia elétrica para efetuar telemetria, telecomando e voz, utilizando as redes de alta tensão como meio de comunicação. Antes o PLC era conhecido como Power Line Carrier, também chamado de OPLAT (Ondas Portadoras de Alta Tensão). Na época, a transmissão era de baixa velocidade e operava em uma faixa de frequência de 30 a 400 Kilohertz (KHz) (COPEL, 2010; FACCIONE, 2008). Com o passar dos anos a tecnologia evoluiu, novas pesquisas foram realizadas e outras técnicas passaram a ser utilizadas. A velocidade de transmissão aumentou significativamente. Na década de 80 foi possível transmitir com taxas de até 144 Kbps e em frequência de até 500 KHz (FACCIONE, 2008). Na mesma década, de acordo com Nogueira (2010), empresas fornecedoras de energia elétrica, americanas e europeias interessaram-se em

32 desenvolver e analisar as características da rede de energia elétrica e a capacidade da mesma para a transmissão de dados. Em 1991, a empresa inglesa Norweb Communications, iniciou uma série de testes com comunicação digital de alta velocidade utilizando linhas de energia elétrica. Por meio deles foi comprovado que era possível resolver os problemas com ruído e atenuar as interferências. Assim, a transmissão de dados de alta velocidade poderia ser viável. No ano de 1997, a Norweb em parceria com a Nortel, realizou o primeiro teste de acesso à internet utilizando PLC (CAMARGO LU, 2010). Depois dos primeiros testes realizados pelas empresas inglesas, segundo Camargo Lu (2010), outras empresas de energia elétrica do mundo interessaram-se em tornarem-se provedoras de serviços de telecomunicações, pois as mesmas utilizariam sua própria estrutura para a comunicação de dados. Hoje, a tecnologia PLC está sendo estudada e implantada em vários lugares do mundo, com o exemplo a cidade de Puerto Real na Espanha, em que todos os serviços de telefonia e internet são providos pela empresa local de energia elétrica. Além da Espanha, outros países já utilizam ou estão em fase de implantação da tecnologia PLC como Rússia, Índia, Estados Unidos, França, Brasil (COPEL, 2010). No Brasil as empresas Cemig e Copel iniciaram testes com o PLC em 2001. O teste realizado pela Copel na cidade de Santo Antônio da Platina comprovou que a tecnologia funciona quando a rede interna do cliente está devidamente adaptada e de acordo com as normas técnicas das concessionárias de energia elétrica e com a NBR 5410, e que 90% dos usuários estavam satisfeitos com o desempenho desta tecnologia, este estudo feito pela COPEL será detalhado no capítulo 6 (COPEL, 2010). O grande interesse das empresas brasileiras no PLC é a possibilidade de poder oferecer internet banda larga às residências e às empresas, e resolvendo o problema conhecido como última milha que impede o avanço da internet banda larga (FACCIONE, 2008). 4.2. Conceitos fundamentais Os sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica formam a maior estrutura, em forma de rede, instalada do planeta. Essa afirmação mostra que a utilização das

33 redes de energia elétrica podem ser uma opção como meio físico para a comunicação de dados de alta velocidade. O PLC utilizaria a capilaridade das redes elétricas para transmissão de dados, o que geraria uma economia com a instalação de cabos e teria um alcance maior que as tecnologias atualmente encontradas no mercado. Um dos fatores que pesa contra a utilização de rede elétrica na comunicação de dados é que os cabos elétricos são poucos adequados para a transmissão de dados, principalmente em relação aos ruídos e às interferências (PARENTE, 2011). Apesar de estar no mesmo meio físico, o sinal de energia elétrica e o sinal de comunicação de dados não se misturam, isto se deve à diferença de frequência entre os dois ser muito elevada. A frequência utilizada para a transmissão de energia elétrica é da ordem de 50 a 60 Hz, enquanto a conexão para a transmissão de dados é em torno de 30 ou 91,7 MHz. Isto faz que os dois sinais mesmo estando no mesmo meio físico não se misturem (CAMARGO LU, 2010). No mercado atual da rede PLC, podemos encontrar duas redes em desenvolvimento: indoor e outdoor. A rede outdoor utiliza as linhas de média e baixa tensão para a comunicação de dados conforme ilustra a Figura 4.1, é este o seguimento PLC que desperta um interesse maior das concessionárias de energia elétrica e empresas provedoras de internet, pois esse seguimento possibilita a abertura de um novo setor de mercado que beneficia ambas as empresas. De acordo com Faccione (2008), apenas 15% da população brasileira tem acesso à internet banda larga, por causa da falta de infraestrutura das redes de telecomunicações tradicionais. O PLC utiliza uma estrutura pronta que atinge quase 98% do território brasileiro, o que reduz os custos para o fornecimento de internet banda larga. Entretanto, o interesse das concessionárias de energia elétrica brasileira tende a diminuir após a homologação da resolução normativa 527 da ANATEL, que define o uso do PLC em caráter secundário em relação a outros serviços de telecomunicações limitando o uso ou a capacidade. Outro empecilho é a resolução normativa 375 da ANEEL, que determina que as distribuidoras de energia precisam licitar o uso de sua rede para empresas que oferecem serviços de PLC e 90% da receita obtida será destinada a modicidade tarifaria, então não há incentivos para as mesmas investirem no PLC (COPEL, 2010).

34 Figura 4.1: Rede PLC outdoor. (Fonte: MALATHI, 2010) A rede PLC indoor corresponde ao trecho que vai desde o medidor de energia do usuário até todas as tomadas no interior dos prédios ou residências, conforme ilustra a Figura 4.2. De acordo com Parente (2011), esta rede funciona da seguinte forma: um dispositivo envia os dados e o outro os recebe, tudo via rede elétrica do próprio prédio. Neste modelo de conexão, não há troca de dados com o meio externo. A rede PLC indoor vem se tornando uma alternativa para a expansão do PLC no Brasil, considerando que este modelo não está sujeito às resoluções da ANATEL e da ANEEL. Conforme destaca NOGUEIRA: O modelo indoor é uma alternativa para a tecnologia se expandir, uma vez que não está sujeita às regras definidas pela Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) e nem pela Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel). A rede indoor implica em não fornecer internet via rede elétrica por meio da rede elétrica externa, passando pelo transformador e pelas redes públicas de energia elétrica. Seu objetivo é fornecer a internet por meio da fibra óptica diretamente no medidor da residência e utilizando rede elétrica interna do próprio

