ESCOLA SUPERIOR ABERTA DO BRASIL – ESAB

Pós Graduação em Redes de Computadores

ANDRÉ LUIZ ROCHA

A TECNOLOGIA POWER LINE COMMUNICATION – TRANSMISSÃO

DE DADOS VIA REDE ELÉTRICA

VILA VELHA – ES

2009

ANDRÉ LUIZ ROCHA

A TECNOLOGIA POWER LINE COMMUNICATION – TRANSMISSÃO

DE DADOS VIA REDE ELÉTRICA

Trabalho de Conclusão de Curso de Pós- Graduação Lato Sensu em Redes de Computadores da Escola Superior Aberta do Brasil - ESAB, sob orientação da Profª. Beatriz Christo Gobbi.

VILA VELHA – ES

2009

ANDRÉ LUIZ ROCHA

A TECNOLOGIA POWER LINE COMMUNICATION – TRANSMISSÃO

DE DADOS VIA REDE ELÉTRICA

Aprovada em ........ de .................. de 2009

______________________________

______________________________

______________________________

VILA VELHA – ES

2009

Dedico esse trabalho a todos que me

apoiaram e acreditaram no esforço e

dedicação, em especial à minha família.

À minha querida esposa THAISA, pela

persistência e pelo apoio incondicional

sempre fazendo o impossível para

possibilitar a continuação de meus

estudos.

Ao meu filho MATEUS que está por vir e

que sempre será minha fonte de

inspiração.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente ao Grande

Arquiteto do Universo por está

oportunidade de aprendizagem.

À ilustre orientadora, Profª. Beatriz

Christo Gobbi, pela paciência e pelo

ensinamento.

A toda comunidade de software livre

pelo país pelo constante apoio e

dedicação.

“O que fizemos apenas por nós

mesmos morre conosco; o que

fizemos pelos outros e pelo mundo

permanece e é imortal.”

(Albert Pike)

RESUMO

Este trabalho de conclusão de curso se baseou em uma linha de pesquisa sobre as aplicações das novas tecnologias na solução de problemas visando analisar a tecnologia PLC a fim de conhecer sua funcionalidade, características e empregabilidade. A tecnologia PLC apresenta-se como mais um meio de acesso à transmissão de sinais de dados, voz e imagem que, juntos, poderão ser transmitidos e recebidos em alta velocidade e com larga faixa de segurança e confiabilidade. Esta convergência de serviços é um dos grandes trunfos da tecnologia PLC, que acompanhando a tendência mercadológica oferece uma larga gama de serviços ao cliente em um único meio de transmissão de dados. O estudo sobre a tecnologia PLC baseado na transmissão de dados via rede de energia elétrica teve como foco identificar as vantagens e desvantagens e identificar as oportunidades e ameaças de implementação da tecnologia no Brasil e em países onde já se realizam estudos de viabilidade. No contexto deste estudo será explicado o funcionamento outdoor e indoor da tecnologia PLC, desde a transmissão das linhas elétricas, os detalhes técnicos da tecnologia PLC e das redes de energia elétrica, suas principais aplicações e desafios, regulamentação, além do estudo de alguns projetos e estudos científicos sobre a tecnologia PLC, para que após regulamentada e homologada pela ANATEL

e ANEEL, a tecnologia PLC possa ser comercialmente explorada no Brasil. Palavras-chave: transmissão de dados; rede de energia elétrica; PLC; inclusão digital; acesso; interferências.

LISTA DE FIGURAS

Figura 01 - Visão geral do sistema PLC. ..................................................................20

Figura 02 - Tecnologia Power Line Carrier. ..............................................................21

Figura 03 - Estrutura de transmissão da rede de energia elétrica. ...........................26

Figura 04 - Poste típico de rede de distribuição de linha baixa tensão.....................29

Figura 05 - Esquema geral da tecnologia PLC desde a subestação até as unidades

consumidoras. ..........................................................................................................32

Figura 06 - Equipamento Master PLC do fabricante Ascom.....................................33

Figura 07 - Repetidores PLC ...................................................................................34

Figura 08 - Modelos de Modem PLC. .......................................................................35

Figura 09 - Modelos de unidades de acoplamento...................................................36

Figura 10 - Esquema de um sistema PLC outdoor e indoor .....................................37

Figura 11 - Modelos de adaptadores homeplugs. ....................................................39

Figura 12 - Esquema de uma rede local PLC com adaptadores homeplugs............41

Figura 13 - Esquema padrão de ligação de um usuário à internet. ..........................42

Figura 14 - Acessórios PLC da marca Mitsubishi / Hypertrade ................................44

Figura 15 - Faixa de freqüência da tecnologia PLC..................................................46

Figura 16 - Relação sinal/ruído na modulação OFDM..............................................48

Figura 17 - Espectro de freqüência Spread Spectrum, OFDM e GMSK...................49

Figura 18 - Possível topologia de uma rede de energia elétrica de baixa tensão.....51

Figura 19 - Aplicações em diversos setores .............................................................53

Figura 20 - Esquema de uma interferência na rede elétrica com tecnologia PLC. ...59

Figura 21 - Sistema trifásico com acopladores entre as fases. ................................60

Figura 22 - Tecnologias concorrentes e convergentes à tecnologia PLC.................62

Figura 23 - Esquema do projeto “Ilha Digital” de Barreirinhas-MA. ..........................71

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Países com testes PLC e concessionárias exploradoras ........................63

LISTA DE ABREVIATURAS

PLC Power Line Communication

APTEL Associação de Empresas Proprietárias de Infra-Estrutura e Sistemas

Privados de Telecomunicações

OPLAT Ondas Portadoras em Linhas de Alta Tensão

RPC Ripple Control

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

DPL Digital Powerline

UTC United Telecom Council

PLTF Power Line Telecommunications Forum

FCC Federal Communications Commission

BLP Broadband over Power Lines

MAC Media Access Control

LLC Logical Link Control

USB Universal Serial Bus

HDLC High-level Data Link Control

PPP Point to Point Protocol

SDH Synchronous Digital Hierarchy

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol

DNS Domain Name System

NAT Network Address Translation

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

CDMA Core Division Multiplex Access

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying

ASK Amplitude Shift Keying

FSK Frequency Shift Keying

GSM Global System for Mobile Communications

DES Data Encryption Standard

FEC Forward Error Correction

CENELEC Comité Européen de Normalisation Electrotechnique

ANATEL Agência Nacional de Telecomunicações

DSL Digital Subscriber Line

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

SDSL Symmetric ou Single-line-high-bit-rate Digital Subscriber Line

IrDA Infrared Data Association

RONJA Reasonable Optical Near Joint Access

Wi-Fi Wireless Fidelity

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

CEEE Companhia Estadual de Energia Elétrica

CETA Centro de Excelência em Tecnologias Avançadas

Procempa Companhia de Processamento de Dados do Município de Porto Alegre

UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Celg Companhia Energética de Goiás

Cemar Companhia Energética do Maranhão

Aneel Agência Nacional de Energia Elétrica

SEBRAE Serviço Brasileiro de Apoio às Micro e Pequenas Empresas

GESAC Governo Eletrônico Serviço de Atendimento ao Cidadão

Eletrobrás Centrais Elétricas Brasileiras

Eletronorte Centrais Elétricas do Norte do Brasil

OPERA Open PLC European Research Alliance

COPEL Companhia Paranaense de Energia

IP Internet Protocol

CBC7 Comissão Brasileira de Telecomunicações 7

PSK Phase Shift Keying

AM Amplitude Modulada

Mbps Mega Bits por Segundo

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

TCC Turbo Convolutional Code

TDMA Time Division Multiple Access

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

http Hypertext Transfer Protocol

Hz Hertz

IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística

IPv6 Internet Protocol version six

NGN Next Generation Networks

QoS Quality of Service

TCP Transmition Control Protocol

V Volts

WLAN Wireless Local Area Network

DAB Digital Audio Broadcasting

PSK Phase Shift Keying

DBPSK Differential Binary Phase Shift Keying

DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying

ROBO ROBust OFDM

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

CPE Customer Premise Equipament

ARPA Advanced Research Projects Agency

IBOPE Instituto Brasileiro de Opinião Pública e Estatística

ISO International Organization for Standardization

OSI Open Systems Interconnection

NIC Núcleo de Informação e Coordenação

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO 16

1.1 O QUE É POWER LINE COMMUNICATIONS (PLC)? 18

1.2 FUNCIONAMENTO DA TECNOLOGIA PLC 19

1.3 HISTÓRICO 21

2 A REDE DE ENERGIA ELÉTRICA 25

2.1 NÍVEL DE ALTA TENSÃO 26

2.2 NÍVEL DE MÉDIA TENSÃO 26

2.3 NÍVEL DE BAIXA TENSÃO 27

3 A TECNOLOGIA POWER LINE COMMUNICATION 30

3.1 SISTEMA OUTDOOR 32

3.2 SISTEMA INDOOR 35

3.3 O PADRÃO HOMEPLUG 37

3.4 ACESSÓRIOS PLC 43

4 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DA TECNOLOGIA PLC 45

4.1 FAIXAS DE FREQÜÊNCIA 45

4.2 TIPOS DE MODULAÇÃO 46

4.2.1 Técnica de Modulação de DSSS 46

4.2.2 Técnica de Modulação OFDM 47

4.2.3 Técnica de Modulação GMSK 48

4.3 TOPOLOGIA DA TECNOLOGIA PLC 50

4.4 SEGURANÇA NA TRANSMISSÃO 51

4.5 APLICAÇÕES DA TECNOLOGIA PLC 52

5 DESAFIOS DA TECNOLOGIA PLC 54

5.1 A RELAÇÃO SINAL-RUÍDO 55

5.2 INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS 56

5.3 ATENUAÇÃO 57

5.4 IMPEDÂNCIA DA REDE 58

5.5 INSTALAÇÕES TRIFÁSICAS 59

5.6 SEGMENTAÇÃO DE ALIMENTADORES 60

5.7 SEGURANÇA NO TRABALHO 60

5.8 TECNOLOGIAS CONCORRENTES E CONVERGENTES 61

6 ESTUDOS DE CASOS 63

6.1 REGULAMENTAÇÃO 64

6.2 PROJETOS DE ESTUDO 65

6.2.1 Projeto Piloto da CEMIGA 66

6.2.2 Projeto da Copel Telecomunicações S/A 67

6.2.3 Projeto da Eletropaulo Metropolitana 68

6.2.4 Projeto Restinga 68

6.2.5 Projeto “Ilha Digital” Barreirinhas 69

6.3 ESTUDOS CIENTÍFICOS 71

7 CONCLUSÃO 74

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 76

16

INTRODUÇÃO

Nas últimas décadas, com a revolução tecno-científica, os sistemas de

telecomunicações vêm sofrendo um crescente desenvolvimento com uma demanda

cada vez mais tecnológica e acessível onde se cruzam três fatores essenciais a este

progresso: ligações de alta velocidade x abrangência geográfica x capital de

investimento.

Do século XIX ao século XXI as telecomunicações vêm revolucionando a vida das

pessoas, colocando-as cada vez mais perto uma das outras. Se no princípio foi de

forma tímida, agora as mudanças são profundas e rápidas impulsionando a

economia do Planeta e influenciando no modo de vida das pessoas.

No início da história do homem na terra, os povos primitivos se comunicavam à

distância através de sinais de fumaça. Muitos séculos se passaram até 1844,

quando Samuel Morse inventou o telégrafo, passando por 1876, quando Graham

Bell inventou o telefone e 1895, quando Marconi construiu o primeiro transmissor de

rádio. Mais tarde, na década de 50, com o advento da Guerra Fria e a “luta

tecnológica” entre o surgimento dos primeiros sistemas computadorizados e

lançamentos de satélites, deu-se inicio às redes de computadores através do projeto

ARPA (Advanced Research Projects Agency) que foi desenvolvido por militares e

pesquisadores norte americanos sob a supervisão do então presidente Eisenhower.

