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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO S UL
FACULDADE DE ENGENHARIA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DISCIPLINA DE TRABALHO DE INTEGRAÇÃO
COMUNICAÇÃO DE DADOS ATRAVES DA TECNOLOGIA PLC VIA REDE ELETRICA
CARLA FERREL VALDIVIA ORIENTADO: RUBEM DUTRA RIBEIRO FAGUNDES
Porto Alegre, 2006.
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AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer a minha mãe, Lily Ferrel Quintela, um exemplo para mim, por todo
apoio que me têm dado durante toda a minha vida e todo esforço que têm feito para que eu
pudesse me tornar uma Engenheira Eletricista.
Também gostaria de agradecer a minha irmã, Neisa Isabel Ferrel Valdivia, pela paciência
e pelo grande companheirismo durante nossas vidas.
Ao meu orientador, Rubem Dutra Ribeiro Fagundes, o qual conheci nos últimos
semestres, e por quem adquiri muita admiração e respeito.
À Universidade Católica do Rio Grande do Sul pela oportunidade de estudar em uma das
melhores universidades.
Finalmente, ao meu namorado e colega, Cristiano D’almeida da Rosa , pela companhia,
paciência, amor e carinho durante todos esses anos, dentro e fora da faculdade.
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Sumário
1. Introdução................................................................................................................................6 1.1. Objetivos do trabalho ......................................................................................................6 1.2. Objetivos específicos.......................................................................................................7 1.3. Delimitação do trabalho ..................................................................................................7
2. Redes de Computadores ..........................................................................................................8 3. Literatura ...............................................................................................................................10
3.1. histórico.........................................................................................................................10 3.2. Hardware .......................................................................................................................13
3.2.1. Placa de Rede ........................................................................................................13 3.2.2. Hub........................................................................................................................13 3.2.3. Repetidor ...............................................................................................................14 3.2.4. Bridge ....................................................................................................................14 3.2.5. Switches ................................................................................................................14 3.2.6. Roteadores.............................................................................................................15 3.2.7. Servidor de Terminais ...........................................................................................15 3.2.8. Gateway.................................................................................................................15 3.2.9. Servidor de Acesso Remoto ..................................................................................15 3.2.10. Modems.................................................................................................................15
3.3. Meio de transmissão......................................................................................................16 3.3.1. A função dos cabos ...............................................................................................16 3.3.2. Tipos de cabos e fios .............................................................................................16 3.3.3. Cabo coaxial..........................................................................................................17 3.3.4. Par Trançado – com blindagem (STP) ..................................................................18 3.3.5. Par Trançado – sem blindagem (UTP)..................................................................18 3.3.6. Fibra Ótica.............................................................................................................19 3.3.7. Condutores de Energia Elétrica de Baixa Tensão .................................................20
3.4. Método de Transmissão ................................................................................................21 3.5. Software ........................................................................................................................21
3.5.1. Sistema Operacional..............................................................................................22 3.5.2. Protocolos..............................................................................................................22
3.6. Redes .............................................................................................................................22 3.6.1. LANs .....................................................................................................................22 3.6.2. MANs....................................................................................................................23 3.6.3. WANs....................................................................................................................23 3.6.4. Escolha dos cabos de redes locais ou metropolitanas ...........................................23
4. Comunicação por Linha Elétrica (PLC)..............................................................................25 4.1. O que é PLC? ................................................................................................................26 4.2. História ..........................................................................................................................26 4.3. Estrutura de uma rede elétrica.......................................................................................27
4.3.1. Rede de Distribuição Doméstica ...........................................................................28 4.3.2. Rede de Baixa e Média tensão ..............................................................................28 4.3.3. Rede de Alta tensão...............................................................................................29
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4.4. Conceitos Básicos .........................................................................................................29 4.4.1. Modulação.............................................................................................................29 4.4.1.1. Modulação de Onda Continua...........................................................................30 4.4.1.2. Modulação em Amplitude (AM).......................................................................30 4.4.1.3. Modulação em Fase (PM) .................................................................................33 4.4.1.4. Modulação por pulsos .......................................................................................33 4.4.1.4.1. Modulação por pulsos Analógica......................................................................34 4.4.1.4.2. Modulação por pulsos Digital ...........................................................................34 4.4.2. Multiplexação do Sinal..........................................................................................35 4.4.2.1. Multiplexação por Divisão de Freqüência (FDM) ............................................36 4.4.2.2. Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (WDM)........................36 4.4.2.3. Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM) ..................................................37 4.4.2.4. Múltiplo Acesso por Divisão de Código (CDMA) ...........................................38 4.4.2.5. Spread Spectrum ...............................................................................................40 4.4.2.6. OFDM ...............................................................................................................42 4.4.2.7. PLC Faixa Larga ...............................................................................................43 4.4.2.8. Relação Sinal/Ruído..........................................................................................44 4.4.2.9. Segmentação de Alimentadores ........................................................................45
4.5. Característica da Rede de Distribuição Brasileira.........................................................46 4.5.1. Características das Linhas de Transmissão ...........................................................46 4.5.1.1. Impedância - Característica uniforme ...............................................................46 4.5.1.2. Baixa Atenuação para faixa de freqüências dos sinais a serem transmitidos para uma distância determinada ....................................................................................................47 4.5.1.3. Baixa irradiação e captação de Sinais ...............................................................47 4.5.2. Características das Linhas de Distribuição de Energia Elétrica no Brasil ............47 4.5.2.1. Linhas Aéreas de Distribuição em Média Tensão.............................................47 4.5.2.2. Linhas Aéreas de Distribuição em Baixa Tensão..............................................48 4.5.2.3. Linhas de Distribuição de Média Tensão..........................................................49 4.5.2.4. Linhas de Distribuição em Baixa Tensão..........................................................51
4.6. Tecnologia PLC.............................................................................................................52 4.6.1. Funcionamento do PLC.........................................................................................52 4.6.2. ASCOM POWERLINE.........................................................................................56 4.6.2.1. Faixas de Freqüências .......................................................................................57 4.6.2.2. Alocação Dinâmica de Capacidade...................................................................58 4.6.2.3. Propriedade para Dados em Tempo Real ..........................................................58 4.6.2.4. Gerenciamento SNMP.......................................................................................59 4.6.2.5. Área de Cobertura .............................................................................................59 4.6.2.6. Interferências internas ao Sistema.....................................................................60 4.6.3. EBA/DS2 POWERLINE.......................................................................................60 4.6.4. MAIN.NET COMMUNICATIONS .....................................................................61 4.6.4.1. Arquitetura do sistema PLUS............................................................................62 4.6.5. Comparação com outras Tecnologias de Acesso ..................................................64
4.7. Qualidade de Serviço ....................................................................................................65 4.7.1. Serviço de voz .......................................................................................................66 4.7.2. Análise de Segurança ............................................................................................67 4.7.3. Serviços suportados pela Tecnologia PLC............................................................67 4.7.4. Prestação de Serviços ............................................................................................68 4.7.4.1. Interoperabilidade..............................................................................................68 4.7.4.2. Coexistência ......................................................................................................68
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4.8. Tecnologia PLC nas Empresas de Energia Elétrica ......................................................69 4.8.1.1. O Andamento da Tecnologia PLC no Brasil e no mundo................................69 4.8.1.2. Fase I: Pesquisa Inicial ......................................................................................70 4.8.1.3. Fase II: Teste Limitado de Campo ....................................................................70 4.8.1.4. Fase III: Teste de Campo de Larga Escala........................................................71 4.8.1.5. Fase IV: Operação Comercial ...........................................................................71
4.9. Ações de Regulamentação no Mundo...........................................................................71 4.9.1.1. Situação – Europa: Equipamentos PLC ............................................................72 4.9.1.2. Situação – Estados Unidos: Rede e Estrutura PLC...........................................72 4.9.1.3. Regulamentação Brasileira para o PLC ............................................................73
5. Internet e PLC no Brasil........................................................................................................74 5.1. Dificuldades ..................................................................................................................74 5.2. PLC no Brasil ................................................................................................................76 5.3. Infra-estrutura disponível ..............................................................................................77 5.4. Viabilidade Econômica .................................................................................................78 5.5. Economizando tempo e Dinheiro..................................................................................80
6. Projeto de integração Tecnológica ........................................................................................82 6.1. Cenário ..........................................................................................................................82
6.1.1.1. A Rede de Acesso PLC .....................................................................................85 6.1.1.2. A Rede de Distribuição PLC.............................................................................86 6.1.1.3. Redes de provedores de serviços (Internet).......................................................87 6.1.1.4. Possíveis Problemas ..........................................................................................87 6.1.1.5. Taxa de Transmissão das Tecnologias PLC......................................................88
7. Conclusões ............................................................................................................................89 8. Referências Bibliográficas ....................................................................................................90
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1. Introdução
A idéia de se usar conexão entre equipamentos eletro-eletrônicos, via rede Elétrica, já é
antiga, data o primeiro registro escrito em 1920, quando a “American Telephone and Telegraph
Company” recebeu o registro de patentes na área de transmissão de ondas portadoras sobre
circuitos elétricos. Desde então esta tecnologia vem sendo estudada e ganhou ênfase
principalmente, na década de 70, quando países europeus e asiáticos se interessaram por ela.
