AVALIAÇÃO TECNOLÓGICA DO “PLC IN HOME”
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UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES AVALIAÇÃO TECNOLÓGICA DO “PLC IN HOME” TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO SUBMETIDO À UNIVERSIDADE REGIO- NAL DE BLUMENAU PARA A OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS NA DISCIPLINA COM NOME EQUIVALENTE NO CURSO DE ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES MARÍLIA MUNHOZ DA ROCHA ZIMMERMANN BLUMENAU, 2004
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UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES
AVALIAÇÃO TECNOLÓGICA DO “PLC IN HOME”
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO SUBMETIDO À UNIVERSIDADE REGIO-NAL DE BLUMENAU PARA A OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS NA DISCIPLINA COM NOME EQUIVALENTE NO CURSO DE ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES
MARÍLIA MUNHOZ DA ROCHA ZIMMERMANN
BLUMENAU, 2004
AVALIAÇÃO TECNOLÓGICA DO “PLC IN HOME”
MARÍLIA MUNHOZ DA ROCHA ZIMMERMANN
ESTE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO FOI JULGADO ADEQUADO PARA OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS NA DISCIPLINA DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE
CURSO OBRIGATÓRIA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE:
ENGENHEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES
______________________________________
Prof. Marcelo Grafulha Vanti – Coordenador
___________________________________________________
Prof. Francisco Adell Péricas – Orientador
BANCA EXAMINADORA ______________________________________
Prof. Orlando Jose Tobias
______________________________________
Prof. Ricardo José de Oliveira Carvalho
BLUMENAU, 2004
AGRADECIMENTOS
Muitas pessoas contribuíram para a realização do meu Trabalho de Conclusão de Curso.
Sem os seus valorosos incentivos, troca de idéias e experiências certamente o bom resultado
deste trabalho estaria prejudicado.
Diz-se dos grandes mestres que suas grandes virtudes, muito além de indicar a linha de
pensamento a ser seguida, residem em oferecer aos seus discípulos as várias opções possíveis
para alcançar o objetivo. Por esta razão o meu orientador e colaboradores enquadram-se per-
feitamente nesta assertiva.
Minha gratidão vai para todos que me ajudaram com isenção e ânimo, em especial ao
meu orientador Francisco Adell Péricas que encampou a minha idéia e foi incansavelmente
entusiasta no desenvolvimento da mesma.
Agradeço também ao Departamento de Engenharia Elétrica e Telecomunicações na pes-
soa dos professores Eduardo Deschamps, Fábio Luis Perez e Sergio Henrique Cabral pelo
grande incentivo e suporte técnico que viabilizaram a minha proposta.
Meu reconhecimento vai também para o professor Mauro Marcelo Mattos por suas va-
lorosas orientações no cenário do PLC.
Por fim, não poderia esquecer o apoio recebido de minha família, que como sempre,
propiciou um ótimo ambiente de estudo em casa. Também sou muito grata a minha tia, Eng.
Maria Alice Essenfelder, de Curitiba, por seus levantamentos bibliográficos na Universidade
Federal do Paraná.
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SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS...............................................................................................................6
LISTA DE TABELAS..............................................................................................................8
RESUMO...................................................................................................................................9
ABSTRACT ............................................................................................................................10
1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................................10
1.1. JUSTIFICATIVA ..........................................................................................................12 1.2. OBJETIVOS..................................................................................................................12 1.3. ESTRUTURA................................................................................................................13
2. A REDE ELÉTRICA COMO CANAL DE COMUNICAÇÃO.....................................15
2.1. HISTÓRICO..................................................................................................................15 2.2. O SISTEMA DE FORNECIMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA ..............................16
2.2.1 Nível de alta tensão .................................................................................................18
2.2.2. O nível de média tensão .........................................................................................18
2.2.3. Nível de baixa tensão..............................................................................................19
2.3. CANAL DE COMUNICAÇÃO DE REDE ELÉTRICA..............................................19 2.3.1. Condutor elétrico ....................................................................................................22
2.3.2. Multipercurso .........................................................................................................24
2.3.3 Distorção..................................................................................................................27
2.3.4. Largura de banda ....................................................................................................27
2.3.5. Radiação do sinal transmitido ................................................................................30
2.3.6. Casamento de impedância ......................................................................................31
2.3.7. Relação sinal/ruído .................................................................................................31
2.3.8. Comportamento variante no tempo da rede elétrica...............................................33
2.3.9. Modelo de canal para o PLC ..................................................................................34
2.4. ANÁLISE DO RUÍDO IMPULSIVO NO CANAL PLC.............................................36 2.4.1. Ruído colorido de fundo.........................................................................................37
2.4.2. Ruído de faixa estreita ............................................................................................38
2.4.3. Ruído impulsivo periódico .....................................................................................38
2.4.4. Ruído impulsivo periódico – síncrono com a freqüência da rede ..........................39
2.4.5. Ruído impulsivo assíncrono ...................................................................................39
3. PADRÕES UTILIZADOS NA TECNOLOGIA PLC.....................................................40
3.1. CTP - CARRIER TRANSMISSION OVER POWER LINE........................................41
5
3.1. CONSIDERAÇÕES SOBRE TÉCNICAS DE BROADBAND...................................44 3.1.1. Fundamentos de um sistema SS .............................................................................45
3.1.2. Imunidade à perturbação ........................................................................................46
3.2. SINGLE-CARRIER MODULATION AND CDMA....................................................48 3.3. OFDM............................................................................................................................52 3.4. PLC IN HOME..............................................................................................................57
4. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO DE AVALIAÇÃO DO “PLC IN HOME” ..59
4.1. REQUISITOS DA AVALIAÇÃO ................................................................................59 4.2. PROJETO LÓGICO E FÍSICO DE REDE ...................................................................59
4.2.1. Dispositivos utilizados............................................................................................60
4.3. IMPLANTAÇÃO DA REDE E TESTES .....................................................................62 4.3.1. Distância de 3 metros entre os adaptadores............................................................64
4.3.2. Distância de 30 metros entre os adaptadores..........................................................66
4.3.3. Distância de 36 metros entre os adaptadores..........................................................68
4.3.4. Distância de 42 metros entre os adaptadores..........................................................70
4.3.5. Distância de 62 metros entre os adaptadores..........................................................72
4.3.6. Distância de 108 metros entre os adaptadores........................................................74
4.4. ANÁLISE DOS RESULTADOS ..................................................................................76 5. CONCLUSÃO.....................................................................................................................82
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Estrutura de um sistema típico de fornecimento de energia elétrica e dados. __ 17 Figura 2 – Um sistema de comunicação digital para o canal das linhas de energia.______ 20 Figura 3 – Esquema de uma tomada universal.___________________________________ 23 Figura 4 – Tensões elétricas e as correspondentes fases entre as tensões. ______________ 24 Figura 5 – Perturbação intersimbólica decorrente das diferenças temporais entre os sinais recebidos. ________________________________________________________________ 25 Figura 6 – Estrutura da rede elétrica. __________________________________________ 26 Figura 7 – As bandas de freqüência no padrão CENELEC. _________________________ 29 Figura 8 – Pesquisas espectrais para o PLC. ____________________________________ 30 Figura 9 – Modelo de uma topologia física da rede elétrica. ________________________ 34 Figura 10 – Principais obstáculos enfrentados na transmissão de dados: ruído, atenuação e distorção. ________________________________________________________________ 35 Figura 11 – Intempéries presentes no canal da linha de energia elétrica. ______________ 35 Figura 12 – Modelo simplificado do canal da linha de energia elétrica. _______________ 36 Figura 13 – A linha de energia elétrica em função da potência e freqüência, bem como sua resposta ao ruído.__________________________________________________________ 37 Figura 14 – Esquema de modulação utilizada no PLC. ____________________________ 44 Figura 15 – Conceito de Comunicação Spread Spectrum. __________________________ 45 Figura 16 – Recuperação do sinal com perturbação, a) sinal recebido, b) resultado do operador �-1( ) (despreading), c) resultado do operador F( ). _______________________ 48 Figura 17 – Seqüência direta e CDMA._________________________________________ 49 Figura 18 – Diagrama em blocos do Transmissor e Receptor de sinais OFDM. _________ 54 Figura 19 – Processo de inserção do prefixo cíclico e seu espectro correspondente. _____ 55 Figura 20 – Sinal OFDM com cinco portadoras. _________________________________ 56 Figura 21 – Modulação OFDM de um sistema wireless.____________________________ 57 Figura 22 – Topologia de instalação de rede em ambiente SOHO. ___________________ 58 Figura 23 – Planta elétrica utilizada para avaliação do “PLC in Home”. _____________ 60 Figura 24 – Adaptador Wi-plug CEP. __________________________________________ 61 Figura 25: a) Cabo de rede com conectores RJ-45 machos. b) placa de rede conectada ao cabo de rede c) o adaptador com o cabo de rede e conectado à tomada. _______________ 62 Figura 26 – Forma de onda de tensão da rede elétrica comercial (escala de 4 ms). ______ 62 Figura 27 – Detalhe da forma de onda de tensão da rede elétrica sem a transmissão de dados (escala de 100 ms). _________________________________________________________ 63 Figura 28 – Detalhe da forma de onda de tensão da rede elétrica com a transmissão de dados (escala de 100 ms). _________________________________________________________ 63 Figura 29 – Taxa de transmissão da rede sem perturbações: 4082 Kbps. ______________ 64 Figura 30 – Taxa de transmissão da rede com um aspirador de pó ligado entre os adaptadores: 3703 Kbps. ____________________________________________________ 64 Figura 31 – Taxa de transmissão da rede com um secador de cabelo entre os adaptadores: 3901 Kbps. _______________________________________________________________ 65 Figura 32 – Taxa de transmissão da rede com uma furadeira elétrica entre os adaptadores: 3838 Kbps. _______________________________________________________________ 65 Figura 33 – Taxa de transmissão da rede sem perturbações: 3007 Kbps. ______________ 66
7
Figura 34 – Taxa de transmissão da rede com um aspirador de entre os adaptadores: 2562 Kbps . ___________________________________________________________________ 67 Figura 35 – Taxa de transmissão da rede com um secador de cabelo entre os adaptadores: 3211 Kbps. _______________________________________________________________ 67 Figura 36 – Taxa de transmissão da rede com uma furadeira elétrica entre os adaptadores: 3142 Kbps. _______________________________________________________________ 67 Figura 37 – Taxa de transmissão da rede sem perturbações: 3087 Kbps. ______________ 68 Figura 38 – Taxa de transmissão da rede com um aspirador de pó entre os adaptadores: 1451 Kbps. _______________________________________________________________ 68 Figura 39 – Taxa de transmissão da rede com um secador de cabelo entre os adaptadores: 2308 Kbps. _______________________________________________________________ 69 Figura 40 – Taxa de transmissão da rede com uma furadeira elétrica entre os adaptadores: 2944 Kbps. _______________________________________________________________ 69 Figura 41 – Taxa de transmissão da rede sem perturbações: 2940 Kbps. ______________ 70 Figura 42 – Taxa de transmissão da rede com um aspirador de pó entre os adaptadores: 1460 Kbps. _______________________________________________________________ 70 Figura 43 – Taxa de transmissão da rede com um secador de cabelo entre os adaptadores: 2079 Kbps. _______________________________________________________________ 71 Figura 44 – Taxa de transmissão da rede com uma furadeira elétrica entre os adaptadores: 2714 Kbps. _______________________________________________________________ 71 Figura 45 – Taxa de transmissão da rede sem perturbações: 2014 Kbps. ______________ 72 Figura 46 – Taxa de transmissão da rede com um aspirador de pó entre os adaptadores: 1251 Kbps. _______________________________________________________________ 72 Figura 47 – Taxa de transmissão da rede com um secador de cabelo entre os adaptadores: 1494 Kbps. _______________________________________________________________ 73 Figura 48 – Taxa de transmissão da rede com uma furadeira elétrica entre os adaptadores: 1967 Kbps. _______________________________________________________________ 73 Figura 49 – Taxa de transmissão da rede sem perturbações: 345 Kbps._______________ 74 Figura 50 – Taxa de transmissão da rede com um aspirador de pó entre os adaptadores: 320 Kbps.____________________________________________________________________ 75 Figura 51 – Taxa de transmissão da rede com um secador de cabelos entre os adaptadores: 291 Kbps. ________________________________________________________________ 75 Figura 52 – Taxa de transmissão da rede com uma furadeira elétrica entre os adaptadores: 373 Kbps. ________________________________________________________________ 76 Figura 56 – Taxas de transmissão para a rede (a) sem perturbações, (b) com um aspirador de pó, (c) com um secador de cabelo e (d) com furadeira elétrica, entre os adaptadores. __ 77 Figura 57 – Taxas de transmissão considerando uma distância de 3 metros. ___________ 79 Figura 58 – Taxas de transmissão considerando uma distância de 30 metros. __________ 79 Figura 59 – Taxas de transmissão considerando uma distância de 36 metros. __________ 79 Figura 60 – Taxas de transmissão considerando uma distância de 42 metros. __________ 79 Figura 61 – Taxas de transmissão considerando uma distância de 62 metros. __________ 80 Figura 62 – Taxas de transmissão considerando uma distância de 108 metros. _________ 80 Figura 63 – Comparação entre todas as taxas de transmissão obtidas experimentalmente. 81
8
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Distâncias máximas aceitáveis. ______________________________________ 42
Tabela 2 – Propriedades do operador �( ). _____________________________________ 46
Tabela 3 – Comparação dos esquemas de modulação para o PLC (+ + excelente, + bom, 0
justo, - ruim, - -muito ruim).__________________________________________________ 52
Tabela 4 – Taxas de transmissão obtidas durante os testes. _________________________ 76
Tabela 5 – Comparação entre os valores fornecidos pelo fabricante dos adaptadores e os
valores testados. ___________________________________________________________ 78
RESUMO
O sistema de distribuição de energia elétrica em baixa tensão forma atualmente a maior
rede instalada no planeta, sendo acessível em praticamente qualquer lugar. O nível de capila-ridade, bem como o número de usuários conectados a esta rede, fazem com que seja, de certa forma, luxúria o fato de esta ser utilizada exclusivamente para o fornecimento unilateral de energia elétrica. Este trabalho trata de uma segmentação do PLC, o “PLC in Home”, que visa um enlace de comunicação de dados limitado à distância e sem a necessidade de que os dados trafeguem pelos transformadores da rede de distribuição elétrica.