Com o progresso tecnológico ocorrido no conceito de redes de computadores, uma

“descoberta” tornou a vida de todos mais fácil: a Internet. Hoje, podemos ter

comunicação com qualquer pessoa em qualquer parte do mundo em segundos,

transmitindo dados, voz e imagens através de um mundo virtualizado bastando

apenas um computador e uma rede de acesso. Do sinal de fumaça à internet,

podemos ver uma grande evolução no ato de se comunicar. Com certeza, esse

desenvolvimento trouxe muitos benefícios à sociedade. Mas, como em tudo, temos

prós e contras, como por exemplo, a banalização da informação e a falta de acesso

por um grupo excluído digitalmente tanto por limitações sociais como limitações de

distâncias, gerando uma marginalidade tecnológica. Ao contrário do que era vivido

17

no início do século XX, temos, hoje, uma oferta de informações bem maior do que a

procura.

Esse contexto pode ser associado ao crescimento explosivo do setor de

telecomunicações e aos processos de privatização no mercado de

telecomunicações em grande parte dos países, iniciada em 1982 com a

desmembração da American Telephone and Telegraph (AT&T) nos Estados Unidos

da América, onde as redes de acesso se monopolizaram em grandes companhias

telefônicas que deixaram de abranger grandes distribuições geográficas.

Tecnologias que antes eram consideradas de ponta, em poucos meses tornam-se

obsoletas, dando espaço a novos produtos com valores agregados e de melhor

desempenho. Com isso, surgem tecnologias para atender essa demanda como as

redes sem fio (IrDA, ZigBee, Bluetooth, RONJA, Wi-Fi, WiMAX, Mesh).

Segundo a pesquisa IBOPE/NetRatings de abril de 2008, o número de usuários de

Internet no mês foi de 22,4 milhões de pessoas com acesso residencial, 41,3% mais

que o mesmo período de 2007. No relatório referente aos últimos três meses de

2007, a IBOPE/NetRatings contabilizou um total de 34,1 milhões de pessoas que

moram em residências em que há computador com internet e 40 milhões de

pessoas quando considerados os acessos realizados de vários ambientes como

residência, trabalho, escolas, lan houses, bibliotecas, telecentros, etc.

Segundo a PNAD 2007 (Pesquisa Nacional por Amostra de Domicílios) realizada

pelo IBGE (2007)1, os dados a seguir mostram que a exclusão digital no Brasil é

elevada e que as iniciativas governamentais e não governamentais para diminuir

essa divisão são necessárias e emergenciais:

• Apenas 26,6% dos brasileiros possuem computador;

______________________

1 Disponível em:

<http://www.ibge.gov.br/home/estatistica/populacao/trabalhoerendimento/pnad2007/default.shtm>.

Acesso em 20 de novembro de 2008.

18

• Cerca de 79,8% dos brasileiros não possuem acesso a Internet;

• 97% dos incluídos digitais se concentram em áreas urbanas;

Com isso podemos deduzir que a inclusão digital só atingirá o seu total objetivo

quando pudermos prover acesso banda larga para os usuários, para que possam

usufruir de todos os benefícios e recursos da Internet. Com isso, uma solução que

vem ganhando a expectativa e o entusiasmo das redes de acesso é a tecnologia

Power Line Communication.

O objetivo principal deste trabalho é de realizar um estudo mais aprofundado sobre a

tecnologia PLC na demanda da Internet, a fim de analisar e conhecer sua

funcionalidade, suas características e sua empregabilidade diante das tecnologias

hoje disponíveis no mercado, que segundo as estatísticas do NIC.BR (2007) de

acesso à internet no domicílio brasileiro temos: 42% de acesso discado via linha

telefônica, 25% banda larga modem digital via linha telefônica (xDSL), 16% modem

via cabo, 8% conexão via rádio e 1% conexão via satélite. Com isso, vamos abordar

a tecnologia PLC de forma a estudar a tecnologia PLC através de pesquisas

bibliográficas, identificar as vantagens e desvantagens do emprego da tecnologia

PLC e identificar as oportunidades e ameaças da implantação.

1.1 O QUE É POWER LINE COMMUNICATIONS (PLC)?

A tecnologia Power Line Communications (PLC) também conhecida como Power

Line Transmission (PLT) ou Broadband over Power Line (BPL), é definida segundo a

enciclopédia livre digital Wikipédia, como a tecnologia cujo meio físico de distribuição

é a rede elétrica que possui uma infra-estrutura já disponível, na qual transporta

sinais de dados, vídeo e voz, modulados em alta freqüência, trabalhando na camada

de enlace (camada 02) do modelo de referência internacional ISO/OSI, podendo

assim ser agregada a uma rede TCP/IP (camada 03) já existente, além de poder

trabalhar em conjunto com outras tecnologias da camada de enlace.

19

1.2 FUNCIONAMENTO DA TECNOLOGIA PLC

Segundo a APTEL (2003), a tecnologia PLC pode ser apresentada em três unidades

distintas: unidade OUTDOOR, unidade INDOOR e o modem PLC. A unidade

Outdoor terá a função de fazer a interface entre Backbone da Internet e a rede de

energia elétrica. A unidade Indoor tem a função de ser um repetidor do sinal. O

modem PLC tem a função de ser a interface entre a rede de energia elétrica e a

porta de entrada de dados do computador.

A unidade Outdoor é iniciada na instalação de um equipamento denominado

MASTER PLC, também conhecido como Concentrador Mestre (PNU), Head End

Router ou Roteador Injetor de Sinais, cuja instalação é realizada em um local

próximo ao transformador de energia elétrica de baixa tensão que o interligará a um

ponto de terminação disponibilizado por uma empresa operadora de

telecomunicações via cabo de dados, de forma que o sinal PLC é injetado pelo

equipamento Máster PLC, nos fios elétricos secundários do transformador vizinho.

Neste ponto existe uma conversão de tipo de sinal que passa a ser modulado.

A unidade Indoor tem início no medidor de energia do usuário até as tomadas de

energia elétrica no interior das unidades consumidoras, onde pode ser instalado um

equipamento denominado Repetidor PLC, Demodulador Repetidor ou Home

Gateway, junto à entrada do medidor, a fim de que o sinal seja repetido.

Com isso, todos os consumidores de energia elétrica ligados no circuito elétrico

deste transformador, cuja média está entre 50-70 consumidores, receberão o sinal

em todas as tomadas elétricas.

O sinal é captado em todas as tomadas elétricas através de um modem PLC ou

Unidade de Terminação de Cliente (Customer Premise Equipament – CPE), que

decodifica os sinais elétricos em sinais de informação disponibilizado em uma porta

padrão Ethernet para ligar na placa de rede do computador. Neste ponto, o sinal que

era modulado sofrerá a operação inversa para inserir dados TCP/IP no computador

cliente.

20

Não há nenhuma padronização ou norma entre a distância que deve ser respeitada

entre o equipamento Master PLC e o Modem PLC, pois há variações entre os

fabricantes dos equipamentos, no entanto o sinal possui um alcance entre 100 a 300

metros.

Outro padrão da tecnologia PLC é o padrão HOMEPLUG, padronizada pela

HomePlug Powerline Alliance onde podemos interligar dois ou mais computadores

conectando entre eles e a tomada elétrica um adaptador HomePlug onde pode

ocorrer o compartilhamento de recursos e conexão com a Internet originada de outra

tecnologia como ADSL, Rádio Freqüência ou Cable Modem.

Figura 01 - Visão geral do sistema PLC.

21

1.3 HISTÓRICO

A idéia de se utilizar a rede de energia elétrica para transmissão de dados, segundo

a Associação de Empresas Proprietárias de Infra-estrutura e Sistemas Privados de

Telecomunicações (APTEL), é utilizada no Brasil desde a década de 1920 quando,

através de sistemas de Power Line Carrier, conhecidos como OPLAT (Ondas

Portadoras em Linhas de Alta Tensão), foram utilizados em linhas de alta tensão

(tensões entre 69.000 Volts e 500.000 Volts) para comunicação de voz e

comunicação de dados em baixa velocidade (telemetria, teleproteção e telecontrole),

com uma modulação AM e utilizando uma faixa de freqüência de 15 a 50 kHz.

Com o avanço do cabeamento por meio de fibras ópticas e o barateamento de

sistemas de telecomunicações, diversas empresas de energia elétrica decidiram

abandonar o sistema Carrier, restringindo sua empregabilidade a algumas poucas

aplicações de banda estreita em residências e sistemas de segurança e automação

predial utilizando uma banda estreita, de baixa velocidade e com modulação

analógica.

Figura 02 - Tecnologia Power Line Carrier.

22

Na década de 30, tem início a técnica RPC (Ripple Control), sendo a primeira

técnica que possibilitou a utilização da rede de distribuição de energia elétrica para

transmissão de alguns sinais de controle, sendo caracterizada pelo uso de baixas

freqüências entre 125 a 3000 Hz e baixa taxa de dados na rede de alta tensão

(acima de 100 KV), possibilitando comunicação a taxas muito baixas e potência

elevada de transmissão. O sistema permite ainda uma comunicação unidirecional e

é, destinado ao controle de iluminação de postes em estradas e controle de cargas.

Nos anos 80, empresas da Europa e dos Estados Unidos realizaram as primeiras

investigações analisando as características da rede de energia elétrica e a real

capacidade da mesma, como canal para comunicações. Nos Estados Unidos a

tecnologia SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) foi desenvolvida

buscando determinar a atenuação da rede elétrica e sensibilidade a ruídos2 em

função da freqüência, na faixa de 5 a 500 kHz.

Em 1988 surge o primeiro protótipo de um modem usando salto de freqüências

(frequency hopping), um esquema de modulação de espelhamento espectral que

utilizava uma portadora de banda estreita alterando a freqüência segundo um

padrão conhecido pelo transmissor e pelo receptor, muito utilizado nas

comunicações militares.

Em 1991, na cidade de Manchester na Inglaterra, o Dr. Paul Brown da Norweb

Communications, empresa composta pela associação da concessionária de energia

local com a empresa americana Nortel, iniciou testes com comunicação digital de

alta velocidade utilizando linhas de energia. Entre 1995 e 1997, ficou demonstrado

que era possível resolver os problemas de ruído e interferências e que a

transmissão de dados de alta velocidade poderia ser viável.

______________________

2 São sinais gerados na rede por diversos eventos. Possuem freqüência e amplitude variáveis

23

Em outubro de 1997, a Nortel e Norweb anunciaram que os problemas associados

ao ruído e interferência das linhas de energia estavam solucionados. Dois meses

depois foi anunciado pelas mesmas empresas o primeiro teste de acesso a Internet,

realizado numa escola de Manchester. Com isto foi lançada uma nova idéia para

negócios de telecomunicações que a Nortel/Norweb chamaram de Digital Powerline

(DPL).

Em março de 1998 a Nortel e Norweb em parceria com a United Utilities criaram

uma nova empresa intitulada de Nor.Web DPL com o propósito de desenvolvimento

e comercialização da nova tecnologia Digital PowerLine .

Todas as empresas elétricas do mundo estavam pensando em se tornar provedores

de serviços de telecomunicações utilizando seus ativos de distribuição. O

acompanhamento dos desenvolvimentos e progressos da tecnologia Power Line era

feito na época, no Brasil, pelo Sub-comitê de Comunicações do Grupo Coordenador

para a Operação Interligada (GCOI) vinculado à Eletrobrás, e a APTEL, que foi

criada em abril de 1999, e realizou o seu primeiro seminário em setembro de 1999,

com o tema de Tecnologia Power Line Communications.