O Powerline Communication (PLC), ou Comunicação por Rede Elétrica, constitui-se em
uma tecnologia que permite a transmissão de dados, imagens e áudio através de sinais emitidos
por ondas portadoras em uma determinada faixa de freqüência em redes de distribuição de
energia, sem a utilização de cabos de rede. Neste processo, a energia elétrica é somente um meio
físico de transmissão do sinal, onde haverá um adaptador de redes PLC que fará a ponte entre a
tomada elétrica e o computador. Em termos mais abrangentes tais como conexões entre cidades e
estados é necessário um equipamento chamado Máster PLC que inserirá esses sinais levando-os
a lugares mais afastados dos centros das cidades.
A tecnologia Powerline pode ser usada paralelamente com outras tecnologias de comunicação,
como rádio, ADSL, Cabo entre outros. E podendo também ser utilizada para formação de uma
rede local (Local Área Network), ou até mesmo para compartilhar Internet banda larga com
todos os usuários de uma mesma residência ou empresa, que proporcione o trabalho em
conjunto.
1.1. Objetivos do trabalho
O trabalho aqui proposto tem como objetivo compilar informações referentes ao sistema
de comunicação, para a transmissão de dados via rede de energia elétrica , visando determinar a
sua viabilidade de utilização.
Através deste trabalho, vislumbra-se a viabilidade de que residências, condomínios e
empresas aproveitem a estrutura da rede de energia elétrica de baixa tensão, já disponível, para
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beneficiar-se com a disseminação de uma rede de computadores, nos pontos mais diversos,
eliminando redundâncias de estruturas para transmissão de dados.
1.2. Objetivos específicos
• Criar materiais escritos, referentes ao sistema de comunicação por rede de energia
elétrica;
• Mostrar as possibilidades de aplicação dessa tecnologia;
• Descrever um modelo de transmissão de dados em rede de energia elétrica.
1.3. Delimitação do trabalho
A combinação de diversos meios de transmissão, diversas topologias e diversos
mecanismos de controle de acesso nos leva a uma miríade de redes.
Neste trabalho, verificaremos a viabilidade da transmissão de dados em Redes (linhas) de
Energia Elétrica, desconsiderando a sua construção física ao partir do princípio de que as linhas
hoje em uso em nossas residências, escolas, bibliotecas, empresas, etc..., Já estão adequadas a
isso.
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2. Redes de Computadores
Anteriormente a criação das redes, no princípio da década de 60, os computadores
enormes possuíam aproximadamente 10.000 transistores discretos. Na metade da década de 60
surgiram as pastilhas que eram capazes de armazenar vários transistores em um curto espaço. A
partir de então a integração e miniaturização dos componentes aconteceram com uma rapidez
gigantesca. Além disso, os preços de tais equipamentos também reduziram vertiginosamente. No
início da década de 70 foi publicado, pela Intel, um anúncio na revista Eletronic News no qual
afirmava a existência de um dispositivo que armazenava 2.000 transistores o que posteriormente
seria batizado de microprocessador.
Uma das principais conseqüências desse desenvolvimento tecnológico foi uma
proliferação de sistemas de tamanho pequeno, que se aperfeiçoaram ano a ano, levando a uma
nova necessidade: a de interconectar esses equipamentos a fim de poder compartilhar recursos e
também trocar dados entre os diversos sistemas.
No final da década de 60 começou a funcionar uma rede sem fio chamada ALOHA, que
utilizava o primeiro algoritmo que permitia a comunicação entre estações utilizando um canal
único. Tal algoritmo ficou sendo conhecido como protocolo de acesso múltiplo, e permitia que
estações de trabalho existentes nas ilhas do Hawaii se comunicassem entre si. Essa rede foi
desenvolvida principalmente por Norman Abramson, da Universidade do Hawaii. Nessa rede,
quando qualquer estação transmitia dados, e esperava um ACK para certificar-se que o pacote
chegou no destino. Caso o ACK não fosse recebido pelo emissor, a conclusão era de que ocorreu
uma colisão, ou seja, outra estação transmitiu simultaneamente. Nesse caso, ela esperava
randomicamente por determinada faixa de tempo e tentava novamente.
Esse sistema era conhecido como ALOHA puro e tinha uma eficiência muito baixa (o
máximo que se conseguia era aproximadamente 18% devido ao aumento na taxa de colisões).
Uma das principais melhorias nesse sistema foi o ALOHA “slotted”, que possuía um relógio de
sincronismo, onde as estações só transmitiam com o relógio de sincronização. As colisões
ocorriam somente no início das transmissões, e não mais durante todo o tempo de duração do
quadro. A eficiência na transmissão aumentou para aproximadamente 37%.
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Durante o fim do ano de 1972, Bob Metcalfe, na época trabalhando na Xerox,
desenvolveu um sistema para interconectar os computadores Xerox Alto (entre eles e com
impressoras). O sistema desenvolvido teve como base o ALOHA, e tinha uma taxa de
transmissão de aproximadamente 2,94 Mbit/s, conectando mais de cem estações na distância de
1 km. Essa rede foi chamada de “Alto ALOHA Network”. Em 1973, Metcalfe mudou seu nome
para Ethernet, para deixar claro que o sistema funcionava em qualquer máquina, e não apenas
nos computadores da Xerox.