35 edifício. Depois disto, é possível acessar o sinal por meio de qualquer tomada interna. (NOGUEIRA, 2010, p. 27) Figura 4.2: Rede PLC indoor. (Fonte: MALATHI, 2010) 4.3. Equipamentos O sinal PLC é enviado por meio dos condutores de energia elétrica. Entretanto, o sinal tem que ser convertido em uma forma que permita a transmissão através da mesma. Para este propósito o PLC inclui em suas redes alguns equipamentos específicos para assegurar a conversão dos sinais e a sua transmissão. Os principais equipamentos utilizados em uma rede PLC são: injetor, repetidor, modem, adaptadores, equipamento transformador, másters, acopladores, isolador de ruídos e caixa de distribuição. Dependendo do desenho da rede alguns dispositivos podem ou não estar presentes. A seguir explica-se as funções de cada elemento utilizada em uma rede PLC:

36 injetor gera e modula o sinal Power line na rede elétrica. A maioria dos injetores possui um chipset Wifi 802.11a para servir de ponto de acesso e se conecta por um cabo Ethernet a um roteador agregado que distribuirá o sinal recebido. Dependendo da necessidade o injetor pode ser instalado tanto na média quanto na baixa tensão (SANTOS, 2008); Figura 4.3: Injetor. (Fonte: ZHUHAI, 2013) repetidor é o equipamento que tem a função de recuperar e reinjetar o sinal PLC proveniente do transformador para a rede elétrica de distribuição doméstica ou após o sinal ter sofrido atenuação devido o comprimento da rede PLC. É instalado normalmente junto à sala de medidores de cada prédio ou em algum local intermediário na rede de distribuição de baixa tensão. Calcula-se que o repetidor deve ser instalado a cada 300-500 metros para uma comunicação confiável (SANTOS, 2008; VASCONCELOS, 2009); Figura 4.4: Repetidor. (Fonte: SANTOS, 2008)

37 equipamento transformador é o equipamento responsável por extrair o sinal da rede de média tensão e injetá-lo na de baixa tensão, ou vice-versa, de modo a contornar o transformador MT/BT. Este equipamento é instalado junto aos transformadores. Ele pode possuir uma placa BT, que injeta o sinal da rede de distribuição através dos cabos de baixa tensão: uma placa MT que possibilita conectar o equipamento transformador com as redes de distribuição. Podem possuir placas Fast Ethernet e Gigabit Ethernet que viabilizam a conexão de subestações de média e baixa tensão com outras tecnologias, como rede de fibras óticas ou xdsl, aumentando a flexibilidade de interconexão da rede PLC (SANTOS, 2008; VASCONCELOS, 2009); Figura 4.5: Equipamento Transformador. (Fonte: VASCONCELOS, 2009) modem realiza a interface entre os equipamentos dos usuários e a rede elétrica, transformando o sinal do equipamento terminal de telecomunicações em sinal modulado e transportado sobre a rede elétrica. Este equipamento permite separar as aplicações de dados e voz, para os respectivos telefones e computadores. Existem modems específicos para determinados serviços, como aqueles voltados para a internet que possui conexões Ethernet RJ45 e USB, para a telefonia juntamente com a internet, acompanhados com sockets RJ11 e conexões Ethernet RJ45 e USB, além de

38 modems dedicados exclusivamente à telefonia, possuindo apenas sockets RJ11. A conexão com a rede elétrica deve ser realizada de modo a funcionar como um filtro passa-alta, separando as frequências utilizadas para a comunicação e a da transmissão de energia elétrica (Fonte: SANTOS, 2008; VASCONCELOS, 2009); Figura 4.6: Modem PLC. (Fonte: SANTOS, 2008) adaptadores são dispositivos para conectar diferentes aparelhos via rede elétrica doméstica; Figura 4.7: Adaptador PLC. (Fonte: NETGEAR, 2008) máster também conhecido como Head End, é utilizado para interconexão da rede PLC com as redes sem fio, fibra ótica ou de distribuição de baixa tensão, quando não é possível uma conexão com a rede de média tensão (VASCONCELOS, 2009);

39 Figura 4.8: Máster. (Fonte: VASCONCELOS, 2009) acopladores são necessários para injetar e adaptar o sinal de telecomunicações do equipamento PLC para a rede de distribuição (MT e BT). Podem ser indutivos, injetam o sinal nas linhas de energia por indução, ou capacitivos, transmitem o sinal por contato direto com a rede elétrica (VASCONCELOS, 2009); Figura 4.9: Acopladores. (Fonte: VASCONCELOS, 2009) isolador de ruído é usado para diminuir a quantidade de ruído de uma rede, geralmente é instalado junto aos modems PLC (VASCONCELOS, 2009);

40 Figura 4.10: Isolador de Ruído. (Fonte: VASCONCELOS, 2009) caixa de distribuição é um equipamento de concentração, ele é utilizado para distribuir o sinal PLC em painéis elétricos de edifícios. Outra função dele é a otimização da largura de banda disponível para um grupo de usuários, normalmente ele é dotado de um filtro para os ruídos provenientes de aparelhos acoplados à rede elétrica (VASCONCELOS, 2009); Figura 4.11: Caixa de Distribuição. (Fonte: VASCONCELOS, 2009) 4.4. Protocolos utilizados A tecnologia PLC permite que vários equipamentos possam ser conectados à rede elétrica para a comunicação de dados, entretanto, para que estes equipamentos conversem uns com os outros é necessários que eles estejam utilizando os mesmos protocolos de comunicação. Existem vários padrões de protocolos no mercado que são utilizados para a transmissão de dados via rede elétrica, entretanto neste trabalho serão destacados os protocolos X10, CEBus e o HomePlug.

41 4.4.1. Protocolo X10 O protocolo X10 foi desenvolvido na década de 70, pela empresa escocesa Pico Electronics Ltda. Os primeiros produtos baseados no protocolo X10 foram disponibilizados ao mercado no ano de 1979. A partir desta data, vários produtos passaram a ser fornecidos no mercado abrangendo uma extensa gama de aplicações (FERNANDEZ, 2001). Esta tecnologia é definida como:...um protocolo de comunicação que controla remotamente os dispositivos elétricos, ela utiliza a rede elétrica como meio de comunicação. Fazendo a comunicação entre os módulos transmissores e receptores X-10. Os módulos transmissores são usualmente colocados no lugar de tomadas e interruptores. (STEDILE, 2008, p.13) O X10 é uma tecnologia de simples instalação e uso, basta o usuário conectar um transmissor X10 em uma tomada, situada em qualquer lugar na sua residência, e enviar comandos próprios desta tecnologia para um receptor X10, que também deverá estar conectado a uma tomada em qualquer lugar da mesma casa. O seu funcionamento também é bastante simples, os transmissores enviam um comando para realizar uma função dentro da residência, como ascender ou apagar uma lâmpada, e junto com esse comando ele envia um código do receptor controlado. Cada receptor possui uma identificação especifica e reage apenas quando o comando for endereçado a ele (STEDILE, 2008). A comunicação entre os módulos transmissores e receptores era realizada de forma unidirecional; hoje já é possível encontrar equipamentos que são bidirecionais. Esta tecnologia utiliza a modulação em amplitude (AM) e envia um bit de cada passagem por zero da onda senoidal de transmissão da rede elétrica, isto é justificável por ser este o instante de menor ruído e interferência de outros equipamentos conectados à rede (VARGAS, 2004). Stedile explica que:

42 A sincronização da transmissão do X10 é feita no ponto de cruzamento do zero da rede elétrica. A transmissão deve ser o mais próximo possível do ponto de cruzamento do zero da rede elétrica, devendo ocorrer em no máximo 200 microssegundos após o cruzamento do zero. Injetando sinais de alta frequência (120 KHz), num curto sinal de 1 ms, representando o nível logico 1(STEDILE, 2008, p.15). Observando a figura 4.12 e tendo como base a explicação de Stedile (2008), notamos que o 1 binário é representado pela existência de um pico de frequência 120 KHz na passagem por zero, ou seja, no cruzamento da onda, enquanto que o 0 binário é a ausência do sinal. Desta forma, pode-se perceber que a taxa máxima de transmissão é limitada a 60 bps. Mas devido à necessidade de envios de bits de comando e sincronismo este valor se torna ainda menor. Figura 4.12: Forma de Transmissão da Tecnologia X10 (Fonte: FERNANDEZ, 2001). 4.4.2. Protocolo CEBus O CEBus (Consumer Eletronic Bus) é um conjunto de protocolos de arquitetura aberta que define como os equipamentos podem se comunicar utilizando: cabeamento elétrico

43 usual, cabeamento de par trançado de baixa tensão, cabos coaxiais, sinais de infravermelho, sinais de rádio frequência e fibra óptica. CEBus é um produto de domínio público, qualquer pessoa pode ter uma cópia e desenvolver produtos que trabalhem com este padrão. Este protocolo começou a ser desenvolvido pela Associação das Indústrias de Eletrônica (EIA), em 1984. Sua primeira especificação surgiu no ano de 1992 (VARGAS, 2004). O CEBus foi elaborado com o objetivo de desenvolver um padrão de baixo custo para aplicações em edifícios industriais e não industriais e resolver os problemas de incompatibilidade entre produtos existentes no mercado, provenientes de fabricantes diferentes. Este protocolo tem como referência o modelo OSI, entretanto ele utiliza apenas quatro camadas dele, como pode ser observado na figura abaixo: Figura 4.13: Modelo OSI e o Modelo CEBus. (Fonte: FERNANDES, 2001) O CEBus transmite os comandos e os dados no canal de controle em forma de mensagens, compostas por pacotes de bytes. De acordo com Fernandez (2001), mensagens CEBus são pacotes que possuem um preâmbulo, campo de 8 bits que testa se o meio de transmissão encontra-se disponível, um byte de controle, um endereço de origem, um endereço de destino, uma mensagem CAL (Common Application Language) e um byte de checksum, conforme pode ser observado na Figura 4.14. A mensagem CAL foi desenvolvida para dar suporte à interação entre as mais diferentes aplicações, ela permite que os

44 dispositivos se comuniquem entre si e executem certas tarefas, usando regras comuns de sintaxe e de vocabulários (NUNES, 2002; SILVA, 2006). Um pacote típico CEBus inclui uma mensagem CAL 32 bytes e 9 bytes de controle e endereçamento (FERNANDES, 2001; NUNES, 2002). Figura 4.14: Formato do Pacote CEBus. (Fonte: FERNADES, 2001) Para acessar os meios físicos e evitar colisões de dados, o CEBus utiliza o protocolo CSMA/CDR (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detectionand Resolution), que permite que um dispositivo tenha acesso ao meio de comunicação a qualquer momento desde que ele esteja livre. Em caso de colisão, os dispositivos detectam a mesma e asseguram que um deles consiga realizar a comunicação com sucesso (NUNES, 2002; SILVA, 2006). Uma vantagem do CEBus é a possibilidade dos dispositivos realizarem a comunicação diretamente com qualquer outro dispositivo que esteja conectado, sem hierarquias. Desse modo é possível implantar um controle distribuído, em que um nó pode solicitar ações de qualquer outro nó, dispensando a existência de um controlador central. Outra vantagem é o fato de possuir uma topologia flexível, que permite que mensagens sejam enviadas através de meios de comunicação diferentes, conectados através de um dispositivo eletrônico chamado de encaminhador (FERNANDES, 2001; NUNES, 2002; SILVA, 2006). A Figura 4.15 ilustra uma rede CEBus com três meios de comunicação interligados por encaminhadores.

45 Figura 4.15: Rede Típica CEBus com Meios de Comunicação Diferentes. (Fonte: FERNANDES, 2001) Para as transmissões através das redes elétricas, os dispositivos CEBus utilizam a técnica de espalhamento espectral (spread spectrum), para colocar os dados na rede elétrica, objetivando de minimizar as interferências na comunicação (SILVA, 2006). 4.4.3. Protocolo Homeplug O HomePlug é um protocolo padronizado pelo consórcio industrial HomePlug Powerline Alliance formado em 2000 com tecnologia PowerPacket da empresa americana Intellon. Este consórcio é em grande parte composto por fornecedores de produtos e tem o objetivo de estabelecer uma padronização aberta para os equipamentos PLC de rede indoor. O Homeplug tornou-se referência para os fabricantes de equipamentos de transmissão de dados via rede elétrica em ambiente residencial. O primeiro padrão especificado pela HomePlug Powerline Alliance foi o padrão HomePlug 1.0 que realizava transmissões com uma velocidade de até 45 Mbps (ROCHA, 2009; PARENTE, 2011). Para conseguir as taxas de transmissão expostas, o padrão HomePlug 1.0 utiliza em sua camada física a técnica de multiplexação OFDM em uma banda de aproximadamente 4.49 a 20.7 MHz, conforme explica CAMPISTA:

46 O padrão HomePlug1.0 utiliza a faixa espectral de 4,49 a 20,7 MHz. O OFDM divide a banda de 0 a 25 MHz em 128 subportadoras igualmente espaçadas, das quais são utilizadas apenas 84. Outras 8subportadoras podem ser desabilitadas para evitar interferência com as frequências de rádios amadores, restando 76 subportadoras. A modulação OFDM é realizada a partir da transformada inversa rápida de Fourier (Inverse Fast Fourier Transform IFFT) e cada símbolo OFDM é composto por 256 amostras de sinal. Para evitar interferências inter-simbóicas, as ultimas 172 amostras das 256 obtidas durante o intervalo utilizado pela transformada inversa são usada como prefíxo cíclico. Essas 172 amostras são repetidas e anexadas ao final das 256 originais formando um símbolo OFDM de 428 amostras. Cada símbolo OFDM tem a duração de 8,4 microssegundos, sendo 5,12 microssegundos correspondentes ao símbolo OFDM propriamente dito e 3,18 microssegundos ao prefíxo cíclico. (CAMPISTA, 2005, p.14) A camada física também é responsável pela correção de erro e determinação dos parâmetros do canal, o que vai determinar quais subportadoras serão utilizadas e qual a técnica de modulação será usada (CAMPISTA, 2005). De acordo com Vasconcelos (2009), o padrão HomePlug 1.0 utiliza em sua camada de acesso o método múltiplo de acesso CSMA/MA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Juntamente com esta técnica, são definidos quatros níveis de acesso ao meio, seguindo uma prioridade que varia de acordo com o tráfego, sendo esta prioridade conhecida como CAP (Channel Access Priority). As prioridades são definidas em classes, onde cada uma é composta por dois dígitos binários, sendo as mesmas: CA0 (00), CA1 (01), CA2 (10) e CA3 (11). A classe CA3 é a de maior prioridade, a classe CA0 é a de menor e as classes CA1 e CA2 são as intermediárias. Antes de iniciar uma transmissão, cada estação precisa verificar se o meio físico está livre, caso o caminho esteja livre é iniciado o processo para determinar qual estação terá prioridade na transmissão (CAMPISTA, 2005; VASCONCELOS, 2009). O padrão HomePlug 1.0 utiliza dois tipos de quadros para realizar a comunicação. O primeiro é o quadro longo, conforme ilustra a Figura 4.16, utilizado para a transmissão de dados; o segundo é o quadro curto, como pode ser observado na Figura 4.17, utilizado para transmitir a resposta com o reconhecimento de envio de quadros.

47 O quadro longo possui três partes: o delimitador inicial, o corpo da mensagem, Payload, e o delimitador final. Ambos os delimitadores possuem as mesmas configurações, sendo composto por um preâmbulo e um campo chamado Frame Control. A função dos delimitadores é determinar a disponibilidade do meio, o preâmbulo tem a finalidade de indicar o início do delimitador e o campo frame control carrega diferentes informações, sendo composto por outros campos, dependendo de qual tipo de delimitador se faz presente. O quadro curto possui apenas um delimitador de respostas em seu formato (PARENTE, 2011; VASCONCELOS, 2009). Figura 4.16: Formato de Quadro Longo. (Fonte: VASCONCELOS, 2009) Figura 4.17: Formato de Quadro Curto. (Fonte: VASCONCELOS, 2009) Atualmente encontra-se no mercado a versão Home-plug 2.0 que pode chegar a uma velocidade até quatro vezes maior que a primeira versão do padrão podendo chegar a 200 Mbps (ROCHA, 2009; PARENTE, 2011).

48 NO BRASIL 5. VANTAGENS E DESVANTAGENS DA UTILIZAÇÃO DO PLC A tecnologia PLC, como qualquer outra maneira utilizada para a comunicação de dados, apresenta vantagens e desvantagens. Entre as vantagens destacam-se (PARENTE, 2011; ROCHA, 2009): a utilização de uma estrutura física existente, o que gera economia com gastos relativos a novos projetos e implementação de redes cabeadas; suporta diversos serviços digitais como: internet banda larga, telefonia VoIP e telemetria; facilidade na instalação e utilização; segurança dos dados transmitidos, obtidos por meio de encriptação dos dados; otimização da utilização dos condutores de energia elétrica, sendo utilizado para transportar além da eletricidade, os sinais de internet e telefonia. Entre as desvantagens destacam-se: falta de padronização e regulamentação; alto custo dos dispositivos; a existência de transformadores no SEP; as interferências e ruídos originados por dispositivos alimentados pela rede de energia elétrica; o sinal PLC pode interferir em sinais de rádios amadores e televiso; a largura da banda do sinal PLC é compartilhado, então a largura de banda disponível para cada usuário depende da quantidade de usuários conectados à rede.

49 No Brasil, a grande vantagem do PLC é a utilização da capilaridade das redes de energia elétrica, dessa forma essa tecnologia pode facilitar o acesso à informação e ajudar a resolver um dos maiores problemas do fornecimento de internet em banda larga que é conhecido como última milha. A maior desvantagem está relacionada à situação atual da infraestrutura das redes de energia elétrica que na maioria absoluta é aérea, sofrendo interferências do meio ambiente, sendo oposta aos padrões europeus e americanos que têm suas redes de energia elétrica em maior parte subterrânea, que não sofrem interferências do meio ambiente (ROCHA, 2009). Por não ter sido desenvolvida para a comunicação de dados, a rede elétrica oferece uma série de problemas que devem ser contornados para que haja uma transmissão satisfatória. Entre os problemas destacam-se (PARENTE, 2011; ROCHA, 2009): ruídos os cabos de transmissão de energia elétrica são expostos ao ambiente e isso favorece o aparecimento de ruído devido à incidência de raios solares e a probabilidade de ocorrência de descargas atmosféricas atingirem o solo próximo às redes de energia, criando um tipo de ruído em rajada danoso à comunicação. Outras fontes de ruídos são os picos de correntes ocorridos após o acionamento de algum dispositivo elétrico ligado à própria rede e às antenas de rádio amador que emitem sinais de rádio frequência que também ocasionam ruídos; atenuação é a diminuição da força do sinal que ocorre em função da impedância do meio onde o mesmo se propaga. Ela está diretamente relacionada com à distância percorrida e com a frequência do sinal, quanto maior for o caminho percorrido, maior vai ser a atenuação e se torna mais críticas em frequências mais elevadas. Uma forma de reduzir a atenuação é a instalação de repetidores para recompor o sinal e assim contornar o efeito indesejado; efeito antena ocorre devido à falta de blindagem adequada dos cabos de energia elétrica e que podem ocasionar o comportamento similar a uma antena. A circulação de corrente alternada por um condutor gera um campo magnético, também alternado ao seu redor, assim como os campos elétricos,

50 sendo que estes advêm apenas das existências das cargas elétricas. Estes campos podem ser prejudiciais aos aparelhos de rádio frequência que operam próximos às linhas de energia; existências de transformadores os transformadores são equipamentos existentes nos sistemas elétricos, responsáveis por abaixar ou aumentar os níveis de tensão em um determinado circuito. Estão presentes tanto na média quanto na baixa tensão. Tal equipamento é um empecilho para a comunicação de alta velocidade, pois ele atenua severamente os sinais de alta frequência, podendo ser considerado como um circuito aberto. Para realizar a comunicação entre a média e baixa tensão, contornado o problema dos transformadores existem três formas: a primeira é amplificar demasiadamente o sinal, de maneira que o transformador não seja capaz de bloqueá-lo; a segunda é utilizar um equipamento especial para contorná-lo e a terceira é excluir o uso do PLC nas redes de baixa tensão, podendo acoplar o sinal da rede de média tensão a um ponto de acesso WiFi, deixando que a última milha seja percorrida por uma conexão wireless.