Em junho de 1998, foi criado o primeiro fórum PLC pela UTC (United Telecom

Council), o Power Line Telecommunications Forum (PLTF).

Diversos produtos com tecnologia Power Line Communications são comercializados

no mundo. Em 23 de abril de 2003, A Agência Reguladora Federal de Serviços de

Telecomunicações dos Estados Unidos da América (Federal Communications

Commission – FCC) emitiu diversas declarações favoráveis à empregablidade da

tecnologia PLC tendo inclusive, alterado o nome/referência para BLP (Broadband

over Power Lines).

Os testes com tecnologia PLC iniciaram no Brasil no ano de 2000 com a exploração

e testes de algumas concessionárias de energia elétrica.

Segundo Eduardo Kitayama, consultor técnico de vendas da Panasonic do Brasil, a

tecnologia PLC poderá ser um complemento para outras tecnologias de conexão,

24

como Wi-Fi e cable modem, especialmente em regiões onde a rede fixa de telefonia

não esteja presente.

“Dos 58 milhões de domicílios existentes no Brasil, cerca de 20 milhões não tem

rede de telefonia fixa, já a energia elétrica esta presente em cerca de 99% das

casas”. (KITAYAMA, 2008)

25

2 A REDE DE ENERGIA ELÉTRICA

A energia elétrica é uma das formas de energia mais úteis para a humanidade,

graças a sua facilidade de transporte e baixo índice de perda energética durante

conversões, sendo uma forma de energia baseada na geração de diferenças de

potencial elétrico entre dois pontos, que permitem estabelecer uma corrente elétrica

entre ambos.

A estrutura funcional de um sistema de energia elétrica pode ser dividida em:

geração, transmissão e distribuição.

A energia elétrica pode ser gerada de fontes distintas, denominadas renováveis (água, ventos, sol e biomassa) e não-renováveis (combustíveis fósseis e nucleares), sendo a geração o primeiro processo na entrega da eletricidade aos consumidores. Uma vez gerada, a energia elétrica é transmitida por meio físico através de rede de fios e cabos, de uma localidade para outra. Para estar disponibilizada para consumo, são utilizados diversos níveis de tensão, os quais diferem entre si de acordo com a aplicação e seus usuários - residencial, comercial e industrial. Para tanto, utilizam-se instalações denominadas subestações, as quais têm por finalidade adequar os diferentes potenciais aos diversos usos, bem como interligar diferentes sistemas de energia de diversos potenciais. Deste ponto em diante, a energia elétrica é conduzida por linhas ou redes de distribuição de energia elétrica, as quais alimentam outros equipamentos, denominados transformadores de potência, que disponibilizam a energia elétrica em valores elétricos de tensão nominais (FALCÃO, 2005).

Os segmentos do sistema de energia elétrica consistem de três níveis que podem

ser classificados em nível de alta tensão (>36,2 kV), nível de média tensão (1,0 –

36,2 kV) e nível de baixa tensão (<1,0 kV), cada um adaptado para alcançar certas

distâncias. Os níveis de tensão são incorporados por transformadores, projetados a

fim de reduzir ao máximo as perdas de energia na freqüência da rede (50 ou 60 Hz).

26

Figura 03 - Estrutura de transmissão da rede de energia elétrica.

2.1 NÍVEL DE ALTA TENSÃO

O Nível de Alta Tensão aplica-se aos circuitos elétricos alimentados sob tensão

nominal superior a 36,2 KV em corrente alternada e freqüência técnica de 50 ou 60

Hz, conectando os centros geradores elétricos com os grandes centros

consumidores ou grandes clientes. Elas geralmente estão presentes em longas

distâncias entre 6000 a 5000 quilômetros, permitindo grande poder elétrico dentro de

um continente.

2.2 NÍVEL DE MÉDIA TENSÃO

Segundo a Norma Brasileira ABNT NBR 14039:2003, o nível de média tensão

aplica-se aos circuitos elétricos alimentados sob tensão nominal entre 1,0kV e 36,2

KV em corrente alternada, no trecho que compreende entre a subestação da

companhia de energia elétrica e o transformador de baixa tensão da rede de energia

27

elétrica que atende os consumidores finais ou consumidores de grande porte como

indústrias.

Segundo a APTEL (2003), as linhas de média tensão se apresentam com três

diferentes tipos de realização construtiva:

• Linha convencional de média tensão: utiliza cabos condutores não isolados de

cobre ou alumínio suportados por isoladores transversais montados na parte

superior dos postes. Os cabos podem estar situados num mesmo plano ou em

planos diferentes, com uma distância entre cabos variando em 30 e 100 centímetros.

• Linha compacta de média tensão: a construção desta linha é viabilizada através da

utilização de dispositivos separadores, de quatro cabos, capazes de manter uma

distância constante de 10 a 20 centímetros entre os cabos de média tensão

isolados, mas não blindados. É a linha que apresenta as condições mais favoráveis

para transmissão de sinais.

• Linhas multiplexadas para média tensão: estas linhas são formadas por três cabos

de média tensão isolados e blindados que são enrolados em um cabo de aço e

montados em fixadores na parte superior dos postes. Possui grande impedância,

alta atenuação para sinais de alta freqüência e baixa irradiação e interferência

devido à blindagem.

2.3 NÍVEL DE BAIXA TENSÃO

Segundo a Norma Brasileira ABNT NBR 5410:2004, aplica-se aos circuitos elétricos

alimentados sob tensão nominal igual ou inferior a 1.000V em corrente alternada,

com freqüências inferiores a 400 Hz, ou, a 1.500V em corrente contínua,

principalmente às instalações elétricas de edificações, qualquer que seja seu uso

(residencial, comercial, público, industrial, de serviços, agropecuário, hortigranjeiro,

etc.).

28

O nível de baixa tensão é considerado o nível mais hostil para a transmissão de

sinais devido à natureza dinâmica com que as cargas são inseridas e removidas da

rede, às perturbações sofridas e as emissões conduzidas provenientes dos

equipamentos.

Segundo a APTEL (2003), as linhas de baixa tensão se apresentam de dois

diferentes tipos de realização construtiva:

• Linha convencional em baixa tensão: é o tipo mais utilizado no Brasil constituído

por quatro cabos condutores de cobre ou alumínio, suportados por isoladores

montados transversalmente ao longo dos postos sendo três fases e um neutro. Os

cabos são montados num plano vertical, separados entre si de 15 a 30 centímetros.

As redes de distribuição secundárias operam com circuitos trifásicos com neutro

(110 V, 220 V e 380 V entre fases). Além dos consumidores, as lâmpadas de

iluminação pública de vapor de sódio (70 w e 250 w) e vapor de mercúrio (125W,

250W e 400W) também são ligadas na rede secundária. Os consumidores são

ligados à rede através de cabo multiplex cujo comprimento típico é de 17 metros

podendo chegar até 30 metros.

• Linhas multiplexadas em baixa tensão: possui as mesmas características das

linhas multiplexadas em média tensão utilizando-se cabos de baixa tensão sem

blindagem.

Nas redes de baixa tensão, a tecnologia PLC possui grande importância nos

seguintes segmentos:

• last mile: trecho que compreende entre o transformador de baixa tensão e a

residência do consumidor. Também conhecido como última milha.

• last inch: trecho da rede de energia elétrica de baixa tensão, localizado nas

dependências do consumidor.

29

Figura 04 - Poste típico de rede de distribuição de linha baixa tensão. Fonte: APTEL, 2003.

30

3 A TECNOLOGIA POWER LINE COMMUNICATION

A tecnologia Power Line Communications é um sistema de telecomunicações cuja

função primordial é multiplicar a capacidade de oferta de aplicações utilizando-se

para isso, meios físicos já existentes, ou seja, a rede de energia elétrica que é uma

infra-estrutura de alta capilaridade3.

Segundo a Aliança HomePlug (2008), a tecnologia PLC é apontada como a maneira

de implementar uma cadeia de comunicação universal, com a condução de tais

serviços via linhas de transmissão de energia elétrica em baixa tensão, reduzindo o

cabeamento interno e efetivamente integrando domicílios, empresas e indústrias.

A credibilidade nesta tecnologia vem aumentando com o desenvolvimento recente

de circuitos integrados, dedicados à comunicação sobre rede elétrica e pelo

crescente interesse de muitas empresas privadas pelo mundo, no trabalho de

pesquisa da empregabilidade da tecnologia PLC. Algumas alianças entre grandes

empresas tecnológicas e grandes concessionárias elétricas estão gerando grandes

estudos de compatibilidade, coexistência e viabilidade desta tecnologia. Alguns

padrões despontam neste cenário: a espanhola DS2 e a americana Intellon

Corporation, o israelense Main.net como uma solução global e a americana

Amperion, interessante pelo seu modelo de acesso PLC combinado com soluções

Wi-Fi.

As diferentes topologias das redes de distribuição de energia elétrica irão definir o

potencial de cada região propensa a ser implementada com os serviços PLC como

ocorre hoje com destaque em países de primeiro mundo como Estados Unidos da

América, Canadá e Suécia. No Brasil são conectados entre 50 e 70 consumidores

por transformador, enquanto na Europa e Estados Unidos são conectados 100 a 200

consumidores.

______________________

3 Disponibilidade do serviço em vários locais devido ao grande volume de redes elétricas secundárias.

31

Segundo a Revista Computerworld (Março de 2007), estima-se que existam cerca

de 150 mil usuários da tecnologia nos Estados Unidos e a expectativa é que esse

número atinja 2,5 milhões em 2011, especialmente em áreas rurais nas quais outras

tecnologias, como o cabo ou o DSL, não chegam.

A utilização da tecnologia PLC pode gerar grandes vantagens tanto para usuários

domésticos quanto para entidades públicas e privadas ofertando novas tecnologias,

de forma que o acesso à informação seja o caminho para as mudanças e a criação

de novos eventos sociológicos, sendo que a informação aliada às tecnologias,

proporciona formas de comunicação e disseminação de conhecimento. Dentre as

vantagens oferecidas são: a inclusão digital pelo acesso à internet banda larga,

integração de serviços públicos, serviços de telefonia IP x redução de custos

telefônicos, ensino à distância, telecentros, monitoração remota, conectividade,

utilização de um cabeamento já existente e de grande cobertura geográfica, fácil

instalação e baixo custo de manutenção.

A filosofia do sistema PLC teria início na subestação de distribuição de energia

elétrica, onde através de um sistema chamado agregador, haveria a injeção e a

transmissão de dados na rede elétrica. A condução elétrica chegaria às edificações

de baixa tensão com sinais elétricos e de dados em alta velocidade, onde por meio

de um modem PLC ocorria a decodificação dos dados e o acesso. Nos

transformadores de média tensão, seria instalado um equipamento Master PLC

disponibilizado pela empresa de energia elétrica ou pela empresa de

telecomunicações, que interligaria o backbone à rede de energia elétrica com um

cabo de dados através de um acoplamento. O sinal PLC é injetado pelo Master PLC

nos fios secundários do transformador da área da rede elétrica e, deste modo, todos

os consumidores nesta área entre dois transformadores possuiriam acesso ao sinal.

Porém a degradação da qualidade do sinal a longas distâncias e em alta tensão foi

uma solução ineficaz e a solução encontrada foi utilizar a tecnologia PLC em redes

de média e, principalmente, baixa tensão, que se adequou à distribuição de energia

elétrica domiciliar, além da integração desta tecnologia e sua convergência com

outras tecnologias existentes, tornando-a ágil e viável

32

Figura 05 - Esquema geral da tecnologia PLC desde a subestação até as unidades consumidoras.

3.1 SISTEMA OUTDOOR

As redes de energia elétrica de baixa tensão cobrem as poucas centenas de metros

entre os clientes e o transformador, o que oferece uma solução alternativa utilizando

a tecnologia PLC para a realização da chamada "última milha" no acesso à rede de

telecomunicações, multiplicando os sinais por divisão de freqüência e por tempo,

com maior capacidade de filtrar ruídos.