Em 1976, a Ethernet foi publicada na revista Communications of the ACM, sendo
apresentado ao público. A patente para o sistema foi criada em 1978, pela Xerox. A Ethernet fez
tanto sucesso que a DEC, Intel e Xerox, desenvolveram uma especificação de uma rede Ethernet
a 10 Mbit/s. A primeira publicação do padrão Ethernet original foi em 1980, pela DEC, Intel e
Xerox (padrão DIX), e posteriormente liberado sem qualquer ônus para a criação das normas
abertas, juntamente com o nome “Ethernet”.
Durante esse período vinham acontecendo vários esforços para desenvolvimento de padrões
abertos, e o instituto IEEE tomou como base a norma DIX para criar o padrão IEEE 802.3, em
1985, chamado “IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
(CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications”. Ao longo de 1979, Bob
Metcalfe fundou a empresa 3Com (Computer,Communication, Compatibility), objetivando
auxiliar na comercialização do Ethernet.
Depois da publicação da norma original IEEE 802.3 para cabo coaxial grosso, foi
desenvolvida uma nova norma para coaxial fino, mais barato. Essa tecnologia foi inventada
também pela equipe de Bob Metcalfe, da 3Com.
Desde então, essa tecnologia avançou rapidamente, passando da etapa experimental à
etapa comercial. Uma das principais razões desse desenvolvimento foi o aumento da velocidade
dos equipamentos e diminuição do custo de hardware.
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3. Literatura
3.1. histórico
Tudo começou em 1837, quando Samuel Morse aperfeiçoou o telégrafo; porém, somente
em 1844, tornou-se possível uma transmissão através do telégrafo elétrico, entre as cidades de
Washington D.C. e Baltimore, em Maryland, criando, com isso, um revolucionário conceito de
“Tempo Real” e “Longa Distância”. O telégrafo foi o precursor da comunicação digital e o
código Morse um código ternário, de comprimento variável, que usa um alfabeto de quatro
símbolos: um ponto, um hífen, um espaço entre letras e um espaço entre palavras.
Em 1864, James Clerk Maxwell formulou a “Teoria Eletromagnética da Luz” e
prognosticou a existência de “Ondas de Rádio”, que foi estabelecida, experimentalmente por
Heinrich Hertz, em 1887.
Anos depois, Emilie Baudot desenvolveu um código binário de tamanho fixo para
telegrafia. Nele, adaptado para o uso em máquinas telegráficas, cada código de palavras consiste
de cinco elementos, de tamanhos iguais, atribuindo-se a cada um deles um de dois estados
possíveis: uma marca ou um espaço (i.e. símbolo 1 ou 0 nos dias atuais).
Nesse mesmo ano, o telefone foi inventado por Alexander Graham Bell, um professor de
surdos. Através desse instrumento se tornou possível a transmissão da voz em tempo real,
valendo-se de codificações elétricas e replicação do som. A primeira versão do telefone foi
imatura e frágil, pois habilitava a conversação entre duas pessoas, desde que estivessem a poucos
metros de distância uma da outra. Quando o serviço telefônico tinha apenas alguns anos, foi
automatizado.
Em 1894, Oliver Lodge fez uma demonstração da “Comunicação sem Fio”, através de
uma distância, relativamente curta, aproximadamente 137 m.
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Em dezembro de 1901, Guglielmo Marconi recebeu um sinal de rádio em Signal Hill –
Canadá, o qual teve origem em Cornwall, na Inglaterra.
Em 1904, John Ambrose Fleming inventou o diodo de tubo a vácuo, que serviu de
alicerce para a invenção do triodo de tubo a vácuo, desenvolvido por Lee de Forest, em 1906.
A descoberta do triodo foi de extrema importância para o desenvolvimento do telefone
transcontinental, em 1913, assinalando, o início da comunicação sem fio com o uso da voz. Até a
invenção e o aperfeiçoamento do transistor, o triodo se manteve como a invenção suprema para
os projetos de amplificadores eletrônicos.
Em 1905, Reginald Fessenden demonstrou o telefone sem fio, através da transmissão de
voz e música em um canal de rádio.
Em 1918, Edwin H. Armstrong inventou o receptor de rádio super heterodino, sendo
ainda hoje, quase todos os receptores de rádio desse tipo.
Esse mesmo cientista, em 1933, demonstrou outro conceito revolucionário um “Esquema
de Modulação” que chamou de “Modulação em Freqüência” (FM).
Em 1928, Philo T. Farnsworth demonstrou o primeiro sistema de televisão totalmente
eletrônico, que teve sua continuidade em 1929, através de Vladimir K. Zworykin.
Ainda em 1928, Harry Nyquist publicou um artigo clássico sobre a “Teoria do Sinal de
Transmissão na Telegrafia”. Na verdade, Nyquist desenvolveu critérios para a correta recepção
do sinal telegráfico transmitido através de canais dispersos, com ausência de ruídos. Grande
parte desse trabalho foi empregada, mais tarde, na transmissão de dados digitais através de
canais dispersos.
Em 1937, Alec Reeves inventou a “Modulação por Código de Pulso” (PCM), que seria
usada no código digital do sinal de voz. A técnica foi desenvolvida durante a II Guerra Mundial,
com o único objetivo de aumentar os sinais de voz. Vinte e quatro canais de sistema foram
usados em campos de batalha por militar norte americanos, no final da guerra; no entanto, tal
modulação teve que aguardar a descoberta do transistor e o desenvolvimento dos circuitos
integrados em larga escala, para que pudesse ser explorada comercialmente.
Em 1943, D. O. North inventou um filtro que podia detectar um sinal conhecido que
estivesse adicionado ao ruído. Um resultado parecido foi obtido em 1946 por J. H. Van Vleck e
D. Middleton, que estabeleceram o termo “filtro casado”.
Em 1947, foi desenvolvida, por V. A Kotel’nikov, a representação geométrica de sinais e
apresentada em uma dissertação de Doutorado ao Conselho Acadêmico do Instituto de Energia
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Molotov, em Moscou. Esse trabalho teve seu prosseguimento e total disseminação em 1965, em
um livro texto publicado por John M. Wozeneraft e Irwin M. Jacobs.
Em 1948, os fundamentos teóricos da comunicação digital foram derrubados por Claude
Shannon, em um artigo intitulado “Uma Teoria Matemática da Comunicação”, que foi recebido
com entusiasmo pela crítica. Talvez tenha sido essa resposta que levou Shannon a retificar o
título do artigo para “A Teoria Matemática da Comunicação”, quando ele foi reimpresso, um ano
depois, em um livro, com a co-autoria de Warren Weaver. A teoria da comunicação foi pega de
surpresa, quando Shannon provou que não era verdade que, se aumentássemos a taxa de
transmissão de informação através do canal, poderíamos aumentar a probabilidade de erro,
provando que a taxa de transmissão era inferior à capacidade do canal.