Palavras Chaves: PLC, OFDM, Comunicação Digital.
10
ABSTRACT
Currently the low-voltage electric energy distribution system constitute the largest in-stalled network of the planet, being accessible practically anywhere. The capillarity level, as well as the number of users connected to this network, make it, in a certain way, seems luxury the fact that it is used exclusively for the unilateral supply of electric energy. This work re-gards a segmentation of the PLC, “PLC in Home”, which aims at a data communication link limited to distance and without the necessity of having the data passing through the trans-formers of electric distribution network.
Keywords: PLC, OFDM, Digital Communication.
10
1. INTRODUÇÃO
O uso da rede de distribuição de energia elétrica (tanto a primária quanto a secundária)
como meio de propagação de sinais de comunicação é conhecido há mais de 80 anos. Recen-
temente, com a crescente demanda por serviços de telecomunicações, vem sendo investigado
o uso da rede de distribuição de energia elétrica como meio alternativo de transmissão rápida
de blocos de informação (PODSZECEK, 1972). Esta tecnologia é denominada Power Line
Communication (PLC).
O sistema de distribuição de energia elétrica em baixa tensão forma atualmente a maior
rede instalada no planeta, sendo acessível em praticamente qualquer lugar. O nível de capila-
ridade – em praticamente qualquer ambiente, seja ele residencial ou comercial, existe uma
tomada de energia elétrica – bem como o número de usuários conectados a esta rede, fazem
com que seja, de certa forma, luxúria o fato de esta ser utilizada exclusivamente para o forne-
cimento unilateral de energia elétrica.
Com a crescente demanda por interconexões de sistemas em Small Office/Home Office
(SOHO), ambientes que muitas vezes estão situados em edifícios antigos, tombados ou de
difícil acesso, surge uma inovadora segmentação do PLC. Esta por sua vez, visa um enlace de
comunicação de dados limitado à distância e sem a necessidade de que os dados trafeguem
pelos transformadores da rede de distribuição elétrica.
No presente trabalho pretende-se realizar uma avaliação tecnológica prática e uma fun-
damentação teórica desta segmentação do PLC, o “PLC in Home” (Power Line Communica-
tion in Home), documentando detalhadamente todos os aspectos que possibilitam a transfor-
mação de toda a infra-estrutura elétrica de uma residência ou edifício em uma rede local de
11
dados, onde cada tomada passa a ser vista como um ponto de acesso simples de uma rede de
difusão.
12
1.1. JUSTIFICATIVA
Atualmente há um expressivo crescimento no número de pequenas redes de comunica-
ção em ambientes como casas e escritórios. Caixas registradoras, alarmes contra furtos ou
arrombamentos, computadores e seus periféricos estão confinados em pequenas redes interco-
nectadas. Diversas tecnologias alternativas de rede são intrinsecamente desejadas no projeto
destas pequenas redes, que muitas vezes estão alocadas em lugares de difícil acesso e de pou-
ca praticidade. Muitas destas tecnologias permanecem dispendiosas, demasiadamente limita-
das ou de difícil instalação nos edifícios já existentes. Um meio de comunicação que começa
a ser efetivamente utilizado na implementação destas redes é a linha de energia elétrica (Po-
werline).
Este trabalho é motivado por um grande interesse na aplicabilidade das linhas de ener-
gia como meio alternativo de propagação de sinais de comunicação em ambientes domésticos.
Esta avaliação da tecnologia “PLC in Home” proporcionará um embasamento teórico e práti-
co para um projeto de rede de comunicação em um laboratório de telecomunicações da Uni-
versidade Regional de Blumenau - FURB. Tendo em vista que este assunto envolve diversas
áreas do universo das Telecomunicações, como o estudo das redes de computadores, a trans-
missão de sinais e os sistemas de comunicações, o êxito deste trabalho poderá se tornar uma
referência para futuros projetos a serem desenvolvidos, já que a bibliografia publicada, no
presente Estado da Arte, encontra-se na língua inglesa.
1.2. OBJETIVOS
13
O objetivo deste trabalho é avaliar a utilização do “PLC in Home” através de uma ins-
peção tecnológica e de um estudo teórico. Este desenvolvimento envolve a implementação de
uma Intranet para fins de testes e experiências práticas.
Os objetivos específicos deste trabalho são:
a) investigar as principais características de uma Intranet que utiliza, como meio de
transmissão, as linhas de energia de uma rede elétrica já existente em um ambiente SOHO.
b) implementar esta rede de comunicação com a tecnologia “PLC in Home” para a rea-
lização de testes e validação tecnológica. Figuram nos testes a determinação de requisitos
como:
��capacidade máxima de transmissão de dados;
��distância máxima entre os adaptadores que garante à rede um throughput mínimo;
��estabilidade da rede quando outros aparelhos forem ligados em tomadas desta Intranet.
1.3. ESTRUTURA
Este trabalho está subdividido em capítulos que serão citados a seguir.
O primeiro capítulo apresenta a contextualização e justificativa para o desenvolvimento
da proposta de trabalho.
O segundo capítulo aborda um histórico e fundamentação da comunicação de dados uti-
lizando a rede elétrica como canal de comunicação.
O terceiro capítulo focaliza os padrões utilizados na tecnologia PLC.
O quarto capítulo trata da implantação de um link de comunicação entre dois computa-
dores utilizando a tecnologia “PLC in Home”.
14
O quinto capítulo expõe as considerações finais e conclusões do desenvolvimento deste
trabalho.
15
2. A REDE ELÉTRICA COMO CANAL DE COMUNICAÇÃO
2.1. HISTÓRICO
A primeira técnica que possibilitou a utilização da rede de distribuição de energia elétri-
ca para a transmissão de alguns sinais de controle foi desenvolvida no início da década de
1950. O método, conhecido como Ripple Control, era caracterizado pela utilização de baixas
freqüências (100-900 Hz), possibilitando comunicação a taxas bem baixas e necessitando de
alta potência para transmissão. O sistema possibilitava comunicação unidirecional, sendo uti-
lizado para tarefas simples como acionamento da iluminação pública e o controle de carga.
Novos sistemas com taxas ainda modestas foram desenvolvidos até a década de 1980 (DOS-
TERT, 2001).
As primeiras investigações no sentido de analisar as características da rede elétrica e as
reais capacidades da mesma como canal para comunicações foram conduzidas por algumas
empresas de energia na Europa e nos Estados Unidos, ainda nos anos 80. As faixas entre 5 –
500 kHz eram as mais consideradas e dois fatores tiveram predominância nestes estudos: a
relação sinal/ruído e a atenuação do sinal na rede (PIANOWOSKY, 2003).
Sistemas capazes de fornecer comunicação de forma bidirecional através da rede de dis-
tribuição foram obtidos apenas na década de 1990, sendo marcados pela utilização de fre-
qüências mais elevadas e menores níveis de potência transmitida.
Com o mesmo objetivo, em 1991 o Dr. Paul Brown, da NorWeb Communications, ini-
ciou as pesquisas nesse sentido. Foi então que ele chegou à conclusão de que seria possível
utilizar a estrutura de rede elétrica existente, de forma a possibilitar o envio de dois ou mais
16
sinais simultâneos, variando a freqüência, sem que houvesse sobreposição espectral desses.
Isso permitiria a distribuição de sinais de energia e dados.
A partir destas pesquisas, deu-se início ao projeto Digital Powerline (DPL), cujo desafio
passou a ser o de promover serviços de Internet com conexão permanente, transmitindo dados
sobre a rede elétrica existente a velocidades acima de 1Mbps. Isso significa ser cerca de dez
vezes mais rápido do que as atuais redes digitais existentes e no mínimo vinte vezes mais ve-
lozes do que os modens existentes.
Com a tecnologia DPL é possível enviar dados em ambas as direções, transmitindo voz,
áudio com qualidade de CD, vídeo conferência, etc., permitindo assim a interconexão de resi-
dências, escritórios, escolas e universidades, a um custo razoavelmente baixo.