51 6. IMPLEMENTAÇÃO COM PLC Este capítulo apresenta o estudo do projeto piloto realizado pela Companhia Paranaense de Energia (COPEL) entre o início de 2008 a março de 2010. A COPEL é uma das maiores empresas do Brasil na área de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica e está presente em mais de 98 % dos municípios do estado do Paraná; também é uma referência em sistemas de telecomunicações. A tecnologia PLC surgiu como uma possibilidade de integração entre as duas áreas de atuação da empresa, aproveitando o conhecimento dos dois segmentos da companhia. Como resultado deste estudo, a COPEL esperava obter uma avaliação do funcionamento da tecnologia e desenvolver o conhecimento de como instalar, operar e prestar manutenção nos dispositivos PLC. Com esses testes a COPEL pretendia descobrir os efeitos da comunicação de alta velocidade na estrutura da rede elétrica, no modelo das redes elétricas brasileiras, e mais especificamente nas redes da COPEL. O modelo escolhido para aplicação da tecnologia foi o modelo de acesso, provendo a comunicação de última milha. Este modelo se resume em um máster alimentado por fibra óptica, e que injeta o sinal em um barramento secundário da rede de distribuição. Para as transmissões de dados, foram utilizadas as técnicas de multiplexação OFDM e a técnica de modulação digital QAM. Também foram utilizadas técnicas de detecção e correção de erros, retransmissão de dados, codificação e principalmente criptografia para garantir a segurança. Um dos primeiros obstáculos encontrado pela COPEL na realização do projeto foi a escolha da cidade para os testes de campo, pois a mesma deveria atender os seguintes requisitos com: não poderia ser uma muito grande, nem muito pequena; estar na rota principal do anel do backbone óptico, passagem da rede de transporte e rede ethernet de comunicação;

52 ter equipes das subsidiárias de distribuição de energia da COPEL; ter equipes das subsidiárias de telecomunicações da COPEL. Por atender todos os requisitos e ser considerada uma cidade pioneira, foi escolhida a cidade de Santo Antônio da Platina, no interior do Paraná. A seguir, serão detalhados todos os processos realizados pela COPEL neste estudo pioneiro. Serão abordados assuntos desde o processo de licitação dos dispositivos PLC até o resultado final como as entrevistas dos usuários dos serviços prestados. 6.1. Equipamentos PLC utilizados Para a aquisição dos dispositivos PLC, a COPEL instaurou no final do ano de 2007 um processo licitatório vencido pela empresa BPLG Brasil Desenvolvimento de Projetos PLC Ltda (BPLG). Os dispositivos fornecidos pela empresa foram da marca ILEVO de fabricação da empresa Schneider. A BPLG além de fornecer os equipamentos, também foi responsável pela instalação e suporte durante o processo de implantação. Os equipamentos fornecidos pela empresa foram: modem 240 unidades do modelo ILV 211, baseia-se no conversor PLC/ETH (ethernet), com uma porta VoIP e uma ethernet; e 60 unidades do modelo ILV 260, que é mais avançado, utiliza o conversor PLC/ETH, possui um roteador comum e outro wireless e um discador PPPoE interno e 4 portas ETH e uma porta VoIP; equipamentos de rede 30 unidades de repetidores de domínio de tempo (TDR), que separam os usuários por frações de tempo e 15 unidades de máster (Head-End); elementos passivos 40 unidades de acopladores capacitivos CC3, 54 unidades de distribuidores de sinal SDB2, 600 unidades de filtros, 540

53 unidades de ferrites que são utilizados para acoplamentos indutivos e como filtros e miscelâneas; sistema de gerência foi adquirido o sistema IMS (Ilevo Management System). Com ele foi possível monitorar o funcionamento de todo sistema PLC. No início da implantação do projeto em 2008, ainda na fase de testes em laboratório, foi constatada a necessidade de um computador para ser utilizado como um servidor do sistema PLC, no qual seria instalado um software de gerenciamento de todo o sistema. Devido o computador não estar inicialmente no processo licitatório ganho pela empresa BPLG, foi utilizado provisoriamente um computador funcionando como servidor até que a empresa providenciasse outro com todos os requisitos necessários. Antes de iniciar os testes na cidade de Santo Antônio da Platina, a COPEL realizou diversos testes com a tecnologia PLC. A seguir serão apresentados os mais significativos. 6.2. Testes com a tecnologia PLC Em outubro de 2008, a COPEL iniciou os testes em laboratório para a verificação do sistema. Eles foram realizados em um circuito elétrico no Bloco A do Polo KM3. O objetivo desse teste era obter o sinal PLC do laboratório e verificar o funcionamento dos equipamentos: máster, repetidor e modem. Para a realização dos testes foi instalado um máster junto ao quadro principal de distribuição do bloco A. A ligação do dispositivo foi feita por meio do acoplamento capacitivo nas três fases após o disjuntor que protege o andar térreo do bloco. Com a instalação do máster foi possível obter o sinal em algumas tomadas na parte dos fundos do bloco A, entretanto foi diagnosticado a falta de sinal no laboratório. Para superar este obstáculo houve a necessidade de instalar um repetidor no quadro de distribuição, localizado nos fundos do bloco A, próximo ao laboratório. Após vários testes, verificou-se um sinal muito fraco no laboratório principal, no entanto havia um sinal de boa qualidade no laboratório de RF (radiofrequência), o qual passou

54 a ser utilizado pela equipe de pesquisa. Outro fato constatado pela equipe foi que as tomadas de 220 V apresentavam melhor sinal que as de 127 V. Após os testes de laboratório finalizado em dezembro 2008, iniciaram-se os testes de campo para verificar o comportamento dos dispositivos e as possíveis adversidades de um caso prático. Com ele seria possível verificar tanto questões de densidade da rede e do volume dos consumidores no circuito em relação aos níveis de ruídos na rede, quanto as questões práticas de trabalho em campo com contraste de circulação de pessoas e veículos nas ruas ao entorno dos postes onde foram instalados os equipamentos. Foram escolhidas as agências Centro e Santa Felicidade para a realização dos testes. Foram realizados testes em todos os modos de frequência, com o analisador de espectro, com interferências das lâmpadas fluorescentes e dos computadores instalados na agência. Também foram realizados testes antes e depois do medidor de energia, com e sem a presença do supressor de surtos (DPS), conforme ilustra a figura abaixo. Figura 6.1: Testes com o Medidor e o DPS. (Fonte: COPEL, 2010) Uma das maiores dificuldades para realização dos testes na Agência Centro foi a falta de projeto elétrico no local. Devido à proximidade de iniciar as instalações dos