Estamos ainda no ano de 1948; o transistor, finalmente foi inventado nos laboratórios da
Bell Co.. Os autores dessa façanha foram Walter H. Brattain, John Barden e William Shockley.
A partir daí, começou uma nova era. O primeiro circuito integrado de silicone (IC) foi produzido
por Robert Noyce em 1958, proporcionando o desenvolvimento dos circuitos integrados em
larga escala (VLSI) e dos microcomputadores com chip simples, mudando para sempre a
natureza das indústrias de telecomunicações.
A invenção do transistor estimulou as aplicações de eletrônica voltadas para a
comunicação digital, devido à confiança, à capacidade de crescimento e ao seu custo reduzido. A
primeira ligação telefônica, utilizando um sistema interno, ocorreu em março de 1958, no
laboratório da Bell Co. e o primeiro serviço de telefone comercial, usando ligação digital,
começou em Morris, em Junho de 1960. A primeira transmissão do “Sistema Carrier” foi
instalada em 1962, no mesmo laboratório.
Durante o período de 1943 a 1946, foi construído o primeiro computador eletrônico
digital, na Escola de Engenharia Eletrônica da Pensilvânia, sob a direção técnica de J. Presper
Eckert Jr. e John W. Mauchly. Entretanto, foram as contribuições de John Von Newman que
serviram de base para a teoria, o projeto e a aplicação de computadores digitais. Os
computadores só começaram a se comunicar entre si, em projetos envolvendo longas distâncias,
no início dos anos 50 e usavam em suas conexões os canais telefônicos de voz, operando a
baixas velocidades (300 a 1200 bps). Vários fatores têm contribuído para o crescimento da
velocidade de Transmissão de Dados e, ao redor deles, existe a idéia de “Equalização
Adaptativa”, iniciada por Robert Lercky, em 1965 e das “Técnicas de Modulação Eficientes”,
cujo precursor foi G. Ungerboeck, em 1982.
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O maior impacto da comunicação de computadores foi alcançado através do
“ARPANET” – Advanced Research Project Network (Projeto Avançado de Recursos de Rede),
que entrou em funcionamento em 1971, tendo como patrocinador oficial a Agência de Projetos
de Recursos Avançados do Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América.
3.2. Hardware
Para a formação das redes, objetivando a comunicação de dados, existe no mercado uma
gama enorme de equipamentos e especificações. A utilização e disposição se dão mediante as
diferentes necessidades de cada aplicação: distâncias, volume de dados, quantidade de
equipamentos na rede, quantidade de usuários, etc.
O sistema de comunicação vai se constituir de arranjo topológico interligando os vários
módulos processadores através de enlaces físicos (meios de transmissão) e de um conjunto de
regras com o fim de organizar a comunicação (protocolos). [SOA05]
Citamos os mais comuns para a implementação de uma rede de comunicação.
3.2.1. Placa de Rede
Também chamada de NIC (Network Interface Card) ou placa Ethernet, é uma placa
interna que pode ser adicionada a um computador (normalmente PC) para prover uma interface
de hardware entre a mídia de transmissão e o método de transporte usado pelo PC para aquela
mídia de transmissão. [VAR02]
3.2.2. Hub
O hub é um dispositivo que reside no core (núcleo) de uma rede ou sistema de
cabeamento com topologia estrela. O hub se conecta a estações e a outros hubs. Dentro de uma
LAN, um hub provê um local centralizado para conexões e gerenciamento de rede, permitindo
aos gerentes de rede configurar e controlar LANs de grande porte geograficamente dispersas de
um único ponto na rede. Pode-se conectar hubs juntos em uma topologia hierárquica estrela para
se formar uma rede maior. [VAR02].
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3.2.3. Repetidor
Repetidores (ou Repeaters) são equipamentos que permitem aumentar a distância
máxima entre as estações. É definido para redes Ethernet o número máximo de quatro
repetidores entre duas estações quaisquer. Um repetidor regenera os sinais digitais, o que permite
estender o comprimento da rede.
Repetidores podem conectar uma variedade de mídias de transmissão, tais como cabo
coaxial fino e grosso. Repetidores regeneram sinais, e não executam nenhuma ação nos pacotes
de dados, ao contrário de bridges e routers que tipicamente examinam e tomam decisões sobre os
pacotes que eles recebem e então os processam. Os repetidores operam na camada física do
modelo OSI. [VAR02].
3.2.4. Bridge
Bridge é um produto com a capacidade de segmentar uma rede local em sub-redes com o
objetivo de reduzir tráfegos ou converter diferentes padrões de LANs (de Ethernet para Token-
Ring por exemplo).
As bridges diferenciam-se dos repetidores (repeaters), pois manipulam frames ao invés
de sinais elétricos. As bridges possuem vantagens sobre os repetidores, pois não retransmitem
ruídos, erros, ou frames mal formados. Um frame deve estar completamente válido para ser
retransmitido por uma bridge. A bridge atua na camada dois do modelo de referência ISO/OSI.
[VAR02].
3.2.5. Switches
Ao contrário dos hubs convencionais de mídia compartilhada onde todos os pacotes
recebidos pelo hub são encaminhados para todas as estações conectadas à rede local, um switch
direciona cada pacote recebido de uma de suas portas para uma porta específica de saída, para
encaminhamento a seu destinatário final. Os switches também podem operar enviando e
recebendo dados ao mesmo tempo em ambos os sentidos (modo full duplex), significando que
cada estação pode transmitir dados para a rede local independentemente das outras estações. Esta
tecnologia de switching permite um throughput elevado e rápidas velocidades de envio de
mensagens para todas as estações transmitindo na rede local. [VAR02].
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3.2.6. Roteadores
Os roteadores (routers) decidem sobre qual caminho o tráfego de informações (controle e
dados) deve seguir. Operam na camada de nível três do modelo de referência ISO/OSI e fazem o
roteamento de pacotes entre redes locais ou remotas.
Os roteadores permitem que LANs tenham acessos a WAN. Normalmente um roteador
tem uma porta LAN (Ethernet ou Token-Ring) e várias portas WAN (PPP, X.25, Frame-Relay,
ISDN) e trabalham com IP ou IPX. [VAR02].
3.2.7. Servidor de Terminais
Um Servidor de Terminal (Terminal Server) é um periférico independente numa rede
Ethernet TCP/IP. Possue alimentação própria, processador, memória, interface Ethernet - que
permite conexão à rede TCP/IP. [VAR02].
3.2.8. Gateway
Os gateways atuam em todas as camadas do modelo ISO/OSI, e têm o objetivo de
permitir a comunicação entre duas redes com arquiteturas distintas. Estes equipamentos
resolvem problemas de diferença entre tamanho máximo de pacotes, forma de endereçamento,
técnicas de roteamento, controle de acesso, time-out, entre outros. [VAR02].
3.2.9. Servidor de Acesso Remoto
A definição de um Servidor de Acesso Remoto (aqui chamado somente de “RAS“ –
Remote Access Server) confunde-se, de certa forma, com a do Servidor de Terminais, sendo
muito mais ampla. Um RAS conecta usuários remotos a LANs através de modems (portas seriais
RS-232), ISDN, ADSL ou outras tecnologias.