As redes de energia elétrica de baixa tensão estão conectadas às redes de média e

alta tensão através de uma unidade chamada transformador de energia.

As redes de acesso PLC interconectam uma célula de energia (power cell) à rede do

backbone, redes de comunicação de acesso à Internet, através de um equipamento

chamado Master PLC, Head End Router ou Concentrador Mestre (PNU), que

33

normalmente é instalado junto ao transformador. O sinal de comunicação do

backbone tem de ser convertido em uma forma que possa possibilitar a transmissão

por uma rede de energia de baixa tensão. Isto permite o fluxo de dados downstream,

banda estreita, do equipamento Master PLC até o Modem PLC ou para os

componentes Repetidores numa configuração ponto-multiponto full-duplex, com uma

configuração modular flexível com placas de baixa tensão, as quais injetam o sinal

PLC proveniente da rede de distribuição PLC sobre os cabos de baixa tensão.

Nos medidores de energia interno as edificações, há um equipamento que provê

acesso direto do usuário da unidade Outdoor para a unidade Indoor e que recebe o

nome de Repetidor PLC ou Home Gateway comunicando-se com o Master PLC. O

Repetidor PLC recupera e re-injeta o sinal PLC proveniente do transformador para a

rede de energia elétrica doméstica. De acordo com a topologia da rede elétrica, o

Repetidor PLC pode não ser necessário, como no caso em que o equipamento PLC

do transformador consiga uma conexão de alta qualidade com o modem PLC. No

entanto, a aplicação dos repetidores também aumenta os custos da rede por causa

do aumento dos custos de equipamento e instalação. Portanto, o número de

repetidores dentro de uma rede de acesso PLC tem que ser tão pequena quanto

possível.

Figura 06 - Equipamento Master PLC do fabricante Ascom. Fonte: Ascom, 2008.

34

Figura 07 - Repetidores PLC. Fonte: CEMIG, 2003.

35

3.2 SISTEMA INDOOR

Os usuários da tecnologia PLC estão conectados à rede através de um modem PLC

instalados nas tomadas elétricas, não só alimentando os computadores com

energia, mas também com os bits e bytes que circulam pela Internet. Essa conexão

do modem PLC possui uma segurança para garantir uma separação galvânica e agir

como um filtro dividindo-se o sinal de comunicações (acima de 9 kHz) a partir da

corrente alternada da energia elétrica (50 a 60 Hz). O Modem PLC implementa todas

as funções da camada física do modelo de referência internacional OSI/ISO,

incluindo codificação e modulação. A camada de enlace do modelo OSI/ISO também

é implementado dentro do modem PLC, incluindo subcamada MAC (Medium Access

Control) e subcamada LLC (Logical Link Control).

O modem PLC realiza a interface entre os computadores e a rede de energia elétrica

e converte os sinais recebidos em um formulário padrão que pode ser processado

por sistemas de comunicações convencionais em interfaces padrões de

comunicações. Há diversos modelos de modem PLC, para banda larga (Ethernet

e/ou USB), para telefonia (RJ-11) e para acesso e telefonia (Ethernet e/ou USB +RJ-

11). Alguns modelos possuem funcionalidade adicional como conexões Wi-Fi.

Figura 08 - Modelos de Modem PLC.

Existem ainda, as unidades de acoplamento que são equipamentos acessórios

agregados, necessários para adaptar e injetar o sinal de telecomunicações do

equipamento PLC, para a rede de distribuição tanto de média ou baixa tensão. Há

dois tipos de unidades de acoplamento: capacitivo, que injeta o sinal por contato

direto com a rede de distribuição, e o indutivo, que injeta o sinal por indução. A

36

solução de acoplamento a ser implementada é escolhida com base na qualidade do

sinal e facilidade de instalação, nas condições específicas da rede de distribuição

utilizada. As soluções de acoplamento têm evoluído bastante, otimizando tempo,

procedimento, desempenho e segurança de instalação.

Figura 09 - Modelos de Unidades de Acoplamento. Fonte: PUA, 2004.

37

Figura 10 - Esquema de um Sistema PLC Outdoor e Indoor.

3.3 O PADRÃO HOMEPLUG

Atualmente, a automação de serviços está se tornando mais e mais popular, não só

para a sua aplicação no setor industrial e de setores empresariais e dentro de

grandes edifícios, mas também para a sua aplicação em residências. De forma a

fornecer sistemas de automação de serviços de segurança como vigilância, controle

de aquecimento, controle automático de luz, há de se ligar um grande número de

dispositivos tais como sensores, câmeras, motores elétricos, luzes e assim por

38

diante. Portanto, a tecnologia PLC parece ser uma solução razoável para a

realização de tais redes com um grande número de dispositivos finais,

especialmente dentro de casas e edifícios mais antigos que não possuem uma

adequada infra-estrutura de comunicação interna.

Para se criar então uma pequena rede local doméstica, o equipamento utilizado

como um adaptador é o PLC padrão HomePlug, padronizado pela HomePlug

Powerline Alliance formada em 2000 com tecnologia PowerPacket da empresa

americana Intellon. Esta aliança é formada em grande parte por fornecedores de

produtos e visa basicamente estabelecer uma padronização aberta dos

equipamentos PLC de rede indoor e definiu um modelo para trabalhar com quadros

802.3. Esta escolha simplifica a integração, pois o padrão Ethernet é bem difundido

e de conhecimento amplo. O primeiro padrão especificado pelo HomePlug Powerline

Alliance foi o padrão HomePlug 1.0 (até 45 Mbps) e hoje já temos o HomePlug AV

ou Home Plug 2.0 (até 200 Mbps). O padrão HomePlug se tornou referência para os

fabricantes de equipamentos para transmissão de dados via energia elétrica no

ambiente residencial.

O acesso à mídia no protocolo HomePlug 1.0 MAC é uma modificação do protocolo

CSMA/CA. Embora o método de acesso CSMA/CD seja muito utilizado nas redes

802.3, ele não é utilizado nas redes de energia elétrica devido principalmente à

atenuação e ao ruído.

O HomePlug 2.0 já utiliza tecnologias de camada física e MAC melhoradas para

conseguir uma rede PLC propícia para tráfego de vídeo, áudio e dados. A camada

física opera entre as freqüências de 2 a 28 MHz e utiliza uma taxa de canal de

200Mbps para prover uma taxa útil de dados de 150Mbps para comunicações mais

robustas em canais ruidosos. Utiliza modulação OFDM windowed e TCC (Turbo

Convolutional Code), para alcançar um desempenho por volta de 0.5dB da

Capacidade de Shannon4.

______________________

4 Capacidade de Shannon é utilizada como uma métrica a ser transmitida na ligação ascendente, e desempenha um papel fundamental na determinação do ritmo de transmissão.

39

A camada MAC suporta tanto TDMA (Time Division Multiple Access), quanto CSMA

(Carrier Sense Multiple Access) baseado em acesso com sincronização de ciclo de

linha AC. O acesso TDMA provê garantia de QoS.

Com isso podemos interligar dois ou mais computadores conectando entre eles e a

tomada elétrica, o adaptador HomePlug, a fim de compartilhar recursos e conexão

com a Internet originada de outra tecnologia como conexões ADSL, Wireless ou

Cable Modem. Esses adaptadores geralmente possuem um alcance de 300m,

segundo a normatização do padrão HomePlug.

Os adaptadores HomePlug PLC apresentam-se em três tipos: o Ethernet Wall Mount

que é conectado diretamente ao ponto de tomada, o PLINC que é uma placa interna

conectada no slot do computador e o Ethernet Adapter que possibilita várias

conexões extras como o Wireless, RJ45, RJ11, USB e Coaxial.

Figura 11 - Modelos de adaptadores HomePlug.

40

O adaptador HomePlug provê ao assinante um ponto de rede, ao qual podem ser

conectados diversos serviços de telecomunicações, tais como: telefone, fax,

microcomputador, internet, vídeo, medição de consumo de energia, automação

residencial e vigilância, tendo assim um modo de operação NODE, fazendo com que

o sistema atue como uma central conectora.

Os telefones podem funcionar como uma simples extensão ou como ramais

definidos por uma central PABX, também conectados a rede PLC. Enfim, todas as

tomadas elétricas fazem parte de uma rede Local, bastando habilitá-las instalando

nas mesmas um equipamento PLC, desta forma a rede elétrica se torna um grande

barramento de comunicação de triple play (dados, voz e vídeo).

41

Figura 12 - Esquema de uma Rede Local PLC com Adaptadores Homeplug.

A conexão entre o backbone e as portas do roteador pode ser realizada por enlaces

seriais síncronos utilizando protocolos HDLC (High-level Data Link Control) ou PPP

(Point to Point Protocol) sobre transporte SDH (Synchronous Digital Hierarchy).

Geralmente é utilizado o modelo de DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

como servidor e base de dados centralizada. O DHCP Server em conjunto com a

base de dados irá prover autenticação aos assinantes e o endereçamento IP privado

42

será realizado de forma dinâmica ao assinante. O DHCP também designa os

parâmetros de Gateway de rede, DNS (Domain Name System) primário e DNS

secundário.

O endereço IP designado pelo servidor DHCP aos assinantes será privado, ou seja,

para trafegar na Internet será necessária uma tradução para um endereço público,

que é feita por um servidor NAT (Network Address Translation). Esta técnica visa

diminuir a quantidade de endereços IP’s públicos fornecidos e proteger o assinante

de ataques externos.

Para proteger a rede de ataques e outros acessos indevidos deverá ser utilizado um

sistema Firewall. O sistema Firewall verifica apenas o cabeçalho de cada pacote,

definindo o que ocorrerá com tais pacotes, atuando como um filtro de pacotes.

Basicamente, só entende endereço IP, máscara de sub-rede, portas e tipos de

protocolos, não analisando o conteúdo do pacote.

Por outro lado, também existem outros sistemas de comunicações eficazes em

termos de custos para a realização das redes de banda larga em casa. Redes sem

fios (WLAN) já estão bastante disponíveis e avançadas no mercado, oferecendo

excelentes taxas de transmissão de dados. Em contraste com o Homeplug PLC, as

redes sem fio permitem o uso de serviços de telecomunicações móveis, tais como

telefonia sem fio, e mais conveniente manipula comunicação com vários dispositivos

portáteis.

Figura 13 - Esquema padrão de ligação de um usuário à Internet.

43

A implementação desses sistemas da tecnologia PLC devem sempre ser

convergentes com o quadro de serviços NGN (Next Generation Networks) e

protocolos IP, como: parâmetros de QoS (latência5, vazão6 jitter7 perda de pacotes e

disponibilidade) e IPv6(Internet Protocol version six).

3.4 ACESSÓRIOS PLC

A tecnologia PLC possui alguns acessórios que podem ser utilizados nos sistemas

apresentados a fim de melhorar o tráfego da rede.

• Caixa de Distribuição: utilizada com a finalidade de facilitar a distribuição do sinal

PLC em painéis elétricos de edifícios/condomínios. Geralmente, vem acoplada com

um filtro de surtos, que filtra os ruídos provocados pelos equipamentos ligados na

rede elétrica.

• Equipamentos de Concentração: equipamento utilizado para otimizar a largura da

banda em condomínios e/ou prédios com grande quantidade de consumidores,

servindo como um nó intermediário para expandir a cobertura ou aumentar a largura

da banda em segmentos críticos da rede.

• Isolador de Ruídos: utilizado para a conexão do modem PLC, quando no circuito

existirem aparelhos eletrônicos conectados, a fim de ter um melhor desempenho

diminuindo o nível de ruído na rede.