2.2. O SISTEMA DE FORNECIMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA
A rede de energia elétrica é uma ampla infraestrutura que cobre a grande maioria das
áreas habitadas do planeta. Uma análise das estruturas típicas da rede, em diferentes níveis de
tensão do sistema de fornecimento de energia elétrica, é mostrada na figura 1. Pode-se distin-
guir três níveis: o nível de alta tensão (>100kV), o nível de média tensão (1-100kV), e o nível
de baixa tensão (< 1kV), cada um adaptado para alcançar certas distâncias. Os níveis de ten-
são são interconectados por transformadores, projetados a fim de reduzir ao máximo as perdas
de energia na freqüência da rede (50 ou 60 Hz). Para as elevadas freqüências portadoras, utili-
zadas na comunicação de dados, os transformadores são obstáculos “naturais” para a transfe-
rência de dados.
17
Figura 1 – Estrutura de um sistema típico de fornecimento de energia elétrica e dados.
Fonte: DOSTERT (2001).
Apesar de permitirem a passagem de corrente alternada a 50 Hz ou 60 Hz com quase
100% de eficiência, os transformadores atenuam seriamente outros sinais de maior freqüência.
Estes equipamentos funcionam, nas freqüências tipicamente utilizadas para comunicação,
como filtros, isolando, sob o aspecto da transmissão de sinais, os diferentes níveis de tensão.
Para as discussões seguintes se faz necessária a distinção entre redes de transmissão e de
distribuição, que são respectivamente o nível de média e de baixa tensão.
As redes de distribuição foram inicialmente projetadas para transmitir energia elétrica
de forma eficiente, assim estas não são adaptadas para fins de comunicação, fazendo com que
seja necessário o emprego de técnicas avançadas (PODSZECEK, 1972). Devido às caracterís-
ticas especiais da rede de distribuição como canal de comunicação, investigações profundas e
detalhadas deverão ser feitas para garantir a utilização da mesma de forma eficiente para fins
de transmissão de dados.
18
2.2.1 Nível de alta tensão
Utilizado para interligar os centros de geração aos centros de consumo, geralmente per-
correndo grandes distâncias, este nível de tensão é marcado principalmente pelas perdas por
efeito Joule, pelas descargas oriundas do efeito corona (que também introduzem componentes
de alta freqüência na rede) e por capacitâncias e indutâncias parasitas.
Para este nível de tensão, com a freqüência AC técnica de 50 ou 60 Hz, o comprimento
de onda correspondente nas linhas aéreas é de 6000 ou 5000 km, respectivamente. Isto explica
o porquê de se considerar os efeitos de propagação de onda em redes estendidas e sem assu-
mir as condições do tipo DC. A maior linha de alta tensão no oeste da Europa se estende por
mais de 500 km (DOSTERT, 2001).
2.2.2. O nível de média tensão
Este nível é responsável pela interligação das subestações com os centros distribuídos
de consumo, podendo também ser utilizado no fornecimento de energia elétrica a consumido-
res de maior porte como indústrias ou prédios.
As redes de média e baixa tensão são construídas através de linhas aéreas e cabos, onde
os cabos são geralmente subterrâneos. As linhas aéreas de média tensão possuem valores no-
minais de tensão abaixo de 110 kV, os valores típicos são entre 10 e 20 kV. As linhas aéreas
de média tensão fornecem normalmente energia elétrica para áreas rurais, pequenas cidades,
companhias industriais ou fábricas. O comprimento típico destas linhas é entre 5 e 25 km
(DOSTERT, 2001).
19
2.2.3. Nível de baixa tensão
Este é o nível de tensão que efetivamente chega à maioria das unidades consumidoras
derivando do secundário do transformador abaixador. A natureza dinâmica com que as cargas
são inseridas e removidas da rede, as emissões conduzidas provenientes dos equipamentos e
as perturbações de diferentes naturezas fazem deste ambiente o mais hostil, para a transmissão
de sinais, dentre os três níveis de tensão apresentados.
Neste nível as linhas aéreas são ainda encontradas em pequenas cidades e em áreas com
prédios relativamente antigos. Para este nível de tensão os raios de fornecimento típico, a par-
tir de um transformador de baixa tensão, são de 100 a 500 m (DOSTERT, 2001).
2.3. CANAL DE COMUNICAÇÃO DE REDE ELÉTRICA
Um canal de comunicações é o caminho físico entre um transmissor e um receptor, sen-
do que a rede de baixa tensão consiste de muitos canais, cada um com suas próprias caracte-
rísticas e qualidade (ALENCAR, 2002).
A figura 2 mostra um sistema de comunicação digital utilizando as linhas de energia
elétrica como um canal de comunicação. O transmissor é mostrado à esquerda e o receptor à
direita. Alguns parâmetros significativos do sistema de comunicação são a impedância de
saída, Zt, do transmissor e a impedância de entrada, Zl, do receptor.
20
Figura 2 – Um sistema de comunicação digital para o canal das linhas de energia.
Fonte: ALENCAR (2002).
Um circuito acoplador (coupling circuit) é utilizado para conectar o sistema de comuni-
cação à rede de energia elétrica. Há dois propósitos para o uso do circuito acoplador. Primei-
ramente, ele previne que o sinal prejudicial de 50 ou 60 Hz, utilizado na distribuição de ener-
gia, entre no equipamento. O segundo propósito é a certificação de que a maior parte do sinal
recebido ou transmitido esteja dentro da banda de freqüência utilizada para a comunicação.
Isto aumenta a capacidade do receptor e garante que o transmissor não introduza sinais de
perturbação no canal.
A rede de energia elétrica é um meio extremamente hostil como canal de comunicações.
Mesmo a simples conexão entre duas tomadas de energia elétrica, em uma mesma instalação,
apresenta uma função de transferência bastante complicada, devido principalmente à falta de
casamento entre as impedâncias das cargas nas terminações da rede. Desta forma as respostas
em amplitude e fase variam, numa faixa bem extensa, com a freqüência. Em algumas fre-
qüências, o sinal transmitido pode chegar ao receptor com poucas perdas, enquanto em outras
freqüências, o sinal pode ser recebido com um nível de potência abaixo daquele apresentado
pelo ruído, sendo completamente corrompido pelo canal.
21
O fato da função de transferência variar bastante com a freqüência já não é um proble-
ma simples, contudo este não é o único aspecto. A função de transferência do canal PLC varia
também com o tempo. Isto ocorre devido à natureza dinâmica com que as cargas são inseridas
ou removidas da rede elétrica ou mesmo devido a alguns dispositivos que apresentam impe-
dâncias que variam com tempo, como as fontes chaveadas ou ainda alguns tipos de motores
(PINAWOSKI, 2003).
Como resultado o canal pode apresentar, em algumas faixas, boa qualidade para a
transmissão, enquanto em outras o canal pode ter uma capacidade bastante limitada. Devido
às propriedades de variância com a freqüência e com o tempo, uma utilização eficiente da
rede elétrica como meio de comunicações requer uma abordagem adaptativa que compense de
alguma forma as variações da função de transferência do PLC.
Adicionalmente às questões relacionadas com a função de transferência do canal, outras
condições significativas a serem consideradas são as perturbações presentes na rede. As mais
severas fontes de perturbação raramente apresentam propriedades similares àquelas do ruído
AWGN (Additive White Gaussian Noise), ao contrário, as perturbações podem ser do tipo
impulsivo ou apresentar uma natureza seletiva em freqüência, ou mesmo ambas.
Típicas fontes de ruído, presentes na rede elétrica, são: motores com escovas, fontes
chaveadas, reatores para iluminação e os dimmers, dentre outras. Estes equipamentos introdu-
zem componentes de alta freqüência na rede caracterizando as “emissões conduzidas”. Cons-
tituindo outra forma de inserção de ruído, as “emissões irradiadas” são aquelas provenientes
de emissoras de rádio em geral, ou mesmo de alguns equipamentos como aqueles citados an-
teriormente.
22
O impacto destas diferentes fontes de perturbação no sistema é que em um pacote de
dados recebido, o número de erros pode ser considerável, necessitando de alguma forma de
correção.
A rede de distribuição de energia elétrica em baixa tensão difere consideravelmente em
topologia, estrutura e propriedades físicas se comparada a outros meios convencionais utiliza-
dos para a transmissão de sinais, tais como o par trançado, o cabo coaxial ou a fibra ótica.
Além disso, tais redes não foram concebidas com a finalidade de fornecer tais serviços, sendo
projetadas para o fornecimento eficiente de energia elétrica (PINAWOSKI, 2003).
Alguns trabalhos publicados recentemente apresentam uma estratégia que considera o
canal PLC como uma “caixa preta” onde a resposta em freqüência do mesmo na faixa de 500
kHz a 20 MHz é descrita por apenas alguns parâmetros relevantes.
2.3.1. Condutor elétrico
Condutor elétrico é um corpo constituído de material bom condutor, destinado à trans-
missão da eletricidade. Em geral é de cobre eletrolítico e, em certos casos, de alumínio. Já o
fio é um condutor sólido, maciço, de seção circular, com ou sem isolamento (CREDER,
1926).
Cabo é um conjunto de fios encordoados, não isolados entre si. Ele pode ser isolado, ou
não, conforme o uso a que se destina. É mais flexível que um fio de mesma capacidade de
carga.
Com freqüência, os eletrodutos conduzem os condutores de fase, neutro e terra simulta-
neamente. Esses condutores são eletricamente isolados com o revestimento de material mau
condutor de eletricidade, e que constitui a isolação do condutor.
23
Além da isolação, recobre-se com uma camada denominada cobertura quando os cabos
devem ficar em instalação exposta, colocados em bandejas ou diretamente no solo.
Em instalações residenciais só podem ser empregados condutores de cobre, exceto con-
dutores de aterramento e proteção. Em instalações comerciais é permitido o emprego de con-
dutores de alumínio com seções iguais ou superiores a 50 mm2.
A energia elétrica que é recebida da empresa de eletricidade chega até as casas e edifí-
cios por meio de 3 fios de cobre. Estes fios distribuem as tensões típicas de 127 V e de 220 V
entre os aparelhos domésticos comuns. Esta configuração encontra-se na figura 3.
Figura 3 – Esquema de uma tomada universal.
Fonte: NETTO (2003).
A energia elétrica recebida é transportada por uma corrente elétrica alternada através
dos condutores de cobre.
Para que uma corrente elétrica possa circular por um aparelho que seja ligado a esses
condutores de energia, ela precisa de um percurso completo (circuito fechado), ou seja, de ida
e volta, o que significa que um só fio não pode alimentar nenhum aparelho. Devem-se usar
dois fios, entre os quais a tensão elétrica ou diferença de potencial muda alternadamente de
polaridade. Um desses fios, por motivo de segurança, a própria Companhia de energia elétrica
coloca em contato mais íntimo possível com o solo (chão, terra).
24
Entre qualquer fio vivo e o fio terra há uma diferença de potencial (220V - nominal).
Entre os dois fios vivos também há uma diferença de potencial (380V - nominal), o dobro
daquela que se estabelece entre um fio vivo e o fio terra, como mostra a figura 4.
Figura 4 – Tensões elétricas e as correspondentes fases entre as tensões.
Fonte: Acervo do autor.