55 dispositivos PLC na cidade de Santo Antônio da Platina, decidiu-se por encerrar os testes na Agência Centro e não iniciar os testes na Agência de Santa Felicidade. Nas próximas seções apresentam-se mais alguns testes considerados relevantes, realizados pela COPEL. 6.3. Testes de ruídos Os testes de ruídos realizados em laboratórios tinham o objetivo de verificar a interoperabilidade dos equipamentos PLC, o efeito dos ruídos na velocidade de conexão à internet (download/upload) e o funcionamento dos filtros adquiridos. Eles foram realizados com equipamentos comuns e disponíveis, que representavam a possibilidade de interferências de ruídos no sinal PLC. Os dispositivos utilizados foram: 1 carregador de celular (fonte chaveada), 2 lâmpadas fluorescentes de 40 W (watts), 1 lâmpada incandescente de 100 W, 1 transformador 127/127, 1 ventilador pequeno desbalanceado e ferro de solda de 60 W. Para a realização dos testes, foi instalado no laboratório uma régua de tomadas com 6 conexões, isolada do restante da rede elétrica através de filtros. Nelas foram conectados os dispositivos PLC e os dispositivos geradores de ruídos através de combinações básicas. Também foram repetidas as situações de combinações utilizando-se filtros nos geradores de ruídos. A COPEL testou duas situações de conexão dos equipamentos PLC, uma com um máster e um modem se comunicando e outra com um máster, um repetidor e um modem se comunicando. Ambas as situações foram testadas com e sem a utilização de filtros. Os resultados obtidos com os testes são apresentados na tabela 1 onde pode-se observar o impacto provocado por cada dispositivo e a minimização destes impactos promovida pelos filtros, confirmando a sua eficácia e a sua necessidade em caso de uso desses equipamentos próximos aos modems PLC. Com o resultado dos testes foi constatado que o dispositivo que gerou maior perda de velocidade foi o carregador de celular que é uma fonte chaveada, e o que gerou menor perda da velocidade foi o ferro de solda que é uma resistência elétrica.

56 Tabela 1: Teste de Ruídos (Fonte: COPEL, 2010) 6.4. Testes de voz sobre o PLC Os testes de voz sobre o PLC, foram feitos com os dois modelos de modems, ILV211 e ILV260, adquiridos pela COPEL. Foram utilizados um telefone VoIP conectado à uma porta de rede (RJ45) dos modems PLC, mostrando que a tecnologia funciona sem restrições específicas, da mesma forma que um telefone VoIP conectado a qualquer entrada de rede disponível para tal finalidade, desde que esta esteja dentro dos padrões exigidos. Também foram feitos testes com os telefones comuns conectados à porta RJ11 dos modems PLC. Os resultados mostraram que a realização de chamadas e a conversação não apresentaram problemas, entretanto durante o período que o telefone conectado ao modem tocava, em algumas vezes o modem resetava, desligava e ligava novamente. A partir desta constatação iniciou-se uma série de testes com modelos de telefones diferentes com o objetivo de identificar os problemas.

57 Depois dos testes feitos, observou-se que o referido problema não acontecia com os telefones que possuíam alimentação elétrica independente da linha telefônica, como os modelos sem fio e os modelos KSs. Com a utilização de um osciloscópio foi possível fazer uma análise comparativa dos aparelhos telefônicos testados. Os pulsos visualizados no equipamento durante o período de toque dos telefones testados mostravam que a corrente elétrica consumida na linha telefônica pelos aparelhos alimentados eletricamente era cerca de dez vezes maior que a corrente elétrica consumida pelos que possuíam alimentação independente. Então pode-se concluir que a corrente elétrica consumida pelos telefones que não possuíam alimentação independente durante o período de toque não era suportada pelos modems, fazendo com que eles resetassem. Esse fato foi questionado aos fabricantes através da empresa BPLG, que relatou que na Europa, onde o mesmo equipamento era utilizado, não foi identificado nenhum problema similar. Dessa forma a equipe da COPEL chegou à conclusão que o consumo de corrente elétrica durante o período de toque dos telefones, nos padrões telefônicos do Brasil, poderia ser maiores do que os de outros países onde os mesmos modems funcionam. Em um consenso da equipe, ficou definido que não se tratava de um problema com a tecnologia PLC e sim de parâmetros de fabricação do modem, no caso desses modelos fornecidos pelos fabricantes. Para confirmar suas afirmações, a equipe da COPEL realizou os mesmos testes com um modem de um fabricante diferente, DefiDev, que não apresentaram os mesmos problemas. 6.5. Implantação em Santo Antônio da Platina O projeto inicial previa a instalação de 15 equipamentos máster em 15 circuitos de baixa tensão em pontos distintos da cidade, entretanto optou-se por instalar 10 equipamentos em 10 circuitos, mantendo 5 equipamentos para reposição numa possível falha de funcionamento. Para a escolha dos 10 circuitos, utilizaram-se os critérios de diversidade de densidades de consumidores, de tipos de consumidores e de topologia, além disso, os circuitos escolhidos tinham que possuir algum tipo de entidade de representação social em beneficio da

58 população. É importante ressaltar que foi necessária uma quantidade maior de repetidores do que estava inicialmente previsto. O objetivo inicial era fornecer internet em banda extra-larga de até 100 Mbps por cliente. Entretanto, após a aquisição e análise dos equipamentos, verificou-se que a tecnologia PLC é uma tecnologia banda larga, concorrente com as tecnologias cable modem e xdsl. Dentro dos 10 circuitos selecionados existia um total de 474 consumidores, de acordo com dados cadastrais. Em março de 2009 a COPEL realizou o cadastramento dos clientes interessados em participar dos testes com o PLC. Foi enviada uma correspondência para todos os consumidores residentes nos circuitos selecionados para o estudo informando sobre o cadastramento. Existia um total de 474 consumidores residentes nos 10 circuitos selecionados, destes 122 se cadastraram como voluntários. Após os cadastramentos dos voluntários, as equipes de rede e medição da COPEL realizaram um trabalho para garantir um melhor funcionamento do sistema PLC, e consequentemente melhorar o fornecimento de energia elétrica. Este trabalho consistiu nos testes de medições realizadas em todos os medidores e reapertamento das conexões, além da verificação da rede interna dos clientes procurando por possíveis fugas de corrente através de isoladores quebrados ou danificados e em locais onde a corrente é dissipada em forma de calor. A seguir serão apresentados os principais testes realizados pela COPEL na cidade de Santo Antônio da Platina. 6.5.1. Testes de medições Os testes de medição tinham como objetivo a medição da velocidade física e a velocidade de dados da internet e verificar onde se encontravam os problemas de interferências, na rede interna dos voluntários ou na rede externa. A velocidade física é a velocidade que o equipamento se conecta na interface PLC e a velocidade de dados é a velocidade que os dados trafegam pela internet. Para a realização desses testes foram escolhidos dois circuitos: o da Estação do Ofício que é um dos mais afastados do centro da cidade e o do Sindicato do Comércio, SESC/SENAC, que foi escolhido por ser misto, possuindo tanto consumidores residênciais