Através do RAS, o usuário remoto tem acesso aos recursos da LAN – aplicações,
impressoras, banco de dados, etc. – como se estivesse localmente conectado à LAN. [VAR02].
3.2.10. Modems
Equipamentos capazes de realizar modulação e demodulação de sinais.
Um receptor que deseje recuperar um dos sinais transmitidos numa linha multiplexada na
freqüência, deverá conhecer a faixa de freqüência que está sendo utilizada para a sua
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transmissão. Dessa forma, ele poderá deslocar o sinal recebido de forma a fazer o sinal desejado
ocupar novamente a sua faixa original (de 0 a Q Hz). O sinal GHPRGXODGR pode, a seguir,
ser filtrado para conter somente o sinal original. [SOA05].
3.3. Meio de transmissão
A mídia de transmissão é utilizada para transportar os sinais da rede de um dispositivo
para outro.
O sistema de comunicação vai se constituir de arranjo topológico interligando os vários
módulos processadores através de enlaces físicos (meios de transmissão) e de um conjunto de
regras com o fim de organizar a comunicação (protocolos). [SOA05].
Alicerçado nas tecnologias já conhecidas e amplamente divulgadas na literatura,
relacionamos o que envolve este trabalho, iniciando pelo meio físico de transmissão, visto que:
“Qualquer meio físico capaz de transportar informações eletromagnéticas é passível de
ser usado em redes de computadores. Os mais comumente utilizados são o par trançado, o cabo
coaxial e a fibra ótica. Sob circunstâncias especiais, radiodifusão, infravermelho, enlace de
satélite e microondas também são escolhas possíveis” [SOA05].
3.3.1. A função dos cabos
O termo “Cabeamento de Rede” normalmente refere-se a fios de cobre, trançados ou
blindados, contidos em uma cobertura externa feita de plástico.
No entanto, em muitos cabos, a cobertura envolverá tranças de plástico ou fibra de vidro
que conduzem luz da mesma forma que o cobre conduz eletricidade, ou sinais entre dois pontos.
3.3.2. Tipos de cabos e fios
Nem todos os cabos são iguais. Qualquer fio pode ser um condutor, mas em sistemas
elétricos são necessários dois fios para formar um circuito completo. Quando dois ou mais fios
são combinados de forma a obedecer a determinados padrões, chamamos o conjunto de cabo.
A Indústria de redes padronizou, principalmente, três tipos de mídias físicas, que são
descritas a seguir e, por último, a mídia que é o motivo deste trabalho, a rede de energia elétrica
de baixa tensão.
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3.3.3. Cabo coaxial
As vezes chamado de coax, é um condutor de cobre central, uma camada de isolamento
flexível, uma blindagem com uma malha ou trança metálica e uma cobertura externa de
isolamento e revestimento de proteção.
A malha externa do cabo coaxial forma metade do circuito elétrico, além de funcionar
como blindagem para o condutor interno. Portanto, ela deve estabelecer uma sólida conexão
elétrica em ambas as extremidades do cabo.
Figura 3.1- Cabo Coaxial
Vantagens:
• Imunidade superior ao ruído;
• Suporta banda base e banda larga;
• Cada segmento alcança distância maiores que o par trançado;
• Pode transmitir voz, dados e imagens;
• É uma tecnologia bem dominada;
• Permite multiderivação (redes em barramento).
Desvantagens:
• Mais oneroso que o par trançado;
• Sua instalação é mais difícil e mais cara;
• Falta de segurança;
• Na multiderivação, a falha em um único ponto impede a comunicação entre os outros
nós.
O padrão 802.3 do IEEE, 10BASE2 é uma especificação para redes Ethernet de
comunicação de dados a 10MBps em cabos coaxiais com distância máxima de 185 metros e
conectores BNC, [DAV06], para uso com cabos finos.
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3.3.4. Par Trançado – com blindagem (STP)
É composto por pares de fios com uma blindagem formada por uma folha de cobre ao
redor de todos os seus fios. E, ao contrário do que acontece com os cabos coaxiais, a blindagem
não faz parte do caminho percorrido pelo sinal.
Figura 3.2 – Par Trançado com blindagem
O padrão 802.5 do IEEE, 10Base2 é um padrão que surgiu como alternativa econômica
ao padrão 10Base2. Utiliza topologia em estrela, com ajuda de concentradores.
3.3.5. Par Trançado – sem blindagem (UTP)
É composto por quatro pares de fio de cobre sólidos, sendo cada par isolado do outro e
todos são trançados juntos dentro de uma cobertura externa. Não há uma blindagem física nos
cabos UTP. O cabo UTP se baseia unicamente no efeito de “cancelamento” para reduzir a
absorção e a radiação de energia elétrica. O Cancelamento é a corrente que flui através de um fio
cria um campo eletromagnético ao redor dele. Como a corrente flui em direções opostas, dentro
de cada fio de um circuito elétrico, cancelam um ao outro, anulando as fontes externas de ruído
elétrico.
Figura 3.3 – Par Trançado sem blindagem
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Vantagens do UTP (10 Base T):
• Baixo custo;
• Facilidade de conectar dispositivos;
• Facilidade de instalação;
• Pode ser blindado com a finalidade de diminuir as interferências que o próprio cabo
venha gerar ou receber no meio ambiente;
• A eventual falha de um cabo não afeta os outros nós da rede;
• Oferece maior segurança que o cabo coaxial.
Desvantagens:
• Pode sofrer e causar interferências no meio ambiente, principalmente quando usado
em velocidades altas (100Mbps);
• Quando blindado, pode gerar despesas e mão-de-obra adicional na manutenção do
aterramento;
• Tem banda de passagem limitada em relação ao cabo coaxial e à fibra óptica;
• Este cabo não protege os dados contra interferência elétrica.
10Base2 especificações para redes Ethernet de comunicação de dados a 10 Mbps em
cabos de par trançado. [DAV06].
3.3.6. Fibra Ótica
Cada metade do cabo de fibra ótica é composta de camadas de material. Consiste em
duas fibras com invólucros distintos. Cada fibra de vidro é envolvida por um revestimento, como
uma capa plástica, por uma camada protetora de “Kevlar” e por uma cobertura externa. O Kevlar
é uma fibra que amortece impactos e proporciona maior robustez (é uma marca registrada da
Dupont).
É um fio fino de vidro que transmite vibrações de raios de luz em vez de freqüências
elétricas. Quando uma extremidade do fio é exposta à luz, o fio transporta a luz para a outra
extremidade – fazendo curvas com uma perda de energia mínima ao longo do caminho. Como a
luz viaja muito mais rápido que a eletricidade, o cabo de fibra óptica transporta facilmente dados
a 100Mbps. Este cabo é imune às interferências eletromagnéticas. Por isso tem maior alcance
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dos sinais, proporcionando maior velocidade de transmissão e distâncias maiores são obtidas. É
adequado pra conectar prédios com diferentes aterramentos elétricos. É extremamente caro.
Figura 3.4 – Fibra Ótica
Vantagens:
• Taxas de transferências muito altas;
• Não produzem nem sofrem interferências eletromagnéticas;
• Transportam os sinais por distâncias maiores com menor degradação.