Questões específicas em relação às características típicas da linha bifiliar da rede de e-
nergia elétrica podem ser vistas em Vanti (2004) e Dostert (2001).
2.3.2. Multipercurso
Os efeitos de multipercurso (multipath) podem distorcer o sinal durante a transmissão.
As reflexões do sinal original podem chegar ligeiramente antes ou depois do sinal recebido
desejado, resultando em perturbação entre símbolos. A figura 5 evidencia este caso.
25
Figura 5 – Perturbação intersimbólica decorrente das diferenças temporais entre os sinais recebidos.
Fonte: Acervo do Autor.
Como mostrado pela figura 5, a propagação do sinal não pode ser descrita por um cami-
nho direto entre o transmissor e o receptor sendo que caminhos adicionais, formando uma
componente de eco do sinal, devem ser considerados. Como resultado, o canal PLC apresenta
um comportamento com multipercurso e desvanecimento seletivo em freqüência.
Diferentemente da rede telefônica existente, a rede de distribuição de energia não é for-
mada por ligações do tipo “ponto-a-ponto” entre um usuário e uma central, sendo caracteriza-
da por uma estrutura de barramento, como mostrado na figura 6, onde a configuração típica de
rede para consumidores locais consiste num cabo de distribuição derivado de um transforma-
dor de redução, seguido pelos diversos ramos interligando cada consumidor a este cabo. Os
ramos por sua vez terminam no medidor de energia do usuário, após o qual se encontra o ca-
beamento interno ou indoor.
26
Figura 6 – Estrutura da rede elétrica.
Fonte: DOSTERT (2001).
Além das características de impedância da rede, o caminho percorrido pelo sinal deve
ser analisado com atenção. Inúmeras reflexões são causadas pelas conexões internas devido
ao não casamento das impedâncias dos componentes da rede e dos equipamentos conectados.
Dispositivos na rede de energia elétrica transmitem para várias estações simultaneamen-
te. Cada estação para outra estação de comunicação apresenta um único canal. Ruído e efeitos
de distorção podem resultar em uma alta taxa de erro. As características dos dispositivos pre-
sentes na linha de energia elétrica e a própria linha, como já mencionado, contribuem na com-
plexidade da função de transferência do canal.
27
2.3.3 Distorção
A distorção consiste numa alteração da forma do sinal durante a sua propagação desde o
emissor até ao receptor. A distorção pode resultar do comportamento não linear de alguns dos
componentes que compõem o percurso do sinal ou pela simples resposta em freqüência do
meio de transmissão. Em alguns casos, os efeitos da distorção podem ser corrigidos ou mini-
mizados através de técnicas de condicionamento de sinal tais como filtragem.
2.3.4. Largura de banda
A freqüência contida na portadora do sinal de informação é extremamente importante.
O intervalo de freqüência usado pelo sistema de comunicação é chamado largura de banda
(W). Para um método específico de comunicação, a largura de banda necessária é proporcio-
nal à taxa de bits. Portanto uma taxa de bits mais elevada necessita de uma largura de banda
maior para um método fixo. Se a largura de banda dobra, então a taxa de bits também é do-
brada.
Nos atuais ambientes SOHO a largura de banda é um recurso limitado e precioso que é
freqüentemente compelida a um certo intervalo pequeno. Esta situação adiciona uma restrição
nos sistemas de comunicação onde os mesmos estão fixados a uma determinada largura de
banda (DOSTERT, 2001).
Para comparar diferentes sistemas de comunicação, a eficiência da largura de banda (�)
é definida pela expressão:
28
Onde Rb é a taxa de bits.
Esta expressão é uma medida de qualidade do sistema de comunicação. Hoje em dia um
modem telefônico pode atingir uma taxa de bits de 56,6 kb/s usando uma largura de banda de
4 kHz, o que proporciona uma eficiência da largura de banda em torno de 14,15 b/s/Hz. Um
sistema de medição de dados (por exemplo, a leitura de medidores de energia elétrica residen-
ciais) para um canal da rede elétrica que possua uma taxa de bits de 10 kb/s e se comunique
dentro da banda A – CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization)
possui uma eficiência de largura de banda de 0,11 b/s/Hz, portanto a performance do modem
telefônico é muito maior.
As limitações de largura de banda do meio de transmissão também são consideradas
uma condicionante ao desempenho dos sistemas de transmissão. Se a largura de banda for
insuficiente, a forma de onda do sinal é alterada durante a propagação do sinal, tendo como
resultado a introdução de perturbação entre símbolos, isto é, parte da energia relativa a um
símbolo transmitido é recebida durante o período de tempo reservado a símbolos posteriores.
A largura de banda é proporcional à taxa de bit, portanto uma ampla largura de banda é
necessitada quando há comunicação com elevadas taxas de bits. Na Europa a largura de banda
permitida é regulamentada pelos padrões CENELEC. O padrão apenas permite freqüências
entre 3 kHz e 148,5 kHz, o que aplica uma forte restrição no PLC e pode não ser suficiente
para suportar aplicações com elevadas taxas de bits, como vídeo em tempo real, dependendo
da performance e da necessidade. A figura 7 mostra a largura de banda especificada pelo pa-
drão CENELEC. O range de freqüências é subdividido em cinco bandas. As duas primeiras
(3-9 e 9-95 kHz) são limitadas aos fornecedores de energia e as outras três são limitadas aos
29
clientes dos fornecedores de energia. E com a finalidade de especificar a largura de banda
permitida, o padrão também limita a saída de energia no transmissor.
Figura 7 – As bandas de freqüência no padrão CENELEC.
Fonte: Site Cenelec (http://www.cenelec.org).
Com o intuito de aumentar a taxa de bit, uma ampla largura de banda pode ser solicita-
da. Pesquisas recentes têm sugerido o uso de freqüências em um intervalo entre 1 e 20 MHz,
como apresentado na figura 8. Se esta faixa puder ser utilizada, haverá um relevante aumento
na largura de banda e poderá permitir aplicações com elevada taxa de bits nas linhas de ener-
gia. Um agravante é que partes desta banda de freqüências são destinadas a outros sistemas de
comunicação e não devem ser perturbadas. Outros sistemas de comunicação utilizando estas
freqüências podem também perturbar a comunicação nas linhas de energia. Exemplos de sis-
temas de comunicação que operam neste intervalo são: transmissão broadcast de rádio, radio-
amadorismo e navegação aérea.
30
Figura 8 – Pesquisas espectrais para o PLC.
Fonte: Acervo do Autor
2.3.5. Radiação do sinal transmitido
Quando se transmite um sinal através da linha de energia elétrica aérea, o sinal é radiado
no ar. Pode-se dizer e pensar que esta linha é uma enorme antena, recebendo e transmitindo
sinais. É conveniente que o sinal radiado da linha de energia não interfira com outros sistemas
de comunicação (DOSTERT, 2001).
Quando é utilizado um intervalo de freqüência de 1 a 20 MHz para a comunicação, a ir-
radiação é extremamente significativa porque outras aplicações são destinadas neste intervalo.
Estudos recentes sobre este problema buscam determinar um nível máximo de potência do
transmissor.
Quando os cabos de energia são subterrâneos a radiação emitida por eles é bem menor e
é a radiação dos consumidores que faz uma maior contribuição.
31
Os cabos de energia elétrica dentro dos ambientes SOHO não são blindados e portanto
irradiam excessivamente. A solução pode ser o uso de filtros para bloquear o sinal de comuni-
cação na entrada destes ambientes.
2.3.6. Casamento de impedância
Normalmente, na comunicação convencional, o casamento de impedância é solicitado,
como o uso de cabos de 50 ohms e transceivers de 50 ohms. A rede de energia elétrica não é
casada. As impedâncias de entrada e saída variam no tempo, com diferentes cargas e locações.
Podendo ser tão baixa quanto mili Ohms e tão alta quanto centenas de Ohms, sendo extrema-
mente baixa na subestação.
Com exceção da impedância de acesso, outros casamentos de impedância podem ocorrer
no canal da linha de energia. Por exemplo, cable-boxes não casam os cabos e logo o sinal é
atenuado.
2.3.7. Relação sinal/ruído
O ruído consiste numa alteração de alguma das características do sinal transmitido por
efeito de um outro sinal exterior ao sistema de transmissão, ou gerado pelo próprio sistema de
transmissão. Estes sinais indesejados são de natureza aleatória, não sendo possível prever o
seu valor num instante de tempo futuro.
Em muitos casos, o ruído é produzido pelos próprios equipamentos ativos utilizados pa-
ra implementar os sistemas de transmissão, tais como os amplificadores utilizados nos recep-
32
tores e repetidores. Estes dispositivos produzem ruído de origem térmica e de origem quânti-
ca, o qual passa a ser processado juntamente com o sinal desejado nos andares subseqüentes.
O ruído pode ser aditivo (soma-se ao sinal) ou multiplicativo (o sinal resultante é o pro-
duto do sinal transmitido pelo ruído).
Uma vez que o ruído é um processo aleatório, este deve ser descrito e tratado com re-
curso e métodos estatísticos (PINAWOSKY, 2003). O ruído diz-se branco quando a sua den-
sidade espectral de potência média é constante a todas as freqüências; diz-se colorido no caso
contrário. As características do ruído são ainda descritas através da função densidade de pro-
babilidade da sua amplitude.
Uma das formas de ruído mais utilizadas para modelar este aspecto de um sistema de
transmissão é o Ruído Branco Aditivo Gaussiano (AWGN – Additive White Gaussian Noise).
Os efeitos do ruído no desempenho dos sistemas de transmissão podem ser minimizados
através da utilização de técnicas de projeto de circuitos mais sofisticadas e através de filtra-
gem. No entanto, dada a natureza aleatória do ruído, não é possível eliminar completamente o
ruído num sistema de transmissão.
Os efeitos do ruído se fazem sentir através de uma deterioração da qualidade do sinal
transmitido nos sistemas de transmissão analógicos e através da introdução de erros nos sis-
temas de transmissão digital. Nos sistemas de transmissão analógicos, a qualidade do sinal
recebido mede-se através da relação entre a potência do sinal e a potência do ruído – relação
sinal/ruído (SNR – Signal to Noise Ratio). Nos sistemas de transmissão digital, o desempenho
mede-se através da probabilidade de ocorrerem erros (BER – Bit Error Rate).
Quando o sinal está se propagando do transmissor ao receptor ele é atenuado, caso esta
atenuação seja muito elevada, a potência entregue ao receptor será muito baixa e não poderá
ser detectada. A atenuação nas linhas de energia atinge valores elevados (mais de 100 dB) e
33
há restrição na distância entre o transmissor e o receptor. Uma opção para diminuir este parâ-
metro indesejado seria o uso de repetidores nos cable-boxes, o que aumentaria a distância de
comunicação.
O uso de filtros poderia melhorar o SNR caso fossem colocados em cada ambiente SO-
HO, bloqueando o ruído gerado internamente por toda a rede. Desta maneira, o nível de ruído
na rede diminuirá, mas será mais dispendioso. Deve ser salientado que embora a linha de
energia elétrica seja considerada um ambiente ríspido, já que sofre atenuações, perturbações e
perturbações, estes parâmetros são encontrados em qualquer sistema de comunicação utiliza-
do atualmente.