______________________ 5 Latência: é o tempo percorrido que um pacote leva da origem ao destino; 6 Vazão: é a quantidade de bits transmitidos por unidade de tempo; 7 Jitter: é uma variação do retardo na entrega de dados em uma rede;

44

Figura 14 - Acessórios PLC da marca Mitsubishi / Hypertrade Telecom. Fonte: V SPLC, 2004.

45

4 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DA TECNOLOGIA PLC

A tecnologia PLC possui algumas características técnicas:

• Taxa de transmissão: os equipamentos PLC de primeira geração atingiam até 4,5

Mbps enquanto os equipamentos PLC de segunda geração atingiam até 45 Mbps.

Os equipamentos da atual geração atingem até 200 Mbps.

• Compatibilidade: sistemas operacionais Windows, Linux, UNIX, entre outros.

• Tipo de comunicação: a comunicação dos equipamentos é do tipo ponto – multi-

ponto full-duplex, ou seja, para cada Master PLC vários modens PLC podem ser

conectados sendo que os dois podem transmitir dados simultaneamente em ambos

os sentidos (transmissão bidirecional).

4.1 FAIXAS DE FREQÜÊNCIA

O sistema Power Line Communication utiliza a faixa de freqüência entre 1,7 e 30

MHz podendo ser dividida em 02 (duas) faixas de freqüência de trabalho. A primeira

faixa de freqüência está compreendida entre 1MHz e 12MHz sendo utilizada para

transmissão na unidade Outdoor onde há comunicação entre o equipamento Master

PLC e o Modem PLC mais próximos dos transformadores e/ou entre o Master PLC e

o Repetidor PLC.

A segunda faixa de freqüência está compreendida entre 18MHz e 30MHz e é

utilizada para transmissão na unidade Indoor entre o Repetidor PLC e o Modem

PLC.

Com o número crescente de diferentes faixas de freqüência, a banda comum é

dividida em pequenas porções, o que reduz significativamente a capacidade de

rede. Portanto, um plano de freqüências para uma rede de acesso PLC deverá ter

um número tão baixo quanto possível de freqüências.

46

Figura 15 - Faixa de Freqüência da tecnologia PLC.

4.2 TIPOS DE MODULAÇÃO

Modulação de sinal é o processo de transformar um sinal em uma forma adequada

pra que ele seja transmitido por determinado canal, ou seja, significa a modificação

de um sinal eletromagnético inicialmente gerado, antes de ser irradiado, de forma

que este sinal transporte informação sobre uma onda portadora.

O desenvolvimento da tecnologia PLC está diretamente relacionado à modulação de

sinais para acoplar o sinal ao meio de transmissão e, só foi possível com o avanço

das técnicas de modulação de banda larga, no entanto, iremos destacar as 03

técnicas mais importantes.

Segundo Wadell (1991), a transmissão da informação digital utiliza um processo

chamado modulação, que transforma um fluxo de dados, constituído de 0s e 1s

lógicos em um sinal conveniente para a transmissão sobre um meio físico especifico.

4.2.1 Técnica de Modulação de Seqüência Direta de Espalhamento

Espectral (DSSS)

47

A técnica de modulação de Seqüência Direta de Espalhamento Espectral ou Direct

Sequence Spread Spectrum (DSSS) é utilizada na tecnologia PLC de faixa estreita.

A técnica consiste em distribuir a potência do sinal ao longo de uma faixa de

freqüências muito ampla, 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.

As aplicações dessa técnica foram inicialmente utilizadas para o desenvolvimento de

sistemas de comunicação militar ficando restritas ao meio militar até meados dos

anos 80, quando foi introduzida nos sistemas de comunicação comercial como, por

exemplo, em telefonia celular CDMA (Core Division Multiplex Access).

4.2.2 Técnica de Modulação Orthogonal Frequency Division

Multiplexing (OFDM)

A técnica de modulação Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ou

multiplexação por divisão de freqüência ortogonal é bastante conhecido na literatura

e utilizado em diversas tecnologias como o sistema WiMAX, o protocolo de enlace

ADSL, o protocolo IEEE 802.11a/g e o rádio digital DAB. A técnica consiste em

enviar a informação modulando um grande conjunto de portadoras de diferentes

freqüências de banda estreita distribuídas lado a lado.

A modulação OFDM tem por objetivo passar o sinal por um codificador de canal com

objetivo de corrigir os erros produzidos na transmissão suprimindo portadoras

interferentes ou interferidas ou variar o carregamento (número de bits) de cada

portadora de acordo com a relação Sinal Ruído ou Atenuação do Enlace.

Uma das desvantagens da modulação OFDM é a exigência do uso de

amplificadores altamente lineares de forma que não haja interferência causada pelos

harmônicos das portadoras.

48

A figura 16 proveniente da APTEL (2003) mostra um exemplo de como a modulação

em OFDM pode se adequar às diversas condições da rede em tempo real. Na

medida em que a relação sinal/ruído diminui o carregamento de bits na portadora

também diminui.

Figura 16 - Relação sinal/ruído na modulação OFDM. Fonte: APTEL, 2003.

Na tecnologia PLC é modulação mais utilizada principalmente pelo padrão

HomePlug que para conseguir atingir as taxas de transmissão tão elevadas utiliza

multiplexação OFDM com as modulações derivadas do PSK (Phase Shift Keying):

DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) e DQPSK (Differential Quadrature

Phase Shift Keying). Enquanto que a modulação DBPSK consegue transmitir 1 bit

por símbolo por portadora, o DQPSK consegue modular 2 bits por símbolo por

portadora. Existe um outro modo de transmissão OFDM conhecido como ROBO

(ROBust OFDM), sendo um modo mais robusto, com maior redundância para

suportar condições de muito ruído onde o sinal passa a ser transmitido com maior

redundância, o que causa uma queda significativa na taxa de transmissão

4.2.3 Técnica de Modulação Gaussian Minimum Shift Keying

(GMSK)

49

A modulação GMSK ou Chaveamento por Deslocamento Mínimo, é modulação

utilizada no sistema GSM (Global System for Móbile Communications), sendo um

tipo especial de modulação digital FM. No GMSK o sinal a ser modulado na

portadora é primeiramente atenuado com um filtro Gaussiano antes de passar por

um modulador de freqüência, o qual reduz bastante a interferência aos canais

vizinhos. A técnica de modulação GMSK pode ser considerada como um sistema de

modulação OFDM, às vezes referenciada como OFDM de banda larga. Ela possui

um formato de espectro do tipo Gaussiana, e é um método robusto contra

interferência em banda estreita, que é típico de radiodifusão em ondas médias.

Figura 17 - Espectro de Freqüência Spread Spectrum, OFDM e GMSK. Fonte: APTEL, 2003.

Cabe salientar que as primeiras técnicas de modulação utilizadas na tecnologia PLC

foram as técnicas de banda estreita que podiam ser: modulação por chaveamento

de amplitude (ASK) ou modulação por chaveamento de freqüência (FSK). A

modulação FSK apresenta como principal característica a boa imunidade a ruídos,

quando comparada com a modulação ASK.

50

4.3 TOPOLOGIA DA TECNOLOGIA PLC

A topologia de uma rede de acesso PLC é dada pela topologia da infra-estrutura da

rede de energia elétrica de baixa tensão. No entanto, uma rede de acesso PLC pode

ser estruturada de diferentes formas que podem influenciar a exploração das redes.

As redes elétricas de baixa tensão são realizadas pelo uso de diversas tecnologias

(diferentes tipos de cabos, diferentes transformadores de energia, etc) e são

instalados em conformidade com as normas vigentes, que diferem de país para país.

Com isso, podemos ter redes elétricas de diferentes cargas (estáveis ou com

sobrecarga de tensão), diferentes tipos (aéreas, subterrâneas, etc) e diferentes

características de transmissão.

A topologia de uma rede elétrica de baixa tensão também difere de um local para

outro e depende de vários fatores, tais como:

• Tipo de rede local - A tecnologia PLC pode ser empregada em áreas residenciais,

industriais ou comerciais. Além disso, existe uma diferença entre as zonas rurais e

urbanas.

• Densidade de consumidores - O número de consumidores em uma rede elétrica de

baixa tensão varia de rede para rede. Os assinantes podem ser agrupados em uma

única casa, típico nas áreas rurais ou, vários consumidores, como nos edifícios com

um grande número de apartamentos ou escritórios.

• Comprimento da rede - A maior distância entre a unidade do consumidor e um

transformador dentro de uma rede elétrica de baixa tensão também varia de local

para local. Normalmente, existe uma significativa diferença entre o comprimento de

rede urbana e rural.

• Design da rede – rede elétrica de baixa tensão geralmente é composta de

ramificações de rede, de número variável, o que difere de rede para rede.

51

Com isso, uma rede de energia de baixa tensão difere uma da outra e não é

possível especificar uma estrutura típica de rede. No entanto, é possível definir

algumas características para descrever uma estrutura típica de uma rede PLC:

• Número de unidades consumidoras na rede: ~ 50-70

• Número de ramificações da rede: ~ 3

• Comprimento total de uma rede: ~ 100-300 metros

Figura 18 - Possível topologia de uma rede de energia elétrica de baixa tensão

4.4 SEGURANÇA NA TRANSMISSÃO

A tecnologia PLC utiliza a rede elétrica, que é compartilhada por todas as

residências que se ligam ao mesmo transformador, por isso há a preocupação pela

segurança na transmissão dos dados de forma a obter confidencialidade, integridade

e disponibilidade.

O tráfego de informações que circulam na tecnologia PLC é criptografado através do

algoritmo DES (Data Encryption Standard) de 56 bits que utiliza primordialmente

52

funções de substituição e descolamento 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.

A tecnologia PLC utiliza também a codificação para a correção de erros na

transmissão no lado da recepção através de uma técnica chamada FEC (Forward

Error Correction) onde a fonte adiciona bits redundantes na mensagem, o que

possibilita que o receptor detecte e corrija erros, dentro de certo limite previsto,

utilizando um código de relação 1:2, ou seja, para cada bit de dados, o sistema PLC

envia 02 bits pelo canal correspondente. Os equipamentos PLC também monitoram

automaticamente a qualidade do canal, de modo que se ela for alta o suficiente o

FEC é desativado e se a qualidade cair o FEC é ativado.

No protocolo HomePlug o tráfego da rede também é muito mais seguro pois ele está

sempre em rede local pois não ultrapassa o medidor de energia dos consumidores,

se tornando conexões com muito mais segurança que conexões Wi-Fi que podem

ser captadas por outros usuários e necessitam de identificação.

4.5 APLICAÇÕES DA TECNOLOGIA PLC

A rede de energia elétrica de baixa tensão forma atualmente a maior rede instalada,

sendo acessível em praticamente qualquer lugar, atingindo 98,2% (IBGE, 2007) dos

domicílios mobiliados do Brasil.

Essa alta disponibilidade associada ao nível de capilaridade da rede elétrica, agrega

um amplo espectro de serviços de telecomunicações disponíveis tanto para os

consumidores, quanto para as concessionárias de energia elétrica.

Com um mercado energético cada vez mais competitivo, a solução é a busca de

novas fontes de renda e a redução de custos operacionais. A tecnologia PLC vem

então contribuir viabilizando a exploração de diversos serviços, tais como:

53

• Serviços residenciais: monitoração e vigilância, automação residencial, redes locais

independentes.

• Serviços de acesso: acesso à Internet banda larga, voz sobre IP, vídeo sob

demanda, telefonia IP local e à distância.

• Serviços de entidades públicas: monitoramento de trânsito, segurança, vigilância

com câmeras, inclusão digital.

• Serviços para concessionárias de energia: telecontrole, telemedição,

gerenciamento de falhas, monitoração remota, supervisão de fornecimento, medição

automática e curva de demanda, controle de perdas técnicas e comerciais,

automação da distribuição, controle de carga e da qualidade da energia, menores

investimentos em geração de energia, leitura automática de medidores.