59 quanto comerciais, e por não ter muito movimento de carros e pessoas na região, diminuindo os riscos para as pessoas que circulam pelo local e para os funcionários que fariam as medições. Para o circuito da Estação do Ofício, os valores de velocidade física foram limitados em 160 Mbps, pois esse circuito estava trabalhando com uma banda de 20 MHz e não com a banda total que era de 30 MHz. As medições foram realizadas antes e depois dos disjuntores de entrada dos consumidores cadastrados. Devido a existências de consumidores mono, bi e trifásico, houve a necessidade de realizar as medições nas três fases do circuito, isto porque não teria como saber qual fase seria utilizada pelo sinal PLC, e também, para saber se existiria muita diferença de sinal entre as fases. Após a realização das medições e a análises dos dados obtidos, a equipe constatou que na comunicação dos equipamentos na parte física, o sinal PLC propriamente dito, estava em um nível aceitável, mas não foi possível estabelecer uma proporção entre a velocidade física e a velocidade de dados. Foi constatado também que há pouca diferença de velocidade entre as fases, tanto no físico quanto na camada de dados. O Gráfico 1 ilustra a distribuição das medidas de velocidade: Gráfico 1: Distribuição de Medidas Velocidades de Dados. (Fonte: COPEL, 2010)

60 Analisando o Gráfico 1, percebe-se que a maioria das medidas estão situadas em uma faixa de velocidades boa, entretanto foram verificadas oscilações durante o dia. Essas oscilações ocorreram provavelmente pela variação da carga elétrica e automaticamente a do ruído emitido pela rede elétrica. Por falta de um equipamento adequado não foi possível definir quanto da variação do ruído é por causa da carga e quanto é por causa dos espúrios captados pelos cabos da rede elétrica; também não foi possível determinar o local de origem dos ruídos encontrados na rede. Com análise das diferenças antes do disjuntor e depois do medidor não foi possível chegar a uma conclusão sobre a interferência do conjunto disjuntor/medidor. Outra medição realizada foi a de relação sinal/ruído, que mostra quanto de interferência há no circuito. Essa curva é medida pelo próprio equipamento, visto que ele faz essa análise para decidir quais são as melhores portadoras a serem usadas. As Figuras 6.2 e 6.3 ilustram a diferença entre uma relação sinal/ruído de um sinal excelente e um ruim. Onde a curva vermelha representa a quantidade de bits por portadora e velocidade. A curva verde é a relação sinal/ruído e a qualidade do sinal. Já curva azul representa a resposta em frequência e o nível do sinal mais o ruído no ponto. A linha amarela é a máscara de potência que varia somente quando há supressão de uma determinada faixa de frequência. Figura 6.2: Relação Sinal/Ruído Sinal Excelente. (Fonte: COPEL, 2010)

61 Figura 6.3: Relação Sinal/Ruído Sinal Ruim. (Fonte: COPEL, 2010) O conhecimento dessas curvas é importante para analisar qual é a melhor banda de frequência a ser utilizada pelo equipamento e adequá-la a cada circuito com o intuito de melhorar o sinal para todos os voluntários conectados ao máster. O objetivo principal do outro circuito escolhido, localizado no centro da cidade, era verificar o comportamento do sinal PLC em um local com uma carga elétrica mais concentrada e com maior variação, por causa do maior número de consumidores comerciais. Os valores de velocidade física foram limitados em 80 Mbps, em uma banda de 10 MHz devido as interferências. Assim como circuito anterior não houve muita diferença do nível de sinal entre as fases, pode-se analisar no Gráfico 2 as distribuições das medidas de velocidades deste circuito.

62 Gráfico 2: Distribuição de Medidas Velocidades de Dados. (Fonte: COPEL, 2010) Assim como no circuito anterior, a equipe constatou que a velocidade de conexão estava em um patamar aceitável, levando em conta a limitação da banda. Nesse circuito houve uma diferença maior entre os valores medidos antes e depois do conjunto disjuntor/medidor, onde a medição após o medidor estava com valor maior. A equipe chegou à conclusão que esta discrepância de valores era devido a segunda medição ter sido feita 20 minutos após a primeira e que possivelmente isso ocorreu devido a algum equipamento que estava em funcionamento na primeira medição e estava desligado na segunda medida. Com o fim das medições, chegou-se à conclusão que a maior parte dos ruídos e perda do sinal estão na rede elétrica interna dos clientes, entretanto a rede externa necessita também de melhoras. É importante lembrar que cada circuito tem um comportamento diferente e precisa de um estudo separado. Entretanto o objetivo deste trabalho é mostrar que a tecnologia PLC pode ser uma alternativa viável para o acesso a internet banda larga.

63 6.5.2. Outros testes A COPEL também realizou outros testes de campo com a tecnologia PLC. Entre eles estão com a iluminação pública e com as interferências em radioamadores. Os realizados com a iluminação pública tinham como objetivo verificar se a mesma interferia no sinal PLC. Com o resultado dos testes concluiu-se que a iluminação pública não apresentou grandes alterações nas velocidades, provando que ela não apresenta interferência significativa no sinal PLC. As associações de radioamadoras são uma das principais opositoras à implantação PLC no cenário mundial, diante disto, a equipe da COPEL decidiu realizar um teste com uma radioamadora buscando verificar se há realmente interferência entre os dois sistemas e em caso positivo se há alguma forma de acabar ou, pelo menos, diminuí-la, conforme especificações da própria legislação. Como primeiro teste, a equipe verificou se realmente o sinal PLC interferia no sinal da radioamadora. Confirmou-se que o sinal PLC interfere no das radioamadoras. Isto foi verificado, pois as faixas de frequências do sinal PCL são as mesmas utilizadas pelos radioamadores, quando o equipamento PLC era ligado ouvia um ruído muito alto e quando desligava o equipamento o ruído cessava. Após a confirmação da interferência, a equipe iniciou o teste com a exclusão das frequências utilizadas pelos radioamadores, e eles checaram que o PLC funcionou um pouco mais lento, mas não provocou interferência. Com a exclusão da frequência a ser transmitida pelos equipamentos, evitou-se que o sinal PLC irradiasse na faixa de frequência destinada às radioamadoras. A exclusão das faixas de frequências é configurada nos equipamentos através da gerência, podendo ser configuradas 8 faixas pela gerência e 40 faixas diretamente no dispositivo PLC, entretanto os equipamentos já vêm configurados com as faixas destinadas às radioamadoras. Com a exclusão de algumas faixas de frequência houve uma perda de velocidade, mas é uma perda aceitável levando-se em consideração o grande esforço por parte das radioamadoras para que não seja expandido o uso do PLC. A perda da velocidade varia de caso a caso, já que ela depende do ruído e da faixa de frequência utilizada.