2.3.8. Comportamento variante no tempo da rede elétrica
O nível de ruído e de atenuação dependem em parte do número de cargas conectadas e
estas variam no tempo. Um canal que é variante no tempo dificulta o projeto do sistema de
comunicação. Tendo em vista que em alguns instantes a comunicação pode funcionar bem e
em outros uma forte fonte de ruído pode ser inerente ao canal, bloqueando a comunicação.
Para resolver este problema, uma possível solução seria deixar o sistema de comunica-
ção adaptar-se ao canal. Em todo momento as características do canal são estimadas através
de medições e o efeito é avaliado para que se possa tomar a melhor decisão. Mesmo assim, o
custo desta solução é um aumento na complexidade.
A atenuação do sinal pode também ocorrer devido à topologia física da rede, como mos-
trado na figura 9, a variação das impedâncias terminais das cargas conectadas à rede e das
características de transmissão da própria linha resultando em ampla faixa entre quaisquer dois
nós (tomadas) da rede. A transmissão de sinal entre dois nós que estão muito próximos (como
34
os pontos A e B) irá sofrer, a princípio, uma menor atenuação, mas para nós muito afastados
(como do ponto C até F), a atenuação pode ser significante.
Figura 9 – Modelo de uma topologia física da rede elétrica.
2.3.9. Modelo de canal para o PLC
Na figura 10 são mostradas algumas intempéries que reduzem o desempenho dos siste-
mas PLC, como:
��casamentos de impedância no transmissor;
��atenuação do canal;
��ruído;
��casamentos de impedância no receptor;
��variações temporais das intempéries.
35
Figura 10 – Principais obstáculos enfrentados na transmissão de dados: ruído, atenuação e distorção.
Fonte: DUQUE (2003).
A figura 11 mostra um modelo do canal da linha de energia elétrica juntamente com os
parâmetros acima. Todas as intempéries, exceto o ruído, são mostrados, assim como os filtros
lineares variantes no tempo, caracterizados por sua respostas em freqüência. O ruído é citado
como uma perturbação aleatória no processo.
Figura 11 – Intempéries presentes no canal da linha de energia elétrica.
Fonte: HOMEPLUG (2000).
Todas as intempéries acima podem ser incorporadas em um modelo isolado de filtro,
como descrito na figura 12, consistindo de um filtro variante no tempo e ruídos adicionais.
36
Figura 12 – Modelo simplificado do canal da linha de energia elétrica.
Fonte: HOMEPLUG (2000).
Apesar de sua estrutura simples, este modelo simplificado detém um grande número de
propriedades essenciais para o projeto de sistemas de comunicação e para o desempenho cor-
respondente.
A função de transferência e o ruído podem tanto ser estimados através de medições ou
derivados por análises teóricas. Mesmo assim, várias medições e modelos são necessários na
obtenção de um entendimento minucioso da rede devido às variações nas características da
mesma.
2.4. ANÁLISE DO RUÍDO IMPULSIVO NO CANAL PLC
Ao contrário de outros canais de comunicação, o canal PLC não pode ser representado
pela presença dominante de ruído gaussiano branco aditivo (AWGN). Desta forma, uma aná-
lise mais apurada das perturbações presentes no ambiente PLC é um pré-requisito inevitável
para que sejam levantados modelos apropriados para o canal. Na faixa espectral onde a utili-
zação do mesmo torna-se interessante para a transmissão de sinais, o canal é predominante-
mente caracterizado pela presença de ruído de faixa estreita e diferentes formas de ruído im-
pulsivo. Em particular este segundo componente responde pela significante variação temporal
do canal.
37
A linha de energia elétrica, como já expressado anteriormente, é um ambiente hostil pa-
ra a comunicação de dados, como mostra a figura 13.
Figura 13 – A linha de energia elétrica em função da potência e freqüência, bem como sua resposta ao ruído.
As fontes de ruído incluem aparelhos eletrônicos e eletromecânicos. Motores brush são
particularmente ruidosos. Dimmers, luzes fluorescentes e halogênios criam ruídos impulsivos
relacionados ao ciclo de potência de 50 e 60 Hz. Fontes de energia criam harmônicas relacio-
nadas com a comutação de freqüência. Além destas perturbações, há as perturbações por RF
(Rádio Freqüência), como ondas curtas e radioamadores. O receptor de RF de outras bandas
pode afetar a qualidade do canal de comunicação da linha de energia. Estas fontes de ruído
interferem na recepção dos sinais de dados. Em certas freqüências a amplitude do sinal dos
dados pode cair suficientemente abaixo do ruído de chão a ser perdido.
Existem ao todo cinco classes de ruído que caracterizam o canal PLC, são eles: ruído
colorido de fundo, ruído de faixa estreita, ruído impulsivo periódico, ruído impulsivo periódi-
co – síncrono com a freqüência da rede e ruído impulsivo assíncrono.
2.4.1. Ruído colorido de fundo
38
Resultado da sobreposição de componentes de ruído de baixa potência provenientes de
diversas fontes, a densidade espectral de potência (PSD) desta componente de ruído é relati-
vamente plana, decrescendo com o aumento da freqüência. Embora apresente um comporta-
mento estocrático, o estudo realizado mostra que a PSD do ruído colorido de fundo varia mui-
to lentamente quando comparada a taxas de alguns Kbps, permanecendo muito próximo de
um valor médio por intervalos de vários segundos e até mesmo alguns minutos durante o dia,
podendo permanecer neste estado estacionário por até algumas horas durante a noite.
2.4.2. Ruído de faixa estreita
Duas são as fontes mais marcantes deste tipo de ruído: perturbações de serviços de rádio
difusão em geral e a peculiar perturbação gerada pelas harmônicas de maior ordem na fre-
qüência de deflexão horizontal dos aparelhos de TV (15,625 kHz PAL-Europa e 15,75 kHz
NTSC-EUA). Embora concentrado em faixas estreitas, este tipo de ruído apresenta uma alta
PSD tendo, porém, suas maiores contribuições na faixa inferior aos 500 kHz (PIANOWSKI,
2003).
2.4.3. Ruído impulsivo periódico
Com freqüências variando entre 50 e 200kHz, este ruído é gerado principalmente por
fontes chaveadas.
39
2.4.4. Ruído impulsivo periódico – síncrono com a freqüência da rede
Apresentando freqüências de 50 ou 100 Hz (Europa) este componente de ruído impulsi-
vo tem em geral uma curta duração (alguns microssegundos), sendo causado por fontes de
alimentação devido à comutação de diodos retificadores operando de forma síncrona com a
rede.
2.4.5. Ruído impulsivo assíncrono
Causado por transientes na rede, este tipo de ruído apresenta curtas durações (10-100us)
podendo alcançar picos de até 2 kV, ocorrendo de forma aleatória. Devido a estes altos valo-
res, a PSD deste tipo de ruído pode atingir níveis consideráveis acima da PSD do ruído de
fundo.
As propriedades dos ruídos do tipo 1 a 3 permanecem estacionárias em intervalos de al-
guns segundos, minutos e algumas vezes mesmo durante horas e, devido a este comportamen-
to, podem também ser considerados como ruído de fundo – caracterizado por sua lenta varia-
ção e uma PSD com valores moderados. Contudo, as características dos ruídos do tipo 4 e 5
variam em termos de micro ou milisegundos e durante a ocorrência de tais eventos, a PSD do
ruído presente na rede pode aumentar consideravelmente, causando erros na transmissão de
dados (PIANOWSKI, 2003).
40
3. PADRÕES UTILIZADOS NA TECNOLOGIA PLC
Considerando que o investimento técnico teve suporte pelo rápido progresso e desen-
volvimento deste refinado método de comunicação, é possível unificar o baixo custo de
transmissão e confiabilidade na transmissão da informação sobre as redes de energia elétrica.
É necessário que a ampla rede da informação das companhias de fornecimento de energia
elétrica proporcione crescimento da cobertura das linhas de alta tensão para suprir as áreas
com energia elétrica.
Em geral, a rede telefônica é imprópria, particularmente para a telemetria e a monitora-
ção remota, porque não está disponível em todo lugar, e sempre pode sofrer curtas interrup-
ções com conseqüências danosas. O uso e arrendamento das linhas podem não ser economi-
camente viáveis para longas distâncias, mas as companhias de energia sempre têm visto as
redes de energia elétrica como um meio natural de transmissão de dados, pois interligam vá-
rias estações.
41
3.1. CTP - CARRIER TRANSMISSION OVER POWER LINE
As linhas de alta tensão não foram projetadas para a transmissão de dados, não repre-
sentando boas guias de onda, porém a transmissão bidirecional de dados é possível em uma
unidade com potencial baixo (BENZ, 2002).
A faixa de freqüências usada para o CTP é de 15 kHz a 500 kHz. O baixo limite se ob-
tém pelo custo do equipamento de junção. Abaixo de 15 kHz, requer capacitores com larga
capacidade e com estabilidade em alta tensão, o que implica em um alto custo. O limite supe-
rior é essencialmente obtido pela atenuação que aumenta nas altas freqüências.
A transmissão de informação de forma confiável é possível em grandes distâncias a uma
baixa potência. Um valor de 10 W, que corresponde a 40 dBm, é adequado na prática, porque
permite a transmissão em longas distâncias sem pertrbações. Ou seja, a perturbação nas altas e
médias ondas de rádio pelo CTP é limitada a um alcance aceitável. Quando se planeja usar
uma freqüência de rádio deve-se ter cuidado para não usar as freqüências ocupadas por esta-
ções de rádios próximas.
A energia elétrica deve ser transportada por meio de linhas de alta tensão, em contraste
com as linhas exclusivas para a comunicação de dados, que estão protegidas de perturbações
externas. Quando ocorre uma perturbação, nas linhas de alta tensão, os efeitos inevitáveis são
as descargas, causando perturbações com alta densidade nos espectros. Para garantir uma re-
cepção sem perturbação, o CTP requer, sem ruído, um sinal na razão de 13 dB na entrada do
receptor. Na tabela 1 são tomadas as distâncias máximas aceitáveis com relação às freqüên-
cias de transmissão.
42
Tabela 1 – Distâncias máximas aceitáveis.
Freqüências de transmissão Condições
200 kHz 300 kHz 400 kHz
Distância com descargas pesadas 571 km 376 km 283 km
Distância com baixas descargas 900 km 594 km 445 km
Diferença das distâncias 329 km 218 km 162 km
Fonte: PIANOWSKI (2003).
É evidente que o CTP em circunstâncias favoráveis pode transmitir a uma distância de
mais ou menos 900 km com potência de transmissão relativamente baixa. Até mesmo sob
circunstâncias não favoráveis ainda alcança quase 300 km. Isso mostra que o CTP é uma so-
lução muito boa e bem adaptada ao meio, não requerendo melhorias significativas.
No início, foi testada a transmissão de voz por fornecedoras de energia por meio de voz
em alta tensão. A freqüência de voz na banda de 300-2400 Hz foi transmitida pelo custo mais
baixo possível para ambos dispositivo de recepção e de transmissão. Através das condições
dadas, a amplitude modulada (AM) foi adequada para carregar os dados na portadora sobre a
alta freqüência.