Figura 19 - Aplicações em diversos setores. Fonte: APTEL, 2003.

54

5 DESAFIOS DA TECNOLOGIA PLC

A tecnologia PLC possui a vantagem de ter uma infra-estrutura de alta capilaridade e

custo associado relativamente baixo. No entanto, a tecnologia PLC possui um

grande número de barreiras e desafios a serem transpostos devido às suas

aplicações em redes de energia elétrica de baixa e média tensão, que são um dos

meios mais inóspitos à comunicação de dados devido não ter sido projetada para tal

atividade.

Um desafio da tecnologia PLC está relacionado à situação atual da infra-estrutura da

rede de energia elétrica brasileira que em sua grande maioria é aérea, fazendo com

que haja interferências do meio ambiente, ou seja, uma infra-estrutura oposta aos

padrões da Europa e dos Estados Unidos da América, onde a rede de energia

elétrica é, em sua maior parte, subterrânea e não sofre interferências do meio

ambiente. Esta e outras questões são levantadas e debatidas pelo projeto OPERA

(Open PLC European Research Alliance) para se obter um sistema PLC globalizado

e adequado às mais distintas aplicações e condições, sejam estas geográficas,

climáticas ou demográficas.

Associado aos obstáculos tecnológicos, a tecnologia PLC possui críticos e

opositores, tendo como razões aspectos técnicos, estratégicos e políticos. A relação

sinal/ruído e as interferências no espectro de freqüência principalmente nas

comunicações de radioamadores e comunicações móveis marítimas e aeronáuticas,

são os principais desafios de forma a regulamentar e padronizar o espectro de

freqüência disponível para utilização da tecnologia PLC, cuja abrangência e o fator

social, superam e representam vantagens maiores que as desvantagens.

Outros desafios estão relacionados com as questões de segurança como radiação

eletromagnética, robustez elétrica e contra incêndio, privacidade e direitos do

consumidor e que, precisam ser definidas. A regulamentação de transmissões via

rede elétrica tem como principal requisito evitar conflitos com a comunidade de

radiotransmissão e suas normas, e para isso as freqüências que produtos PLC

55

podem utilizar são restritas a certas faixas, assim como a amplitude de sinal e tipo

de modulação.

5.1 A RELAÇÃO SINAL-RUÍDO

Segundo a enciclopédia online Wikipedia (2008), a relação sinal-ruído ou razão

sinal-ruído compara o nível de um sinal desejado com o nível do ruído de fundo

influenciando na potência de transmissão dos equipamentos que por sua vez,

influem no nível de sinal irradiado pelo sistema. Quanto mais alto for a relação sinal-

ruído, menor é o efeito do ruído de fundo sobre a detecção ou medição do sinal.

No Brasil não existe nenhum estudo ou publicação sobre as características de ruído

de linhas de distribuição de baixa e média voltagem e como estas influenciam no

desempenho de um sistema PLC.

Um problema enfrentado nessa relação são os capacitores para correção do fator de

potência das lâmpadas de iluminação pública a vapores metálicos, os quais

necessitam de reatores de alto fator de potência e são alimentados diretamente na

rede de baixa tensão, atenuando fortemente o sinal. A solução para estes problemas

é a utilização de métodos de modulação especiais, como a modulação por DSSS,

OFDM ou GMSK.

Alguns aparelhos eletrodomésticos produzem ruídos contínuos ou intermitentes que

se estendem por um amplo espectro de freqüências, chegando à faixa dos

megahertz. Equipamentos de motores com escovas como os usados em

aspiradores de pó, liquidificadores, furadeiras e máquinas de lavar, geram faíscas

constantemente, provenientes do contínuo ligamento e desligamento do rotor,

gerando ruído intenso que se estende até alguns kilohertz. Os dimmers,

normalmente utilizados no controle de intensidade luminosa e alguns chuveiros e

aquecedores, geram ruídos continuamente, numa faixa de freqüências de 120Hz

com harmônicas até alguns kilohertz. As lâmpadas fluorescentes compactas não

possuem um reator indutivo, como as lâmpadas convencionais, e sim uma fonte

56

chaveada que opera a alta freqüência, dispensando o starter, mas injetando ruído da

ordem de alguns kilohertz na rede elétrica.

5.2 INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS

Um quesito de vital importância dentro de uma rede elétrica é a compatibilidade

eletromagnética, ou seja, a capacidade de um dispositivo ou sistema de funcionar

satisfatoriamente no seu “ambiente eletromagnético” sem introduzir perturbações

eletromagnéticas intoleráveis sob a forma de interferências sobre outro dispositivo

ou sistema. Isso significa viver em harmonia com os outros.

Um grande problema enfrentado pela tecnologia PLC no Brasil é o fato das faixas de

freqüências utilizadas serem baseadas nos equipamentos da Europa e Estados

Unidos não atendendo assim o mercado brasileiro, pois essas faixas de freqüências

(HF) já são atribuídas e regulamentadas pela ANATEL para serviços como Móvel

Marítimo e Aeronáutico, Radiodifusão e Radioamadores.

As interferências na tecnologia PLC podem ser vistos a partir de dois aspectos, ou

seja, podem ser provocadas tanto em outros sistemas licenciados que utilizam o

mesmo espectro de freqüência quanto por outros sistemas licenciados na tecnologia

PLC em operação.

A interferência provocada em sistemas licenciados está diretamente relacionada ao

nível de potência dos equipamentos, porém não há regulamentação e padronização

definida no Brasil. Nos Estados Unidos da América a regulamentação segue a

Norma FCC - Parte 15 enquanto na Europa segue-se a Norma CISPR 22.

Em alguns países, a tecnologia PLC está sujeita à limites de radiação de 30

microvolts/metro, medidos a uma distância de 30 metros conforme a norma

internacional NB30, para tentar garantir a coexistência entre PLC e outros

equipamentos que operam no mesmo espectro de freqüência, o que certamente

será seguido em uma futura regulamentação brasileira.

57

A Interferência provocada por outros sistemas licenciados na tecnologia PLC está

relacionada com a redução do espectro de freqüência disponível, implicando em

taxas de transmissão muito baixas, e inviabilizando sua aplicação, considerando-se

a grande gama de sistemas licenciados nesse espectro nas áreas urbanas.

Outro ponto de grande importância na questão da interferência é a conexão com

equipamentos bloqueadores de freqüência (filtros de linha) e os equipamentos

isoladores (estabilizadores) ou que sejam alimentados por fontes chaveadas (no-

breaks) pois os equipamentos PLC não podem ser conectados a eles. No caso dos

no-breaks, a saída da rede elétrica é isolada, e nos filtros de linha as altas

freqüências são bloqueadas, o que impossibilita o funcionamento da rede.

5.3 ATENUAÇÃO

Atenuação é uma perda de potência devido à dissipação dos sinais no meio

podendo ser causado pelo número e natureza das cargas conectadas, pela

indutância dos fios, pela distância e pela topologia da rede.

A atenuação de um sinal é relacionada com a freqüência e com a distância

percorrida pelo sinal. Quanto maior for o comprimento do cabo, maior é a atenuação,

até o sinal tornar-se fraco, a ponto de não ser mais entendido pelo destinatário.

As cargas e as descontinuidades causadas por emendas nos fios, interruptores e

tomadas, também contribuem para a atenuação do sinal, e podem variar com o

tempo e com a localização. As tomadas tornam-se problemáticas mesmo sem

equipamentos conectados, pois, tornam-se pontos de rede sem terminação como

conectadas, pois os equipamentos também contribuem para a carga total da rede.

Devido à diferença de impedância entre os equipamentos, há um descasamento que

provoca a reflexão do sinal transmitido. Isto causa uma maior atenuação do sinal,

58

pois parte do sinal será perdida. Esta atenuação está relacionada com a freqüência,

pois os aparelhos eletro-eletrônicos possuem filtros capacitivos que limitam

consideravelmente sinais de baixa freqüência.

Segundo Majumder (2004), o canal entre duas tomadas quaisquer em uma casa,

para exemplificar, apresenta uma função de transferência complicada. Em tal meio

de transmissão, a amplitude e a fase do sinal podem variar drasticamente com a

freqüência. Embora o sinal possa chegar até o receptor com poucas perdas em

determinadas freqüências, para outras ele pode ser completamente destruído.

5.4 IMPEDÂNCIA DA REDE

Impedância é a oposição que um circuito faz a passagem da corrente elétrica em

circuitos de corrente alternada, exercendo grande influência na qualidade da

transmissão de sinais. A impedância é determinada por três fatores: pela carga

elétrica na rede, pela impedância do transformador de distribuição e pelas

características do cabo de transmissão.

A rede elétrica de uma residência é montada de forma que todos os

eletrodomésticos, lâmpadas e outros dispositivos sejam ligados em paralelo com a

fonte de alimentação elétrica.

Assim a impedância da rede elétrica varia não só de casa para casa, e de tomada

para tomada, mas conforme aparelhos são ligados e desligados. O dispositivo que

injetar um sinal de alta freqüência na rede, entre uma fase e o neutro, enxergará

uma carga em paralelo que poderá variar. Um chuveiro é um bom exemplo de carga

capaz de mudar totalmente o comportamento da rede elétrica.

Quadros de distribuição, fios espalhados, emendas e interruptores também afetam a

impedância da rede elétrica.

59

Figura 20 - Principais desafios na transmissão de dados com tecnologia PLC. Fonte: Duque, 2001.

5.5 INSTALAÇÕES TRIFÁSICAS

A alimentação em pequenas residências, normalmente é feita com apenas uma

fase, fazendo com que tudo que for conectado nas tomadas elétricas, estarão

ligados à rede elétrica em paralelo, ou seja, os equipamentos PLC utilizados nesse

sistema estarão sempre ligados ao mesmo par de fios.

Na infra-estrtutura das residências mais recentes, a alimentação é trifásica em

corrente alternada visando balancear o sistema e igualar a carga em cada fase. Com

isso, em uma mesma casa temos tomadas ligadas a redes elétricas diferentes, visto

que só o neutro é comum a todas. Ainda que as três fases sejam provenientes do

transformador da rua, este é um enorme indutor, capaz de barrar quase

completamente as freqüências elevadas de pularem entre as fases. Essa situação

pode ser corrigida colocando-se acopladores entre as fases, que atuam como

condutores para o sinal, como no desenho abaixo:

60

Figura 21 - Sistema trifásico com acopladores entre as fases.

5.6 SEGMENTAÇÃO DE ALIMENTADORES

Para atender a um elevado número de consumidores conectados a um alimentador

poderá ser necessário dividir os consumidores em grupos menores, dividindo o

alimentador em diversos segmentos. O espectro utilizável será dividido em múltiplos

canais e ocupado por diversos pares de modem operando no mesmo alimentador e

circuito de distribuição.

É importante ressaltar que a segmentação dos alimentadores também contribui para

o aumento da segurança dos dados que trafegam na rede já que reduz o número de

usuários compartilhando a banda no mesmo nó PLC.

5.7 SEGURANÇA NO TRABALHO

A segurança dos trabalhadores é um grande fator de preocupação já que os

equipamentos são instalados diretamente nas linhas de energia.

61

Dispositivos que permitem a passagem de sinais através de

transformadores/disjuntores não devem permitir a fuga de tensão, sob pena de

eletrocutarem os trabalhadores que desempenham tarefas no local. A solução mais

comumente empregada consiste em treinar as equipes de campo para a

identificação de dispositivos PLC, sensibilizando-os para o potencial de perigo

desses equipamentos.

5.8 TECNOLOGIAS CONCORRENTES E CONVERGENTES

Atualmente temos diversas tecnologias de transmissão de dados por banda larga

disponível e em crescente ascenção e que poderão ser utilizadas como instrumento

de comparação com a tecnologia PLC. Não podemos destacar que uma tecnologia

seja melhor que a outra, visto que cada uma possui características peculiares e suas

aplicações são definidas e podem ser complementares ou associativas da outra.