Desvantagens:
• Pessoal mais especializado (mais caro, portanto) para fazer a instalação;
• Mais difícil adicionar e excluir nós;
• Preço mais alto que os outros cabos.
3.3.7. Condutores de Energia Elétrica de Baixa Tensão
Os condutores elétricos de baixa tensão têm uma constituição mais simples que os condutores
de média e alta tensão (Figura 3.5). Vejamos:
Condutor – elemento metálico, geralmente der fios de cobre nu, de forma cilíndrica, com uma
função específica de transportar energia elétrica.
Cabo – conjunto de fios encordoados, isolados ou não entre si, podendo o conjunto ser isolado
ou não.
Isolamento – é a parte que envolve o condutor com a finalidade de isolar o potencial em que se
encontra o mesmo tal modo que, mesmo energizado, não há risco de potencial de contato na
parte externa do conjunto.
Capa Externa – protege o isolamento contra os agentes agressivos do ambiente quando o meio
de instalação não oferecer esta proteção.
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Figura 3.5 – Condutores Elétricos de Baixa Tensão
3.4. Método de Transmissão
Existem dois métodos de transmissão em redes modernas: banda passante base
(baseband) e banda passante larga (broadband).
O método de transmissão de banda base define que somente um sinal digital pode viajar
pela mídia e que sua velocidade não pode ser superior a 100 Mbps. A informação é posta na
mídia sem nenhum tipo de modulação e cada sinal transmitido utiliza a largura da banda total da
mídia. [SOA05].
Como exemplo, o cabo UTP, de par trançado, a fibra ótica e o cabo coaxial para banda
base são os mais comuns para esse tipo de transmissão.
O método de transmissão de banda larga permite que vários sinais possam viajar ao
mesmo tempo pela mídia. [SOA05].
Como exemplo, o cabo de fibra ótica e o coaxial para banda larga são os mais comuns
para esse tipo de transmissão. O sistema de televisão via cabo é o melhor exemplo de que vários
canais podem ser vistos, mesmo viajando através de um único cabo. Já o condutor elétrico pode
ser utilizado para transmissão em banda larga.
3.5. Software
Qualquer programa ou grupo de programas que instrui o Hardware sobre a maneira como
ele deve executar uma tarefa. Neste trabalho, citaremos os softwares de base e aplicativos,
relativos a redes.
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3.5.1. Sistema Operacional
(...) é um conjunto de programas que controla e supervisiona todas as operações internas
de um computador, gerenciando a comunicação entre os programas e o hardware. [BIA08]
3.5.2. Protocolos
Um protocolo é um conjunto de regras que orienta uma seqüência temporal de eventos
que têm lugar entre entidades não-hierárquicas – ou seja, entre equipamentos ou camadas do
mesmo nível. [HEL09]
3.6. Redes
A combinação de diversos meios de transmissão, diversas topologias e diversos
mecanismos de controle de acesso nos leva a uma miríade de redes.
Uma rede de comunicação, ou simplesmente “rede”, é formada pela interconexão de um
número de módulos, feitos de processadores inteligentes (microcomputadores).
A rede é designada para servir como um recurso compartilhado na troca de informações
entre estações de trabalho, de uma maneira eficiente, fornecendo, ainda, uma ferramenta de
trabalho que suporte novas aplicações e serviços.
As redes de computadores são classificadas conforme sua área física de abrangência.
Essa área de abrangência determina qual tecnologia deverá ser empregada, ou seja, determinará
quais equipamentos, protocolos, etc, são mais adequados.
3.6.1. LANs
LANs (Local Área Networks ou Redes Locais) são basicamente redes de dados de alta
velocidade, baixa taxa de erros de transmissão. As LANs conectam servidores, estações,
periféricos, terminais e outros dispositivos em um ou mais edifícios ou outra área
geograficamente limitada, que é o caso de uma biblioteca, como exemplo.
A transferência das mensagens é gerenciada por um protocolo de transporte como
IPX/SPX, NetBEUI e TCP/IP. [VAR02].
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3.6.2. MANs
MANs (Metropolitan Área Networks ou Rede Metropolitana) são basicamente uma
versão ampliada de uma LAN, pois os dois tipos de rede utilizam tecnologias semelhantes. Uma
MAN pode abranger um grupo de escritórios vizinhos ou uma cidade inteira e pode ser privada
ou pública. Este tipo de rede é capaz de transportar dados e voz, podendo, inclusive, ser
associado à rede de televisão a cabo local. Uma MAN tem apenas um ou dois cabos e não
contêm elementos de comutação, capazes de transmitir pacotes através de uma série de linhas de
saída. A ausência desses elementos simplifica a estrutura. [SOA05].
3.6.3. WANs
WANs (Wide Área Networks ou Rede Geograficamente Distribuída) são a interligação
de diversos sistemas de computadores localizados em regiões fisicamente distantes. As WANs
utilizam linhas de transmissão de dados oferecidas por empresas de telecomunicações, como as
Teles e suas concessionárias.
3.6.4. Escolha dos cabos de redes locais ou metropolitanas
A topologia física de uma rede é suportada pelo cabeamento. Os cabos se dispõem em 2
tipos de estruturas básicas: cabeamento vertical (backbone) interligando os demais segmentos
componentes (seguidamente distribuídos por andares de uma edificação) e o cabeamento
horizontal representado pela topologia estrela.
O cabeamento horizontal mais utilizado é o par trançado não-blindado (UTP) categoria 5.
O cabeamento de interligação de servidores corporativos, bem como o cabeamento
vertical deverá, em princípio, ser feito em enlace de fibra ótica. Entre os servidores convém
adotar a tecnologia ATM (Asynchronous Transfer Mode), isso permite que se levem serviços
integrados de transmissão de dados, voz, texto e imagens. A velocidade, neste modo, é de 1,544
Mbps até 10Gbps.
A escolha de par trançado não-blindado (UTP) categoria 5 para formação de uma rede
local se justifica principalmente por:
• Facilidade de instalação;
• Baixo custo;
• Altas taxas de transmissão;
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• Conectividade simples.
O cabo UTP flexível deve ser usado nos segmentos curtos das instalações (placas de redes,
tomadas de parede, hubs). O cabo UTP rígido tem aplicação bem mais geral. É projetado para
instalações dos cabos horizontais e nas instalações entre gabinetes do cabeamento.
Locais ruidosos como aeroporto e fábricas devem usar cabo blindado STP (ou UTP
blindados com cobre trançado). Locais movimentados (como comércio) podem optar por uma
blindagem de lâmina.
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4. Comunicação por Linha Elétrica (PLC)
O uso das redes de distribuição de energia elétrica como meio de transmissão de sinais de
comunicação é bastante difundido entre as empresas de energia elétrica. Circuitos de baixa e de
alta tensão vêm sendo utilizados desde a década de 60 para o transporte de informações
operacionais de voz, comando e controle dessas empresas. São bastante conhecidos e utilizados
pelas empresas os sistemas Power Line Carrier (onda portadora em linhas de alta tensão –
OPLAT), de acoplamento capacitivo às linhas de alta tensão. São, também, exemplos de
aplicação dessa tecnologia sistemas de baixa velocidade para o controle/comando de reatores na
rede de baixa tensão que, por exigirem baixas taxas de transmissão, permitem a utilização de
canais de transmissão com portadoras de baixas freqüências.