A amplitude modulada juntamente com as variantes oferecidas não é a única e simples
solução, porém é uma solução adequada para sanar os problemas de transmissão de voz ao
lado do escopo do CTP.
A transmissão de informação digital utiliza um processo chamado modulação, que
transforma um fluxo de dados, constituído de 1s e 0s lógicos, em um sinal conveniente para a
transmissão sobre um meio físico específico (WADELL, 1991).
43
Infelizmente, nenhuma das várias técnicas comprovadas de modulação e procedimen-
tos de acesso ao meio, padronizados nas aplicações em Telecomunicações, podem ser utiliza-
das no PLC sem que sejam feitas algumas mudanças significativas (MATICK, 1995).
Os seguintes esquemas de modulação são aplicáveis ao PLC quando considerada a ta-
xa de dados acima de 1 Mbit/s :
1. Spread-Spectrum, em particular, Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS);
2. Broadband Single-Carrier sem equalização;
3. Broadband Single-Carrier com equalização de largura de banda;
4. Broadband Multicarrier com decisão adaptável de equalização de feedback;
5. Multicarrier na forma de Orthogonal Frequency Division Multiplexing
(OFDM).
Para os esquemas 4 e 5, o fluxo de dados transmitidos não precisa estar concentrado
em uma porção contínua do espectro, mas pode ser distribuído sobre inúmeros sub-canais,
opcionalmente, com intervalos entre eles. Para o esquema de modulação OFDM geralmente
se obtém um número maior de sub-canais de mesma largura, sendo que cada um deles pode
suportar bits de dados, de acordo com sua qualidade. O esquema 4 usualmente opera com uma
“porção espectral”, ou seja, relativamente poucos sub-canais de diferentes larguras. Ambos os
esquemas 4 e 5 são, basicamente, capazes de lidar com a esperada distribuição desigual dos
intervalos no espectro de diferente largura, que será aplicável ao PLC. O esquema de modula-
ção OFDM, no entanto, oferece claramente o maior patamar de flexibilidade em relação a
todos os esquemas listados acima (DOSTERT, 2001).
A figura 14 mostra um esquema de modulação OFDM, junto à modulação QAM
(Quadrature Amplitude Modulation).
44
Figura 14 – Esquema de modulação utilizada no PLC.
Fonte: Apresentação “Tendências Tecnológicas nas Telecomunicações” ministrada por Bez (2002).
3.1. CONSIDERAÇÕES SOBRE TÉCNICAS DE BROADBAND
As aplicações iniciais das técnicas de spread spectrum (SS) foram no desenvolvimento
de sistemas de comunicação militares. No fim da II Guerra Mundial, a utilização de sistemas
SS com o propósito de evitar perturbações intencionais era familiar aos engenheiros que de-
senvolviam sistemas de radar. Durante os anos subseqüentes à guerra, a motivação para a
pesquisa de sistemas que utilizassem a tecnologia SS era primariamente com vistas ao desen-
volvimento de sistemas de comunicação com alta rejeição a sinais de perturbação intencional.
Porém, o resultado destas pesquisas trouxe à tona diversas soluções para as mais diversas á-
reas, como sistemas de comunicação de múltiplo acesso e sistemas de alta resolução, dentre
outras. O nome spread spectrum deriva do fato de que a largura de banda utilizada para a
transmissão do sinal é muito maior do que a largura de banda mínima necessária se fosse uti-
lizado somente uma portadora de freqüência única (MATICK, 1995).
45
A comunicação de dados usando técnicas de SS ficou restrita ao meio militar até mea-
dos da década de 80, quando foi introduzida nos sistemas de comunicação comercial, como,
por exemplo, em telefonia celular CDMA (Code Division Multiplex Access).
Uma característica adicional que faz com que o SST (Spread-Spectrum Techniques) se-
ja muito interessante, especialmente no que diz respeito a EMC (compatibilidade eletromag-
nética), é a baixa densidade de potência espectral que caracteriza os sinais transmitidos. Além
disso, a mídia de acesso é elegantemente acoplada por esquemas de CDMA (Code-Division
Multiple-access) (DOSTERT, 2001).
3.1.1. Fundamentos de um sistema SS
Seja um sistema de comunicação representado pelo diagrama da figura 15 e composto
de três partes básicas: o transmissor, o meio em que o sinal se propaga e o receptor:
Figura 15 – Conceito de Comunicação Spread Spectrum.
Fonte: FALK (2001).
O sistema proposto na figura 15 é definido como sendo spread spectrum se e somente
se atender a três regras básicas:
��o sinal ocupa uma largura de banda (WSS) muito maior do que o mínimo necessário
para a transmissão do sinal (W);
46
��o espalhamento do sinal (spreading) é efetuado pelo operador linear �( ), também
chamado de código de espalhamento, que independe do sinal a ser enviado;
��a recuperação do sinal (despreading) é efetuada pela correlação do sinal espalhado
com a cópia do operador �-1( ) utilizada para espalhar o sinal, localizada no receptor.
O operador �( ) tem algumas características especiais, e algumas delas são mostradas
na tabela 4.
Tabela 2 – Propriedades do operador �( ).
FONTE: FALK (2001).
Como visto em (1) e em (2) da tabela 4 as operações de spreading e despreading são as
mesma, sendo �( ) um operador linear.
3.1.2. Imunidade à perturbação
O sistema spread spectrum tem alta capacidade de rejeição a perturbações (intencionais
ou não). Para a análise, considera-se o sistema da Figura 15. Aplicando-se o operador �-1( ) a
um sinal recebido, sw, que foi corrompido por um sinal de banda estreita, in, como mostrado
na figura 16, têm-se:
47
Como mostrado na expressão acima, o operador �-1( ) restaura o sinal original, espa-
lhando o espectro da perturbação por toda a largura de banda WSS. Aplicando um filtro de
largura de banda W (igual à largura de banda de sn), tem-se:
Observa-se, de acordo com a expressão anterior, que a energia remanescente do sinal in
após a operação de filtragem, denotada por F( ), é muito menor que a energia do sinal sn.Ou
seja, os operadores �-1( ) e F( ), aplicados em cascata, aumentam a robustez do sistema à per-
turbação intencional.
O processo de despreading pode ser observado na figura 16. A figura 16a mostra o sinal
espalhado sw = �-1( sn ) contaminado pela perturbação in. A 16b mostra o resultado ao se passar
o sinal (sw + in) pelo operador de despreading, �-1( ). Conforme pode ser observado, a energia
da perturbação é espalhada pela banda WSS. Finalmente, a figura 16c mostra o resultado da
operação de filtragem no sinal (sn+ iw). Esta operação elimina grande parte da energia do sinal
de perturbação.
48
Figura 16 – Recuperação do sinal com perturbação, a) sinal recebido, b) resultado do operador �-1( ) (desprea-
ding), c) resultado do operador F( ).
Fonte: FALK (2001).
Calculando a relação de potências entre iw e iwr, pode-se afirmar que:
O parâmetro G define qual a quantidade de energia do sinal in que é suprimida, sendo
chamado de ganho de processo, ou seja, G define proporcionalmente a invulnerabilidade do
sistema à perturbação.
3.2. SINGLE-CARRIER MODULATION AND CDMA
Uma característica particular do CDMA é o acesso múltiplo sem a necessidade de uma
coordenação global ou sincronização. Como mostrado na figura 17, uma única portadora é
usada dentro da pilha de comunicação e um código individual de espalhando (pi(t)) é atribuído
a cada participante, sendo ortogonal aos outros códigos. Primeiramente, a mensagem do sinal
49
(st(t)) convencionalmente modula a portadora que possui a freqüência fo. Desse modo um es-
pectro (Sk(f)), com aproximadamente o dobro da largura de banda da mensagem, é produzido
em torno de fo. Em um modulador (multiplicador) adicional na fase 0/180° rápida, hops são
introduzidos, de acordo com a seqüência de pseudo-ruído binária (p1(t)). Agora existe um
sinal de transmissão que exibe uma largura de banda que corresponde aproximadamente a
duas vezes a freqüência do relógio da seqüência de pseudo-ruído (DOSTERT, 2001).
Figura 17 – Seqüência direta e CDMA.
Fonte: DOSTERT (2001).
No receptor a mesma seqüência p1(t-�) deve ser avaliada, sincronizada com o sinal re-
cebido, por exemplo, atrasado pelo tempo de propagação do sinal (�) entre o transmissor e o
receptor. Em um primeiro misturador as rapid phase hops são então removidas e o espectro
(Sk(f)) é restaurado, uma demodulação convencional segue para a recuperação da mensagem.
Outro participante, a quem o código de espalhamento ortogonal (p2(t)) foi atribuído, não pode
realizar a compressão espectral mencionada, o espectro recebido (SR(f)) permanece quase
inalterado. Se uma banda estreita interferir, como por exemplo na forma de broadcast de uma
estação de rádio, aparece no receptor, então ela fica sujeita ao processo de espalhamento e
50
apenas uma pequena porção correspondente à largura de banda da mensagem (Sk(f)) pode
danificar o sinal desejado.
O CDMA atribui toda a banda de freqüência a cada participante alternadamente para
que o acesso não tenha que ser coordenado. Cada participante ativo, no entanto, introduz um
tipo de ruído de fundo para todos os outros. Quanto mais participantes se tornam ativos, maior
a probabilidade de distúrbios mútuos. A situação é comparável a uma sala onde inúmeras pes-
soas conversam entre elas ao mesmo tempo mas em línguas diferentes. Irá funcionar bem até
certo limite. Conseqüentemente um ajuste geral da capacidade do sinal e do número permitido
de participantes ativos são necessários. A figura crucial deste contexto é ganho de processo
(PG), que é obtido através do espalhamento.
Se BM é a largura de banda da mensagem após a modulação convencional (espectro
Sk(f) na figura 17 e BSP é a largura de banda do sinal transmitido (espectro ST(f)), então se
obtém:
O PG deve ficar entre 10 e 100 para obter um sistema eficiente em aplicações práticas.
Quanto maior o PG, mais participantes podem acessar o canal ao mesmo tempo. No entanto,
como via de regra geral, o número de participantes deve sempre permanecer menor que o PG,
caso contrário a robustez contra perturbações é perdida e a qualidade do sinal pode se deterio-
rar a um nível inaceitável a todos os usuários, mesmo sem perturbações adicionais.
Com o PG sendo suficientemente elevado, entretanto, cada usuário que se tornar ativo
contribui apenas com uma pequena parcela de perturbação. Esta particularidade de um siste-
ma CDMA apropriadamente projetado é também denominado “graceful degradation”. Sem
mencionar que esta característica do CDMA tem sido aplicada aos telefones móveis america-
51
nos padrão IS-95 e para o surgimento do UMTS (Universal Mobile Telecommunication Sys-
tem). Infelizmente as maiores vantagens do CDMA não podem ser exploradas no PLC por
várias razões, incluindo a falta de largas porções contínuas do espectro. O espectro resultado é
ruim para o CDMA.
Aparte do CDMA, dois aspectos adicionais devem também ser mencionados, já que irão
influenciar na maioria dos esquemas wideband single-carrier para o PLC:
��esquemas Single-carrier broadband não exibem elevada eficiência espectral, por e-
xemplo, a transmissão de stream de dados digitais com a taxa de símbolo rs requer uma lar-
gura de banda de no mínimo 2 rs, o que significa que a seguinte largura de banda total deve
estar disponível para N usuários:
��O canal da rede de energia elétrica não fornece uma característica de transmissão
constante sob grandes de largura de banda. Geralmente encontra-se passa-baixas e fortes efei-
tos de desvanecimento seletivo em freqüência.