64 No segundo teste, verificou-se o quanto o radioamador causava interferência no PLC. Esse teste consistia em transmitir pelo radioamador na faixa de frequência que há interferência e ver se há um aumento significativo do ruído e consequentemente queda de velocidade. Após várias tentativas, chegou-se à conclusão de que não houve alterações perceptíveis no sinal PLC e nem em sua velocidade, entretanto eles não puderam concluir se havia interferência significativa do radioamador no PLC devido o circuito testado apresentar muito ruído. 6.6. Problemas encontrados Durante a implantação na cidade de Santo Antônio da Platina a equipe da COPEL encontrou algumas dificuldades para a realização dos testes. Um dos primeiros problemas encontrados foi a falta de filtro adequado para o padrão brasileiro de tomadas, já que os filtros fornecidos seguiam o padrão japonês. Outro problema em relação aos filtros foi a falta de filtro adequados para os quadros de distribuição, estes filtros tecnicamente atendiam às necessidades, filtrando os ruídos com boa performance e consequentemente melhorando a relação sinal/ruído. O problema é que os mesmos não tinham a capacidade suficiente de corrente para atender as demandas das instalações existentes. Durante a instalação dos sistemas PLC observou-se que havia interferência entre dois circuitos adjacentes com o sinal PLC. Para a solução do problema foram instalados filtros nos equipamentos que impediam os aparelhos de emitirem e receberem sinal em uma determinada frequência e assim separando os sistemas PLC por faixas de frequências. O dimensionamento dos equipamentos repetidores causou certas dificuldades para a equipe, já que o sinal PLC varia entre uma medição e outra, o que influenciava na determinação da melhor posição para instalação dos equipamentos repetidores. Além disso, outro fato importante para o dimensionamento dos repetidores é em relação aos modems, pois à medida que o número deles aumenta, o nível do sinal PLC diminui e que isto se deve ao controle automático de ganho, que ajusta a potência do sinal para evitar a saturação do sistema. Talvez a maior dificuldade para a instalação dos circuitos PLC tenha sido a falta de padronização das instalações elétricas internas dos clientes, pois verificou-se que elas não

65 seguiam nenhuma norma técnica, com raríssimas exceções. Este problema foi encontrado desde residências mais humildes até as mais sofisticadas, pois as mesmas foram feitas, em sua grande maioria, de forma precária, desorganizada e subdimensionada. 6.7. Pesquisas com os voluntários No final de 2009 foi feita uma pesquisa com os voluntários para a verificação do funcionamento do serviço e da percepção dos usuários quanto a alguns aspectos da tecnologia. Todos voluntários foram visitados para que respondessem as perguntas, com exceção dos que estavam viajando e/ou ausente. A pesquisa foi dividida em cinco tópicos: pergunta referencial, utilização, qualidade, atendimento e percepções de futuro. A pergunta referencial buscou avaliar as referências dos voluntários em relação à internet. Para a obtenção da informação entrevistou-se os voluntários questionando se eles já possuíam algum serviço de internet contratado. Aproveitando a pergunta, foi levantado também informações sobre qual era a operadora contratada, velocidade de acesso, preço e a frequência de uso. Essa primeira etapa da pesquisa mostrou que 77% dos voluntários já possuíam outro serviço de internet contratado, como pode ser observado no Gráfico 3. Também averigou-se que a grande maioria dos voluntários que tinha os serviços de internet utilizavam a operadora OI como provedora de acesso e usavam a internet diariamente.

66 Gráfico 3: Relação de Usuários que já Possuíam Internet. (Fonte: COPEL, 2010) A entrevista referente à utilização da internet via PLC mostrou que 95% dos voluntários estavam utilizando a internet via PLC, como ilustra o Gráfico 4. Os que não estavam utilizando a internet relataram algum tipo de dificuldade como baixa velocidade, sinal instável e dificuldade de operar. A baixa velocidade pode ser explicada devido à distância de algumas residências em relação aos equipamentos máster se as residências conectadas por ramais subterrâneos de longos trechos, com possibilidades de infiltrações. O problema em relação a sinal instável estava relacionado aos problemas nas instalações internas dos clientes e as dificuldades de operação eram devido a falta de familiarização dos voluntários com a internet e problemas em usar o discador, exclusão do mesmo, perda da senha, etc.

67 Gráfico 4: Utilização da Internet Via PLC. (Fonte: COPEL, 2010) A pesquisa também revelou o interesse dos voluntários em continuar utilizando a internet via PLC, assim como a frequência de utilização, onde 78% deles afirmaram usar diariamente a internet e 16% três vezes por semana. Para a avaliação da qualidade da internet via PLC foram feitas algumas perguntas para obter a percepção dos voluntários. O resultado obtido com a pesquisa em relação à percepção dos voluntários sobre a velocidade da internet superou as expectativas da equipe, assim como a dos voluntários. Observando o Gráfico 5, nota-se que 90% dos entrevistados avaliaram a velocidade como muito boa e boa.

68 Gráfico 5: Avaliação da Internet Via PLC. (Fonte: COPEL, 2010) Ainda em relação às perguntas relativas à qualidade da internet fornecida, observouse que a grande maioria dos entrevistados não teve problemas com o acesso à internet via PLC e os problemas encontrados por algumas pessoas eram de fácil solução. Também foram feitas perguntas referentes à variação de velocidade conforme as condições do tempo e conforme a hora do dia, onde a maioria não percebeu nenhuma variação da velocidade, entretanto alguns relataram uma variação em dias de chuvas, em dias com sol e no período da tarde. Quanto ao atendimento, buscou-se verificar a avaliação dos voluntários em relação ao suporte prestado pela equipe. A pesquisa revelou que a grande maioria estava satisfeita com o atendimento realizado e em um comparativo com as outras operadoras mostrou que eles consideraram o atendimento realizado pela equipe da COPEL muito melhor ou melhor que o das outras operadoras. Encerrando as pesquisas, a COPEL tinha o interesse em saber as perspectiva dos voluntários em relação a uma possível utilização comercial da internet via PLC por parte da COPEL e se eles continuariam utilizando os serviços desta forma. O Gráfico 6 ilustra o resultado.

69 Gráfico 6: Interesse dos Voluntários em Permanecer Utilizando a Internet Via PLC Mesmo que Comercialmente. (Fonte: COPEL, 2010) A pesquisa também mostrou que quase todos os voluntários fariam alguma mudança em sua rede elétrica para poder receber um sinal PLC melhor no interior de suas residências em caso de um possível fornecimento de internet via PLC comercialmente.