A crescente demanda por serviços de telecomunicações e a falta de infra-estrutura física
de telecomunicações suficiente para levar esses sinais até o usuário final tem atraído o interesse
dos fabricantes para a utilização das redes de distribuição de baixa e média tensão como suporte
para esse tipo de aplicação, que exige largura de banda maior que os tradicionalmente utilizados.
A utilização de redes de distribuição de baixa e média tensão para o transporte de sinais
de banda larga conduziu ao aperfeiçoamento da tecnologia já existente, dando origem à
tecnologia Power Lline Communications – PLC banda larga.
Pelo estudo do assunto levou em consideração que:
• O nível de desenvolvimento da tecnologia é bastante elevado, comprovado através da
realização de diversos testes de campo bem sucedidos;
• Já existem diversas operações comerciais em desenvolvimento / andamento;
• Já existe um número razoável de fornecedores oferecendo seus produtos
comercialmente: EBA, MainNet, DS2, Amperion, Current Technologies, Ascom, etc.;
• Existem diversas empresas de energia elétrica, interessadas nas possibilidades da
tecnologia que, além de atender suas necessidades internas, permite a oferta de serviços
de comunicações em banda larga.
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É importante salientar que, em 23 de abril de 2003, a Agência Regulatória Federal de
Serviços de Telecomunicações dos Estados Unidos – FCC - emitiu diversas declarações de seu
presidente, Commissioner Powell e conselheiros, favoráveis ao emprego de tecnologia conhecida
como PLC (Power Lline Communications), tendo, inclusive, alterado o nome/referência para
BPL (Broadband Over Ppower Lines).
Com a apresentação deste trabalho, difundir o conhecimento dos aspectos tecnológicos,
regulatórios e negociais dessa tecnologia, proporcionando-lhes condições básicas para a
avaliação da viabilidade de implantação de sistemas rentáveis de powerline (PLC).
4.1. O que é PLC?
O PLC é uma tecnologia que permite a transmissão de voz e dados pelas tomadas
elétricas convencionais utilizando cabos de média e baixa tensão. Este sistema possibilita
atualmente a transmissão de informação a uma velocidade de até 135 Mbps.
4.2. História
Sistemas de Powerline Carrier, chamados no Brasil de OPLAT (Ondas Portadoras em
Linhas de Alta Tensão), têm sido utilizados pelas empresas de energia elétrica desde a década de
1920. Estes sistemas foram e ainda são utilizados para telemetria, controle remoto e
comunicações de voz. Os equipamentos são muito robustos e normalmente tem uma vida útil
superior a trinta anos. Somente recentemente, com o avanço de instalação de fibras ópticas e
barateamento de sistemas de telecomunicações, diversas empresas de energia elétrica decidiram
abandonar o velho e bom Carrier. Em efeito resposta, os fabricantes estão deixando de produzir
estes equipamentos por falta de demanda.
Algumas poucas aplicações de banda estreita em residências e sistemas de segurança e
automação predial utilizam ainda sistemas de Powerline Carrier de banda estreita, baixa
velocidade e com modulação analógica.
Em 1991, Dr. Paul Brown da Norweb Communications (Norweb é a empresa de Energia
Elétrica da cidade de Manchester, Inglaterra) iniciou testes com comunicação digital de alta
velocidade utilizando linhas de energia. Entre 1995 e 1997, ficou demonstrado que era possível
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27
resolver os problemas de ruído e interferências e que a transmissão de dados de alta velocidade
poderia ser viável.
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 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.
Em março de 1998 a Nortel e a Norweb criaram uma nova empresa intitulada de
NOR.WEB DPL com o propósito de desenvolver e comercializar Digital PowerLine (DPL).
Todas as empresas elétricas do mundo estavam pensando em se tornar provedores de
serviços de telecomunicações utilizando seus ativos de distribuição. Devemos lembrar que o
setor de telecomunicações estava passando por um crescimento explosivo no mundo (celular e
Internet) e particularmente no Brasil estava em curso a maior privatização de empresas de
telecomunicações.
O acompanhamento dos desenvolvimentos e progressos da tecnologia Powerline era feito
na época, no Brasil, pelo Sub-comitê de Comunicações do GCOI e a APTEL.
Atualmente temos diversos produtos comerciais com tecnologia Powerline
Communications e o próprio FCC (Federal Communications Commission) fizeram diversas
declarações sobre a viabilidade desta tecnologia.
4.3. Estrutura de uma rede elétrica
Na figura 4.1 esquematiza-se uma estrutura de uma rede elétrica. Nela se podem
distinguir quatro segmentos de interesse.
• Rede de tensão alta: transporta a energia dos centros de geração até as áreas de
consumo grandes. As distâncias de transporte são grandes, o que implica tensões
altas para minimizar as perdas (uma região, um país, entre paises).
• Rede de tensão média: distribui a energia dentro e uma área de consumo
determinada (uma cidade, um distrito).
• Rede de tensão baixa: distribui a energia aos locais de usuários finais, tensão de
utilização final (110V-220V-380V).
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• Rede de distribuição doméstica: compreende o cabeameno de energia e as
tomadas dentro das residências dos usuários finais.
Figura 4.1 – Modelo de referencia da rede de distribuição elétrica.
4.3.1. Rede de Distribuição Doméstica
O objetivo é converter o cabeamento de distribuição doméstica em uma rede local, sendo
cada tomada um ponto de acesso a esta rede. Constitui em uma grande viabilidade em que não é
mais necessária uma nova instalação de cabos de rede como se tem costume atualmente, assim
como a possibilidade de controlar dispositivos elétricos para a mesma tomada que provem a
energia.
Isto fez com que existam tecnologias no mercado para este segmento, baseado no X-10
standard e em tecnologia Echelon. Ao considerar as soluções PLC total, a distribuição utilizando
a rede interna dos usuários constituem uma grande vantagem em relação às soluções
alternativas.
4.3.2. Rede de Baixa e Média tensão
As redes da tensão baixa e média podem ser consideradas conjuntamente, desde que as
soluções adotadas incluam ambas as redes. A rede de baixa tensão constitui o que no domínio
29
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das telecomunicações ocorreu em chamar "a última milha"; estende-se do transformador da
média à tensão baixa aos medidores dos usuários.
Embora seja óbvio, é pertinente recordar que a rede elétrica não tenha sido projetada para
transportar informação que requer certa largura de banda; no fato constitui meios muito hostis:
um canal com uma resposta de freqüência muito variável no tempo e muito ruidoso.
4.3.3. Rede de Alta tensão
Utilizam-se para transportar sinais da telemetria e informação da supervisão da rede.
Também é freqüente que as companhias de energia utilizem uma infra-estrutura de
telecomunicação para cobrir suas próprias necessidades com as comunicações entre subestações.
É comum que esta infra-estrutura é baseada na fibra ótica que utiliza como suporte, embora
também possa ser baseada nas ligações via rádio.
4.4. Conceitos Básicos
Nessa seção serão abordados aspectos relativos a fundamentos de comunicação de dados que
formam a base da tecnologia PLC.