A segunda indicação significa que uma equalização complexa seria requerida no recep-
tor. Como resultado, as desvantagens para o esquema single-carrier podem ocorrer sob as
seguintes circunstâncias:
��características pobres de transmissão do canal PLC;
��cenário de perturbação, em particular quando considerando todos os tipos de ruídos
impulsivos;
��alocação de freqüência esperada e limitações do nível de transmissão.
Por estas razões os especialistas no campo têm se concentrado nas técnicas de multicar-
rier, em particular o OFDM.
52
A tabela 3 apresenta uma breve avaliação das propriedades mais importantes dos es-
quemas de modulação que poderiam se candidatar ao PLC. Como resultado, o OFDM é cla-
ramente o esquema mais qualificado para lidar com as condições presentes e futuras mais
encontradas no PLC.
Tabela 3 – Comparação dos esquemas de modulação para o PLC (+ + excelente, + bom, 0 justo, - ruim, - -muito
ruim).
Tecnologia Eficiência espectral
Máxima taxa de
dados em Mbits/s
Robustez contra
distorções do canal
Robustez contra Ruídos
impulsivos
Característi-cas de
adaptação e
flexibilidade
Custos do
sistema (com
equalizadores
e repetidores)
Aspectos
EMC e
regulamen-
tação
Técnicas Spread-spectrum
< 0,1
bits/s/Hz
= 0,5
- 0 - - - - + +
Single-carrier broadband,
sem equalização
1-2 bits/s/Hz
< 1 - - + - - + + - -
Single-carrier broadband,
com
equalização
1-2
bits/s/Hz
= 2
+ + 0 - -
Multicarrier Broadband,
com equalização
1-4 bits/s/Hz
= 3 + 0 0 - 0
OFDM >>1 bits/s/Hz
>10 + + 0 + + - +
FONTE: DOSTERT (2001).
3.3. OFDM
A grande dificuldade em transmitir pacotes IP pela rede elétrica é o ruído no sinal. A
fim de solucionar este agravante, em dezembro de 1966 o chinês R. W. Chang, que trabalhava
na Bell Systems, escreveu um artigo sobre síntese de sinais ortogonais limitados por banda
para transmissão de dados em multicanal. Este estudo está relacionado com a “teoria dos ca-
53
minhos paralelos” e com uma grande manobra matemática para atenuar os picos do sinal Ana-
lógico que poderiam impossibilitar transmissões digitais puras, usando um mixer que rejeita
harmônicos nocivos.
O artigo de Chang se encaixou em um modelo teórico proposto na década de 1950 que
acabou dando origem à tecnologia OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing),
multiplexação por divisão ortogonal de freqüência.
A multiplexação ortogonal por divisão de freqüência é uma técnica de transmissão mul-
ti-portadora que divide o espectro em várias sub-bandas. Essa técnica se assemelha ao FDMA
(Frequency Division Multiple Access), no que diz respeito à divisão do espectro em várias
portadoras. A principal diferença entre o OFDM e o FDMA é que o espaçamento entre as
portadoras no OFDM é menor, devido ao fato das portadoras serem ortogonais entre si. Ge-
ralmente os sinais OFDM têm largura de banda de cada portadora na faixa de 1kHz, enquanto
que no FDMA eles atingem 3kHz.
A geração do OFDM baseia-se principalmente nos seguintes passos:
1. Escolha do espectro necessário, de acordo com os dados a serem enviados e o tipo de
modulação a ser utilizada;
2. Cada portadora é designada um trecho dos dados a serem transmitidos;
3. A amplitude e a fase necessária da portadora são calculadas de acordo com a modula-
ção escolhida (e.g. BPSK, QAM ou QPSK);
4. Tendo tudo isto em mãos, converte-se o sinal de volta ao seu domínio temporal, pela
Transformada Inversa Rápida de Fourier, mantendo a ortogonalidade das subportadoras no
domínio da freqüência.
Estas quatro condições são evidenciadas na figura 18.
54
Figura 18 – Diagrama em blocos do Transmissor e Receptor de sinais OFDM.
Fonte: FALK (2001).
Nota-se então que a grande vantagem do sistema OFDM é o fato das portadoras serem
ortogonais entre si, podendo então ser transmitido uma quantidade maior de informação em
uma mesma largura de banda.
Para que esta propriedade se permaneça, alguns cuidados devem ser levados em conta.
São eles:
1. O receptor e o transmissor têm de estar em perfeita sincronia;
2. Os componentes analógicos dos receptores e transmissores têm de ser de ótima quali-
dade;
3. Não deve haver canal com multipercursos.
Como grande parte das transmissões são através de canais com multipercurso, achou-se
uma solução bastante prática, chamada de inserção de prefixo cíclico, onde a última parte do
símbolo OFDM é inserido no início do mesmo, como pode ser visto na figura 19.
55
Figura 19 – Processo de inserção do prefixo cíclico e seu espectro correspondente.
Fonte: OYA (2000).
Este procedimento deixa o sinal periódico ajudando no combate à perturbação entre
símbolos e à perturbação entre portadoras. Se o intervalo do prefixo for maior que o atraso
máximo do canal, as reflexões dos sinais anteriores desaparecerão antes mesmo do sinal ver-
dadeiro ser analisado. No receptor o prefixo cíclico é retirado eliminando qualquer forma de
perturbação. O preço que se paga é o fato de parte do sinal não estar carregando informação,
diminuindo assim a relação sinal-ruído.
As subportadoras OFDM possuem uma resposta em freqüência sinc (sin(x)/x) resultante
da sobreposição no domínio da freqüência. Esta sobreposição não causa nenhuma perturbação
devido à ortogonalidade das subportadoras. A figura 20 mostra cinco portadoras de um sinal
OFDM. A linha preta e grossa desta figura mostra a resposta combinada, enquanto os círculos
mostram o sinal visto pelo receptor. O receptor OFDM utiliza o FFT (Fast Fourier Transfor-
mer) sincronizado no tempo e na freqüência para converter a forma de onda do FFT no tempo
de volta ao domínio da freqüência. Neste processo o FFT escolhe amostras na freqüência dis-
creta, correspondentes apenas aos picos das portadoras. Nestas freqüências, todas as outras
56
portadoras passam com amplitude zero, eliminando qualquer perturbação entre as subportado-
ras.
Figura 20 – Sinal OFDM com cinco portadoras.
Fonte: SKY DSP (2001).
O grupo de pesquisas Selmag da Universidade Regional de Blumenau, em uma verifi-
cação que buscava analisar a modulação OFDM de um sistema wireless através do analisador
de espectro, encontrou o comportamento mostrado na figura 21.
57
Figura 21 – Modulação OFDM de um sistema wireless.
Fonte: Acervo Selmag.
3.4. PLC IN HOME
O “PLC in Home” é uma aplicação do PLC empregada em ambientes SOHO, que são
geralmente ambientes indoor de extrema complexidade e discrepância quanto às característi-
cas dos equipamentos e das redes de energia elétrica. Estas particularidades fazem com que na
rede indoor seja difícil prever as características de propagação do sinal.
No PLC outdoor é preciso a participação da companhia de eletricidade, ao passo que a
tecnologia indoor se vale da linha de baixa tensão.
A rede de distribuição elétrica é um meio extremamente hostil como canal de comuni-
cação. Experiências bem-sucedidas neste sentido começaram a acontecer recentemente atra-
vés da tecnologia OFDM. Esta mesma técnica é usada para transmissão da internet pelos celu-
lares 3G, pela TV digital (principalmente no padrão japonês) e pelo rádio digital (FM).
A figura 22 exemplifica a topologia do “PLC in Home”.
58
Figura 22 – Topologia de instalação de rede em ambiente SOHO.
59
4. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO DE AVALIAÇÃO DO “PLC IN
HOME”
4.1. REQUISITOS DA AVALIAÇÃO
Este projeto visa criar um ambiente para avaliação da tecnologia “PLC in Home” atra-
vés da variação de diferentes parâmetros como distância e perturbação, para avaliar a qualida-
de e a taxa de transmissão.
Os requisitos do projeto de avaliação são:
a) projetar uma rede baseada no “PLC in Home”;
b) avaliar a capacidade de transmissão de dados em uma linha elétrica sem ruí-
dos/perturbação;
c) inserir ruídos e avaliar as conseqüências;
d) estipular uma distância máxima que garanta à rede um throughput mínimo.
4.2. PROJETO LÓGICO E FÍSICO DE REDE
Para a elaboração dos testes foram escolhidos sete pontos (tomadas A, B, C, D, E, F e
G), como mostra a figura 23, dentro das dependências do Bloco F do Campus II da FURB.
Os testes foram realizados para seis distâncias, que são:
��do ponto A ao ponto B, totalizando 3 metros;
��do ponto A ao ponto C, totalizando 30 metros;
��do ponto A ao ponto D, totalizando 36 metros;
��do ponto A ao ponto E, totalizando 42 metros;
��do ponto A ao ponto F, totalizando 62 metros;
60
��do ponto A ao ponto G, totalizando 108 metros.
Figura 23 – Planta elétrica utilizada para avaliação do “PLC in Home”.
A avaliação foi constituída por quatro testes na rede para cada distância estabelecida. O
primeiro teste foi realizado sem nenhuma carga (aparelho eletrodoméstico) conectada à rede
elétrica, ou seja, sem perturbações. Os testes restantes foram realizados com a presença de
motores domésticos (aspirador de pó, secador de cabelo e furadeira elétrica) ligados na rede
elétrica. Estes equipamentos são, teoricamente, os principais causadores de perturbação em
uma residência.
4.2.1. Dispositivos utilizados
Foram utilizados dois computadores e dois adaptadores para a execução deste projeto.
Os adaptadores, adquiridos pelo Departamento de Engenharia Elétrica e Telecomunicações,
61
são de tecnologia nacional, do fabricante WiPlug (http://www.wiplug.com.br). A figura 24
mostra este adaptador.
Cada adaptador é uma placa que permite utilizar a rede elétrica existente em uma resi-
dência como um meio de transmissão de dados, ou seja, possibilita a montagem de uma rede
ETHERNET sem a necessidade de instalar o cabeamento necessário para uma rede tradicio-
nal. O adaptador modula e demodula o sinal ETHERNET para trafegar em alta freqüência
pela rede elétrica, através da modulação OFDM, utilizando 84 ondas portadoras entre 4 e 21
MHz. Toda a comunicação do adaptador está encriptada com o algarismo DES de 56 bits. A
utilização desta tecnologia, segundo o fabricante, alcança uma velocidade de transmissão de
dados de até 14 Mbps e uma distância técnica máxima de 300 metros, dependendo da quali-
dade da rede.
Figura 24 – Adaptador Wi-plug CEP.
�
�Fonte: Site da Wiplug (http://www.wiplug.com.br).