Essas tecnologias podem ser classificadas em:

• xDSL (Digital Subscriber Line): tecnologia utiliza a rede de telefonia como meio de

transmissão digital de dados. As velocidades típicas de download variam de 128

kilobits por segundo (kbps) até 24 Mbits/s dependendo da tecnologia implementada

e oferecida aos clientes. As velocidades de upload são menores do que as de

download para o ADSL e são iguais para o caso do SDSL.;

• Cable modem: tecnologia que utiliza as redes de transmissão de operadoras de TV

à cabos convencionais como meio de transmissão digital de dados em velocidades

que variam de 70 Kbps a 150 Mbps, fazendo uso da porção de banda não utilizada

pela TV a cabo;

• Rádio freqüência: tecnologia que utiliza um sistema de antenas interligadas entre

si, via ondas de rádio, que transmitem o sinal de dados direto ao cliente ou ao

condomínio.

62

• Conexão em banda larga via satélite: tecnologia que utiliza o satélite como um

receptor e transmissor de ondas de rádio. Através de uma antena parabólica

apontada para o satélite encarrega-se da transmissão e recepção dos sinais.

• Conexões sem fio: tecnologia de redes sem fios embarcados, por meio de

equipamentos que usam radiofrequência ou comunicação via infravermelho. Possui

os seguintes padrões e tecnologias: IrDA, ZigBee (IEEE 802.15.4), Bluetooth (IEEE

802.15.1), RONJA, Wi-Fi (IEEE 802.11), WiMAX (IEEE 802.16), Mesh. Cada

tecnologia tem suas propriedades e funções específicas.

Figura 22 - Tecnologias concorrentes e convergentes à tecnologia PLC.

63

6 ESTUDOS DE CASOS

A tecnologia PLC ainda está em fase de estudo no Brasil, sendo explorado por

algumas companhias energéticas como a COPEL, Eletropaulo, CEMIG, CELG e

Light, realizando testes com a tecnologia PLC de faixa larga. No mundo, os

primeiros testes com a tecnologia PLC se iniciaram na Europa, tendo como exemplo

a Espanha que desde 2003 autorizou a exploração comercial do sistema de acesso

à tecnologia PLC. Nos Estados Unidos, desde 2003 também existe os estudos da

implementação da tecnologia. A tabela abaixo dá uma visão geral dos países que

realizaram ou estão realizando testes com tecnologia PLC com suas respectivas

exploradoras.

Tabela 1 - Países com testes PLC e concessionárias exploradoras PAÍS EMPRESAS ELÉTRICAS PAÍS EMPRESAS ELÉTRICAS

EUA American Eletric Power Southern Eletric Consolidated Edison PPL Cinergy PEPCO Amerem

Finlândia Pori Energi Turku Energi Energi Rangers

Honduras Elite Hungria Novacom Peru Luz del Sur Arábia Saudita Electronia Chile Chilectra Dinamarca NESA África do Sul City of Tshwane Costa do Marfim

SIT Alemanha EmBW MVV Stadt Werke Hamein

Botswana Media Solutions Rússia Energomegasbit Egito Alcan Portugal EDP Israel ELLine Itália ENEL Kuweit ITS Suiça EEF/Sunrise

SIG Australia ETSA Adelaide França EDF Cingapura Singapore Telecom Noruega Lyse Energi Coréia Kepco Polônia Pattem Espanha Iberdrola

Endesa Suécia GEAB

Graninge Skanska

Estudos e projetos abrangentes estão sendo desenvolvidos com a tecnologia PLC

em todo mundo. Um projeto de grande envergadura mundial já citado

anteriormente, é o Projeto OPERA cujo objetivo consiste em desenvolver

procedimentos de aplicação da tecnologia PLC que possam vir a ser uma alternativa

64

de acesso a internet banda larga onde todos os usuários finais possam ser

alcançados. O projeto tem uma duração estimada de 48 meses e foi divido em duas

fases de 24 meses. A primeira iniciou em 2004 e teve sua finalização em abril de

2006. A segunda fase começou em janeiro de 2007 com término previsto em

dezembro de 2008. Este projeto possui 26 parceiros integrados, incluindo 11 países,

buscando alcançar um padrão comum para a tecnologia PLC.

6.1 REGULAMENTAÇÃO

No Brasil, a ANATEL, no exercício da função de administração do uso de

radiofreqüências, pode modificar a atribuição, destinação e distribuição de

radiofreqüências ou faixas de radiofreqüências; bem como suas consignações e

autorizações conforme o Regulamento de uso do espectro de radiofrequências,

anexo à resolução nº. 259 de 19 de abril de 2001.

A tecnologia PLC ainda não é regulamentada ainda no Brasil e, no resto do mundo

as regulamentações estão em estudos de andamento. Nos EUA, foi criada em 2000

a HomePlug Powerline Alliance composta de 13 grandes empresas para o

desenvolvimento de uma especificação que possa ser aceita globalmente para

rápida liberação, adoção e implementação, interoperabilidade e especificação de

produtos.

O primeiro encontro visando regulamentar a tecnologia PLC foi realizado pela

ANATEL com o apoio da Comissão Brasileira de Telecomunicações 7 (CBC-7), em 4

de novembro de 2003 que acabou gerando um modelo de regulamentação porém os

resultados deste encontro e outras reuniões não foram disponibilizados ao público

em geral. No entanto, a ANATEL tem provido discussões para criar uma

regulamentação do uso da tecnologia.

Atualmente, os estudos da tecnologia PLC se baseiam em duas normas:

65

• Norma americana FCC Part 15: única regulamentação mundial que determina

limites para radiação não-intencional proveniente de sistemas de telecomunicações

com fio. Situação estável e bastante experimentada, estabelecendo um limite de

30µV/m a uma distância de 30 metros e um fator de correção de 40dB/década para

outras distâncias. Ela permite qualquer comunicação via rede elétrica desde que a

portadora mais elevada esteja abaixo de 525kHz

• Norma européia CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique):

norma que define faixas de freqüências para cada tipo de transmissão. São

observadas as normas EN50065, “Sinais na rede elétrica de baixa tensão”, que

regulamenta os níveis de sinal, tipo de modulação, interferência com

eletrodomésticos, segurança dos desacopladores de isolamento e acopladores de

fase e impedância de eletrodomésticos e, a norma R205-006:1996, que define

protocolos de comunicação e integridade de dados e a interface para aplicações.

Essas regulamentações são utilizadas por vários anos em sistemas instalados nos

Estados Unidos e Canadá. Esta experiência e utilização seriam suficientes para

garantir a aplicabilidade da mesma como modelo na definição de uma

regulamentação para redes PLC no Brasil.

A ANATEL ainda não possui nenhuma exigência quanto à regulamentação para a

prestação de serviços que utilizam o PLC Indoor sendo que a ANATEL já certificou e

homologou alguns modelos de adaptadores HomePlug e modem PLC de forma que

haja compatibilidade, segurança, emissão de freqüência correta e o mínimo de

interferência entre os fabricantes. Porém a Consulta Pública nº. 38, de 25 de agosto

de 2008, que versa sobre "Proposta de Regulamento sobre Sistema de Acesso em

Banda Larga utilizando Rede de Energia Elétrica", permanece ainda sem resposta.

6.2 PROJETOS DE ESTUDO

66

6.2.1 Projeto Piloto da CEMIG

O projeto piloto de estudo da tecnologia PLC no Brasil, teve início em fevereiro de

2000, quando especialistas da concessionária CEMIG (Companhia Energética de

Minas Gerais) participaram de uma feira sobre PLC na cidade de Hanover,

Alemanha e visitaram o projeto piloto da empresa RWE na cidade de Essen. O

projeto piloto foi implementado pela CEMIG, na cidade de Belo Horizonte, nos

bairros Vila Paris e Belvedere no período de 01/12/2001 à 01/11/2002. O projeto

abrangeu diversos tipos de infra-estrutura elétrica, incluindo residências,

apartamentos e escolas públicas, totalizando 40 pontos ativos com uma banda de

2Mbps. Foram utilizados equipamentos da empresa suíça Ascom com um

investimento de R$ 200.000,00.

A estrutura utilizada funcionou através de um ambiente outdoor onde um Master

PLC junto ao transformador de energia conectado a um cable modem injetava o

sinal nas fases e no neutro do circuito secundário, sendo que mais a frente do

circuito era coletado e regenerado no medidor de energia do consumidor por um

Repetidor PLC. O sinal era então disponibilizado no ambiente indoor e captado por

um modem PLC através de uma tomada elétrica. O sinal era demodulado e

disponibilizado via porta USB ou Ethernet para o computador do consumidor.

No período de avaliação foram realizadas duas avaliações da qualidade do acesso

através de um formulário on-line, sendo a primeira realizada nos 05 primeiros

meses, tendo uma avaliação de 53% para conexões boas e ótimas e a segunda

realizada nos últimos 07 meses, tendo uma avaliação de 94% para conexões boas e

ótimas.

As principais causas de variações na qualidade do acesso foram: padrão da

instalação elétrica, número de conexões no circuito elétrico, tipo e quantidade de

cargas ligadas, carregamento do circuito elétrico externo, temperatura do ambiente e

tomada elétrica definida para conexão do modem PLC. Segundo a análise

conclusiva da CEMIG (2002), ficou evidenciado a influência da carga no

desempenho do sistema e a degradação do acesso devido ao aumento do

carregamento no sistema. Porém tal situação está relacionada diretamente com o

67

perfil do consumidor e sempre terá uma variação totalmente aleatória. Para isso, faz-

se necessário o desenvolvimento de módulos de correção dinâmica para compensar

eficientemente as constantes alterações do perfil da carga no sistema, visto que o

perfil de cargas do consumidor brasileiro é mais agressivo em relação ao consumo e

tipo e, a topologia da rede elétrica brasileira é desfavorável ao tráfego de sinais PLC

em comparação com a topologia adotada na Europa. Com isso, conclui-se que a

tecnologia PLC comercialmente é viável desde que haja alterações na

implementação de forma a coibir tais influencias.

6.2.2 Projeto da Copel Telecomunicações S/A

O projeto da COPEL teve início em 2004 sendo implementado na cidade de Curitiba,

estado do Paraná. O projeto abrangeu a infra-estrutura elétrica da cidade, através de

50 pontos de acesso entre residências e estabelecimentos comerciais atingindo uma

taxa de transmissão de 1,7 Mbps. Foram testados diferentes equipamentos PLC, em

parceria com diversos provedores de acesso com um investimento de R$

1.000.000,00

Os experimentos demonstraram que a tecnologia funciona, mas o custo de sua infra-

estrutura é alto, correspondendo a quase 50% da instalação de uma rede ADSL.

Outro problema identificado foi em relação à distância pois a tecnologia foi

satisfatória para equipamentos instalados em circuitos curtos, onde a distância entre

a fonte do sinal de dados e a unidade consumidora era de cerca de 300 metros.

Segundo Orlando César, consultor de Telecom da COPEL em entrevista para a

revista Computerworld (2007), a COPEL começa a dar seus primeiros passos para

chegar ao mercado inaugurando um projeto oferecendo conexão à internet pela rede

elétrica em banda ultra larga. O projeto visa atender um grupo de 300 consumidores

oferecendo uma taxa de transmissão de 100 Mbps.

68

Cada cliente vai ter, em sua casa, um modem de 100 MB. E só precisa conectar seu computador na tomada de energia. O projeto é a primeira aplicação que traz realmente wide band8 ao mercado. A idéia é oferecer ter uma rede A2A – any to any – qualquer serviço, de qualquer provedor para qualquer cliente (ORLANDO CÉSAR, 2007).