Primeiramente foi conectada uma das extremidades do cabo de rede à placa de rede do
computador e a outra extremidade do cabo foi conectada ao Wiplug-CPE. Com o cabo de rede
corretamente conectado a ambos, o WiPlug-CPE foi conectado em uma tomada. Estes passos
são mostrados na figura 25.
62
Figura 25: a) Cabo de rede com conectores RJ-45 machos. b) placa de rede conectada ao cabo de rede c) o adap-
tador com o cabo de rede e conectado à tomada.
Fonte: Site da Wiplug (http://www.wiplug.com.br).
Para analisar o comportamento da rede elétrica durante a transmissão de sinais foram u-
tilizados um osciloscópio digital e uma ponteira de prova especial. Esta última dividiu a ten-
são entregue ao equipamento por 500, satisfazendo o valor eficaz de entrada máximo no dis-
positivo.
4.3. IMPLANTAÇÃO DA REDE E TESTES
As figuras 26 à 28 ilustram as formas de onda de tensão na rede elétrica sem a transmis-
são de dados e com a mesma. Já as figuras 33 à 56, da próxima seção, mostram as taxas de
transmissão avaliadas.
Figura 26 – Forma de onda de tensão da rede elétrica comercial (escala de 4 ms).
63
Figura 27 – Detalhe da forma de onda de tensão da rede elétrica sem a transmissão de dados (escala de 100 ms).
Figura 28 – Detalhe da forma de onda de tensão da rede elétrica com a transmissão de dados (escala de 100 ms).
Nota-se nas figuras acima que o comportamento da rede elétrica sofre pequenas altera-
ções de comportamento, sendo apenas visualizados em uma escala na ordem dos mili segun-
dos (ms).
64
4.3.1. Distância de 3 metros entre os adaptadores
Figura 29 – Taxa de transmissão da rede sem perturbações: 4082 Kbps.
Figura 30 – Taxa de transmissão da rede com um aspirador de pó ligado entre os adaptadores: 3703 Kbps.
65
Figura 31 – Taxa de transmissão da rede com um secador de cabelo entre os adaptadores: 3901 Kbps.
Figura 32 – Taxa de transmissão da rede com uma furadeira elétrica entre os adaptadores: 3838 Kbps.
66
4.3.2. Distância de 30 metros entre os adaptadores
Figura 33 – Taxa de transmissão da rede sem perturbações: 3007 Kbps.
67
Figura 34 – Taxa de transmissão da rede com um aspirador de entre os adaptadores: 2562 Kbps .
Figura 35 – Taxa de transmissão da rede com um secador de cabelo entre os adaptadores: 3211 Kbps.
Figura 36 – Taxa de transmissão da rede com uma furadeira elétrica entre os adaptadores: 3142 Kbps.
68
4.3.3. Distância de 36 metros entre os adaptadores
Figura 37 – Taxa de transmissão da rede sem perturbações: 3087 Kbps.
Figura 38 – Taxa de transmissão da rede com um aspirador de pó entre os adaptadores: 1451 Kbps.
69
Figura 39 – Taxa de transmissão da rede com um secador de cabelo entre os adaptadores: 2308 Kbps.
Figura 40 – Taxa de transmissão da rede com uma furadeira elétrica entre os adaptadores: 2944 Kbps.
70
4.3.4. Distância de 42 metros entre os adaptadores
Figura 41 – Taxa de transmissão da rede sem perturbações: 2940 Kbps.
Figura 42 – Taxa de transmissão da rede com um aspirador de pó entre os adaptadores: 1460 Kbps.
71
Figura 43 – Taxa de transmissão da rede com um secador de cabelo entre os adaptadores: 2079 Kbps.
Figura 44 – Taxa de transmissão da rede com uma furadeira elétrica entre os adaptadores: 2714 Kbps.
72
4.3.5. Distância de 62 metros entre os adaptadores
Figura 45 – Taxa de transmissão da rede sem perturbações: 2014 Kbps.
Figura 46 – Taxa de transmissão da rede com um aspirador de pó entre os adaptadores: 1251 Kbps.
73
Figura 47 – Taxa de transmissão da rede com um secador de cabelo entre os adaptadores: 1494 Kbps.
Figura 48 – Taxa de transmissão da rede com uma furadeira elétrica entre os adaptadores: 1967 Kbps.
74
4.3.6. Distância de 108 metros entre os adaptadores
Figura 49 – Taxa de transmissão da rede sem perturbações: 345 Kbps.
75
Figura 50 – Taxa de transmissão da rede com um aspirador de pó entre os adaptadores: 320 Kbps.
Figura 51 – Taxa de transmissão da rede com um secador de cabelos entre os adaptadores: 291 Kbps.
76
Figura 52 – Taxa de transmissão da rede com uma furadeira elétrica entre os adaptadores: 373 Kbps.
4.4. ANÁLISE DOS RESULTADOS
Os resultados obtidos durante a utilização da rede são mostrados na tabela 4. Com estes
dados é possível estabelecer uma distância máxima entre os adaptadores que garante à rede
um throughput mínimo de 168 Kbps. Este limite foi estabelecido em 108 metros.
A taxa de transmissão máxima, que foi de 8,15 Mbps, ocorreu para uma distância de 3
metros e sem perturbações na rede.
Tabela 4 – Taxas de transmissão obtidas durante os testes.
Taxa de Transmissão
Distância (metros)
Sem pertur-bações (Mbps)
Com um aspirador de pó entre os adaptado-
res (Mbps)
Com um secador de cabelo entre os adapta-
dores (Mbps)
Com uma furadeira elétrica entre os adap-
tadores (Mbps) 3 4,082 3,703 3,901 3,838
30 3,07 2,562 3,211 3,142
36 3,07 1,451 2,308 2,944
77
42 2,94 1,46 2,079 2,714
62 2,014 1,251 1,494 1,967
108 0,345 0,32 0,291 0,373
Os adaptadores, por utilizarem freqüências diferentes de qualquer eletrodoméstico, po-
dem ser utilizados na mesma rede ou local que se encontre telefones sem fio, celulares, televi-
sores, rádios e microondas. Mas os equipamentos que poderiam causar perturbação na rede
são, basicamente, os motores de escova e os dimmers de luz. Entre os motores domésticos
pode-se afirmar que nenhum equipamento utilizado nos testes foi responsável diretamente
pela diminuição da taxa de transmissão. O fator fundamental e limitante do projeto foi a dis-
tância entre os adaptadores. Os gráficos da figura 56 mostram os requisitos avaliados.
Figura 56 – Taxas de transmissão para a rede (a) sem perturbações, (b) com um aspirador de pó, (c) com um
secador de cabelo e (d) com furadeira elétrica, entre os adaptadores.
Rede sem interferências
0
1
2
3
4
5
6
3 30 36 42 62 108
distância (metros)
taxa
de
tran
smis
são
(Mbp
s)
Rede com um aspirador de pó entre os adaptadores
00,5
11,5
22,5
33,5
4
3 30 36 42 62 108
distância (metros)
taxa
de
tran
smis
são
(Mbp
s)
(a) (b)
78
Rede com um secador de cabelo entre os adaptadores
0
1
2
3
4
5
3 30 36 42 62 108
distância (metros)
taxa
de
tran
smis
são
(Mbp
s)
Rede com uma furadeira elétrica entre os adaptadores
0
1
2
3
4
5
3 30 36 42 62 108
distância (metros)
taxa
de
tran
smis
são
(Mbp
s)
(c) (d)
Destes gráficos pode-se concluir que, independente de eventuais perturbações causadas
por equipamentos elétricos, a partir dos 60 metros a taxa de transmissão sofre uma significati-
va degradação. Ou seja, o “PLC in Home” é ideal para distâncias de até 60 metros entre PCs.
Uma comparação pode ser estabelecida entre os padrões fornecidos pelo fabricante dos
adaptadores e os valores que foram efetivamente encontrados durante a avaliação tecnológica.
Esta comparação e mostrada na tabela 5.
Tabela 5 – Comparação entre os valores fornecidos pelo fabricante dos adaptadores e os valores testados.
Requisito Atribuído pelo fabricante Avaliação Tecnológica
Distancia máxima 300 metros 108 metros
Taxa de transmissão máxima 14 Mbps 8,15 Mbps
Perturbação Motores domésticos Perturbação pouco signifi-
cativa
Uma análise da perturbação causada pela conexão de cargas na rede pode ser vislum-
brada nas figuras 57 à 63.
79
Figura 57 – Taxas de transmissão considerando uma distância de 3 metros.
Figura 58 – Taxas de transmissão considerando uma distância de 30 metros.
Figura 59 – Taxas de transmissão considerando uma distância de 36 metros.
Figura 60 – Taxas de transmissão considerando uma distância de 42 metros.
80
Figura 61 – Taxas de transmissão considerando uma distância de 62 metros.
Figura 62 – Taxas de transmissão considerando uma distância de 108 metros.
81
Figura 63 – Comparação entre todas as taxas de transmissão obtidas experimentalmente.
Uma análise dos gráficos mostrados acima evidencia a distância entre os adaptadores
como o maior limitante para a transferência de dados pela rede elétrica. A perturbação gerada
por alguns equipamentos não trafega por toda a instalação elétrica, pois não são de grande
potência. Estes aparelhos, em todos os testes realizados, foram colocados muito perto de um
dos adaptadores. Portanto, para solucionar eventuais reduções da taxa de transmissão basta
mudar o adaptador ou o aparelho causador da perturbação de tomada.
82
5. CONCLUSÃO
Primeiramente, pode se concluir que a tecnologia “PLC in Home” é viável para a im-
plementação de redes de comunicação em ambientes SOHO, proporcionando ao usuário final
taxas de transmissão convenientes para diversas aplicações (como videoconferência, transfe-
rência de dados, VoIP, expansão da área de cobertura de redes wireless, streaming de áudio e
video) sem a necessidade de implantar redes cabeadas.
A possibilidade de utilizar a rede de distribuição de energia elétrica como alternativa pa-
ra a transmissão de dados permite disponibilizar a praticamente todo domicílio ou estabeleci-
mento comercial acesso a serviços de comunicação.
A facilidade de instalação, manutenção, e expansão da rede PLC através dos adaptado-
res Wiplug confirma um cenário certo para muitas empresas e residências, que será a adoção
desta tecnologia inovadora, a qual será tão comum como é hoje uma linha telefônica para se
conectar à Internet.
Os principais problemas encontrados foram o estabelecimento das distâncias entre as
tomadas da rede de energia elétrica dentro do ambiente SOHO e a incapacidade de se visuali-
zar a estratégia de multiplexação OFDM através do analisador de espectro R&S FSP30 de
propriedade da FURB. Este último não permite a entrada de níveis de tensão e corrente, mas
apenas campos eletromagnéticos. Apesar destas intempéries, o uso de analisadores de tráfego
de rede para medir taxas efetivas de transmissão tornou possível a coleta, documentação e
monitoramento pró-ativo de todo o tráfego de dados gerado na rede elétrica. Com isto, os
resultados práticos obtidos durante este projeto confirmam que este sistema será limitado à
distância, mas não será prejudicado por perturbações provenientes de motores domésticos.
83
O “PLC in Home” pode auxiliar muito os projetos de inclusão digital e ensino a distân-
cia, levando-se em conta que mais de 80% das residências do país são providas de rede elétri-
ca.
84
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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