6.2.3 Projeto da Eletropaulo Metropolitana

A Eletropaulo está realizando desde 2004, na cidade de São Paulo abrangendo

grupos de 30 usuários em prédios e condomínios com taxas de transmissão de 45

Mbps. Até o presente momento não há dados conclusivos

6.2.4 Projeto Restinga

O projeto piloto Restinga, teve início em dezembro de 2006 sendo implementado por

uma parceria técnico-financeira entre a CEEE, CETA, Procempa e UFRGS, na

cidade de Porto Alegre, no bairro Restinga. O bairro Restinga foi o escolhido por ser

uma comunidade extremamente carente e isolada, com proximidade geográfica com

a capital.

O projeto abrangeu a infra-estrutura elétrica da Procempa interligada ao anel ótico

da CEEE a partir da subestação CEPA14 localizada no bairro Restinga, onde foram

estudados quatro pontos distintos: a Escola Municipal Alberto Pasquali, o Centro

Administrativo Restinga – Extremo Sul, a unidade operacional do SENAI AEP

Restinga e a unidade de saúde municipal SMS Macedônia. O projeto piloto atingiu

uma extensão linear de aproximadamente 3,5 km, transmitindo dados em alta

velocidade sobre a rede de média tensão energizada com 13,8 kV.

______________________

8 Termo utilizado para descrever uma ampla gama de freqüência em um espectro.

69

A estrutura utilizada funcionou através de um ambiente outdoor na subestação

CEPA14, onde um cabo de fibra ótica injetava o sinal na rede de média tensão

através de acopladores capacitivos. A cada 1200 metros era instalado um Repetidor

PLC para regenerar e reconstituir a perda do sinal. Junto aos transformadores de

média tensão para baixa tensão foram instalados equipamentos chamados Head

End que re-injetavam o sinal na rede elétrica de baixa tensão. O sinal era então

disponibilizado no ambiente indoor e captado por um modem PLC através de uma

tomada elétrica que demodulava o sinal e disponibilizava via porta USB ou Ethernet

para o computador do consumidor. A comunicação do Head End com o modem PLC

era do tipo ponto-a-ponto, ou seja, para cada Head End apenas um modem PLC era

conectado.

Segundo a Procempa (2007), através dá análise dos dados obtidos, pode-se

concluir que os custos da banda larga por PLC complementado por Wi-Fi, foram

sete vezes mais barato do que com fibra ótica e duas vezes mais barato do que uma

rede WiMAX.

6.2.5 Projeto “Ilha Digital” Barreirinhas

O projeto de estudo da tecnologia PLC na cidade de Barreirinhas, estado do

Maranhão, foi iniciado em junho de 2004. O projeto teve a participação da Celg,

Cemar, EBA PLC Group, FITec Inovações Tecnológicas, FourComm

Telecomunicações e Positivo Informática, com o apoio da ANATEL, Aneel e Sebrae-

RJ, onde abrangeu a infra-estrutura elétrica da cidade através da integração da rede

local com um canal de comunicação via satélite através de antena do programa

GESAC (Governo Eletrônico Serviço de Atendimento ao Cidadão) disponível no

município, com taxa de transmissão de 10Mbps e totalizando 03 pontos de acessos:

uma escola, um posto de saúde e um posto do SEBRAE.

Nesta experiência ficou evidente a simplicidade e rapidez com que se pode dar

conectividade a uma região, através da rápida instalação dos equipamentos em uma

70

infra-estrutura já existente, não necessitando de grandes investimentos e oferecendo

inclusão digital com serviços em regiões de difícil retorno econômico.

Uma segunda fase do projeto foi iniciada em 2007 com duração prevista para 02

anos com a ampliação dos pontos de acesso e a integração de outros órgãos como

Eletrobrás, Eletronorte e Eletropaulo. A taxa de transmissão foi aumentada para as

versões mais recentes dos equipamentos PLC que é de 200 Mbps.

71

Figura 23 - Esquema do Projeto “Ilha Digital” de Barreirinhas.

6.3 ESTUDOS CIENTÍFICOS

72

Os estudos sobre a tecnologia PLC no Brasil, crescem gradativamente. Um desses

estudos foi realizado em 2005 através do trabalho de conclusão de curso de

graduação em Engenharia de Computação chamado “Comunicação de dados

através da rede elétrica aplicado à automação residencial e predial: Hardware”.

O trabalho consistiu na confecção de um protótipo do sistema de controle PLC e a

utilização da estrutura de energia elétrica de um laboratório da Faculdade de

Engenharia de Sorocaba com 8 tomadas elétricas onde existiam máquinas elétricas

como motores bifásicos e trifásicos e grande número de microcomputadores

conectados. O resultado obtido foi a comunicação de dados de forma satisfatória e

esperada mesmo em um ambiente sujeito a níveis de ruído imprevisíveis, sendo que

a comunicação abrangeu todo o perímetro do local de testes. Pode se constatar

também que houve influência negativa de ruído, mas não prejudicial e, houve a

presença de atenuação do valor eficaz do sinal recebido ao longo da rede elétrica.

Outra conclusão foi que a distância entre as tomadas elétricas influencia diretamente

o funcionamento do sistema.

Outro estudo de grande importância foi realizado em 2007 através da dissertação de

mestrado do curso de Pós-graduação em Desenvolvimento de Tecnologia

denominado “Estudo Mercadológico da Tecnologia de Transmissão de Dados pela

Rede Elétrica”.

Segundo o estudo desenvolvido, foram abordados aspectos técnicos,

mercadológicos e sociológicos, que mostraram que a tecnologia PLC, da forma

como é apresentada, tem aceitação, aplicação e utilização dentro da realidade

brasileira, porém há algumas necessidades principalmente relacionadas à

regulamentação, interação com as tecnologias atuais e ampliação das aplicações no

mercado brasileiro com o diferencial na velocidade de acesso, segurança e custos

compatíveis.

Porém deve se avaliar o potencial da tecnologia PLC o mais breve possível para que

a mesma não seja ultrapassada por novas tecnologias concorrentes antes mesmo

de a sua maturidade ser alcançada por não mais suprir integralmente as

necessidades propostas antes de sua aplicação comercial.

73

O estudo mercadológico encontrou um consumidor ávido por informação e propenso

a inovação ao identificar que 75,6% dos respondentes consideraram a tecnologia

PLC inovadora, despertando interesse e curiosidade. Este dado torna-se ainda mais

relevante com a afirmação de que 80,7% dos pesquisados comprariam ou adeririam

à tecnologia PLC, demonstrando a aceitação da tecnologia pelos potenciais

consumidores. Outro fator analisado foi que a tecnologia PLC pode levar a uma

inclusão digital possibilitando o acesso e o conhecimento aos esquecidos e

exclusos, porém com um embassamento de ter como ponto de partida a visão de

mercado potencial para sua implantação, realizar investimentos com parcerias entre

setores públicos e privados e, prevendo ações sociais e assistencialistas com um

amplo espectro de entidades sendo atendidas pelas tecnologias.

Outro estudo de grande importância foi realizado em 2008 através do artigo “Análise

sobre a tecnologia PLC (Power Line Communication)” do SENAI/Florianópolis.

Nesse estudo foi comprovado que a distância de transmissão entre os modens PLC

é um fator determinante para atenuação dos sinais. Foi verificado também que há

influência da qualidade da energia elétrica para a transmissão, comprovado através

de testes utilizando um estabilizador de energia TS SHARA, modelo EVS

Professional, onde a onda portadora teve menor atenuação. Pode-se concluir que a

modulação mais adequada para baixas taxas de transmissão de dados pela rede

elétrica é a modulação FSK por possuir boa imunidade a ruídos e por funcionar com

elevado nível de atenuação, porém a modulação mais utilizada atualmente é a

OFDM, por possibilitar altas taxas de transmissão de dados pela rede elétrica. Em

outra análise, foi inserido na rede elétrica um inversor de freqüência da WEG modelo

CFW08, a fim de gerar bastante ruído na rede elétrica analisando assim o

comportamento do sinal PLC, porém não ocorreram problemas na comunicação. Em

outra análise desse mesmo estudo, foi realizado um teste de perturbação na rede

elétrica de 220V de corrente alternada, através de um liquidificador marca Arno de

modelo antigo que possui motor elétrico de contatos com escovas que ocasionam

bastante ruído na rede elétrica, sendo que os modens PLC operaram normalmente.

74

7 CONCLUSÃO

A proposta deste trabalho foi analisar a tecnologia PLC estudando as suas

vantagens e desvantagens e fazendo uma análise de alguns estudos viabilizados no

Brasil, de forma a estudar a sua aplicabilidade. Segundo a APTEL (2003), a

tecnologia PLC pode se tornar como um potencial concorrente dos principais meios

de acesso à Internet em banda larga.

A tecnologia PLC apresenta como uma das principais vantagens, a utilização da

infra-estrutura da rede de energia elétrica já existente que, segundo o IBGE (2008),

se faz presente em 98% das unidades consumidoras do território brasileiro. Essa

estrutura de alta capilaridade aliada ao baixo valor de investimento, pode atingir uma

gama significativa de consumidores, o que certamente contribui para uma inclusão

digital (acesso aos dados) de uma parte da população carente de informação e

excluída digital e socialmente, podendo ser o ponto de partida para sua aplicação

como uma fonte alternativa e barata. Não há tecnologia que solucione estes

problemas isoladamente e de forma instantânea.

As tecnologias concorrentes também é outro ponto de grande importância, pois o

uso da tecnologia PLC em determinados ambientes pode levar a uma convergência

no mercado de telecomunicações. A tecnologia PLC não veio em substituição de

outros serviços e sim como uma nova alternativa, podendo assim diminuir custos e

melhorar a qualidade devido à uma concorrência.

No entanto, o sistema de energia elétrica brasileiro não foi projetado para

transmissão de dados e em comparação com a implementação em países da

Europa e Estados Unidos da América, nossa malha elétrica é bastante hostil, o que

necessitaria de uma adaptação, afim de, evitar a instabilidade na rede causada pela

interferência de aparelhos eletrônicos. Com isso, faz-se necessário o estudo da

redução de interferências com a utilização de recursos lógicos como algoritmo FEC

e o protocolo CSMA/CA e, a utilização de filtro de linha contra interferências na rede

elétrica, de forma similar aos filtros de telefonia ADSL. Experiências bem-sucedidas

75

neste sentido começaram a acontecer recentemente, graças ao método de

modulação de sinais OFDM e Spread Sprectum.

A regulamentação para a tecnologia PLC ainda não foi aprovada pela ANATEL,

tendo como base a norma americana FCC e a norma européia CENELEC. Apenas a

utilização de modem PLC e adaptador HomePlug para rede local foram liberados

onde algumas marcas já foram certificadas e homologadas pela ANATEL de forma

que haja compatibilidade, segurança, emissão de freqüência correta e o mínimo de

interferência entre os fabricantes.

No entanto, os estudos que estão em realização não possuem grandes efeitos se

não houver o interesse e investimento das empresas de tecnologia e as

concessionárias elétricas, no intuito de facilitar este mercado nos termos de

homologação e regulamentação das freqüências e serviços de forma que todo esse

potencial não seja ultrapassada por novas tecnologias concorrentes pelo simples

fato de não mais suprir integralmente as necessidades propostas antes de sua

aplicação comercial.

Com isso, é necessário que haja parceria entre concessionárias de energia elétrica e

de telecomunicações, pois essa nova tecnologia possibilita atender as necessidades

internas dessas empresas, assim como permitir a oferta de serviços de comunicação

em banda larga.

Alavancada como uma esperança por um grande número de profissionais e,

considerada um fracasso por alguns opositores, a tecnologia PLC vem ganhando

seu espaço a fim de obter sua homologação no Brasil, pois já atingiu um nível de

maturidade capaz de ser experimentada comercialmente e ser exposta ao mercado.

76

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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