4.4.1. Modulação
Por definição, a modulação é a variação de um parâmetro de uma onda portadora senoidal, de
maneira linearmente proporcional ao valor instantâneo do sinal modulante ou informação. Por
suas vez, a portadora é a onda senoidal que, pela modulação de um dos seus parâmetros, permite
a transposição espectral da informação (ou sinal modulante). Devido à portadora senoidal ter três
parâmetros: Amplitude, Freqüência e Fase existem três formas básicas de modulação:
Modulação em Amplitude (AM), modulação em freqüência (FM) e modulação em fase (PM
Phase Modulation). [INT07a]
Para visualizarmos melhor o conceito apresentado, podemos observar na figura 4.2 abaixo a
forma de onda senoidal que consiste a portadora:
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30
Figura 4.2 – Onda senoidal
4.4.1.1. Modulação de Onda Continua
É a mais simples forma de modulação. A saída do transmissor é chaveada ligada e
desligada, tipicamente para formar os caracteres do código Morse.
Os transmissores de modulação de onda continua são simples e baratos, e o sinal
transmitido não ocupa muito espaço em freqüência (geralmente, menos que 500 Hz ). Entretanto,
os sinais de serão difíceis de serem ouvidos em um receptor normal; você irá ouvir apenas um
rápido e fraco período onde o ruído de fundo se torna quito conforme os sinais são transmitidos.
Para superar este problema, os receptores de radio amadores e de ondas curtas incluem um
circuito oscilador de freqüência de batimento (BFO - beta frequency oscillator). O circuito BFO
produz uma segunda portadora gerada internamente que "bate" contra o sinal recebido,
produzindo um tom que se liga e desliga junto com o sinal recebido. Isto é como os sinais de
código Morse são recebidos nas ondas curtas. [INT07a].
4.4.1.2. Modulação em Amplitude (AM)
Em AM - Amplitude Modulada - a força (amplitude) da portadora de um transmissor é
variada conforme a modulação do sinal varia. Quando se fala no microfone de um transmissor
AM, o microfone converte a voz em tensão variada. Esta tensão é amplificada e então usada para
variar a potencia da saída do transmissor. [INT07a]
31
31
A amplitude modulada adiciona potencia a portadora, com a quantidade adicionada sendo
dependente da intensidade da tensão de modulação. Podemos visualizar este processo
observando a figura 4.3, que demonstra como a amplitude da portadora está sendo variada para
transportar o sinal:
Figura 4.3 – Tensão senoidal variando
Na figura 4.4, é demonstrado o sinal da portadora e o sinal a ser enviado (sinal modulador ), e o
resultado final que é o sinal AM:
Figura 4.4 – Sinal Modulado em Amplitude
32
32
A amplitude modulada resulta em três freqüências separadas sendo transmitidas: a
freqüência da portadora original, uma banda lateral inferior ( LSB - lower side band ) abaixo da
freqüência da portadora, e uma banda lateral superior ( USB - upper side band ) acima da
freqüência da portadora. As bandas laterais são "imagens espelhadas" de cada uma e contem a
mesma mensagem. Quando o sinal AM é recebido, esta freqüência é combinada para produzir os
sons que ouvimos. Na figura 4.5, podemos visualizar os componentes do sinal modulado em
relação à freqüência:
Figura 4.5 – Freqüência em KHz relativa ao canal central
Cada banda lateral ocupa o mesmo espaço de freqüência que a mais alta freqüência de
áudio que está sendo transmitida. Se a mais alta freqüência de áudio que está sendo transmitida é
de 5 kHz, então o espaço total de freqüência ocupado por um sinal AM será de 10 kHz (a
portadora ocupa espaço desprezível).
O AM tem a vantagem de ser fácil de ser produzido em um transmissor e os receptores
AM são simples em projeto. Sua principal desvantagem é sua ineficiência. Aproximadamente
dois terços da potencia de um sinal AM é concentrada na portadora, a qual não contem
"inteligência". Um terço da potencia está dentro das bandas laterais, as quais contem a
33
33
inteligência do sinal. Considerando que as bandas laterais contem a mesma inteligência,
entretanto, uma é essencialmente "desperdiçada". Da potencia total de saída de um transmissor
AM, apenas aproximadamente um sexto é realmente produtiva, saída utilizável. Outra
desvantagem do AM inclui a relativamente larga quantidade de espaço de freqüência que o sinal
AM ocupa e sua suscetibilidade à estática e outras formas de ruído elétrico. Afora isto, o AM é
simples de sintonizar em receptores ordinários, e isto é o porque de ser utilizado em quase toda
radio difusão de ondas curtas. [INT07a]
4.4.1.3. Modulação em Fase (PM)
Nesse tipo de modulação o ângulo da onda portadora é variado de acordo com o sinal a ser
transmitido.
A modulação em fase consiste em variar linearmente o ângulo do sinal modulado, Um sinal
FM pode ser obtido de um sinal PM e vice-versa. Portanto, todas as propriedades de um sinal FM
podem ser deduzidas das propriedades de um sinal PM.
Uma conseqüência de se fazer o ângulo dependente da mensagem a ser transmitida é que
o cruzamento em zero do sinal PM ou FM perde a sua regularidade no espaçamento. O
cruzamento em zero é o instante de tempo em que a onda muda do positivo para o negativo e
vice-versa.
Esta característica distingue as modulações por amplitude das modulações por ângulo.
Outra diferença é que o envelope (forma de onda) do sinal PM ou FM é constante e igual à
amplitude da onda portadora, enquanto o envelope do sinal AM é dependente da mensagem a ser
transmitida.
4.4.1.4. Modulação por pulsos
A modulação por pulsos é forma digital de modulação. Aqui, ao contrário de uma onda
senoidal, um trem de pulsos é usado para transmitir informação. A base desta modulação é o
processo de amostragem.
O processo de amostragem consiste em amostrar-se um sinal analógico em determinados
instantes de tempo gerando uma seqüência de amostras, normalmente uniformemente espaçadas
no tempo.
É necessário que se escolha adequadamente a taxa de amostragem de forma que a
seqüência de pulsos gerada defina unicamente o sinal analógico original. O Teorema de Nyquist
34
34
estabelece que essa taxa deve ser maior do que o dobro da freqüência do sinal a ser amostrado
para que se possa recuperar o sinal original a partir de suas amostras.
Entretanto, para sinais que não possuem banda limitada, pode haver sobreposições de
componentes de alta freqüência sobre os de baixa freqüência (aliasing), tornando necessário o
uso de filtros no processo de amostragem (os chamados filtros antialiasing). Podem-se distinguir
duas famílias de modulação por pulsos: analógica e digital. [INT07a]
4.4.1.4.1. Modulação por pulsos Analógica
Esse tipo de modulação utiliza um trem de pulsos periódico como onda portadora e varia-
se alguma propriedade de cada pulso de acordo com o valor amostrado correspondente do sinal
da mensagem.
Os valores das amostras do sinal são transferidos para as amplitudes, durações ou
posições (figura 4.6) de pulsos de formato fixo conhecido.
Figura 4.6 – Modulação por pulso em Amplitude
4.4.1.4.2. Modulação por pulsos Digital
Nesse tipo de modulação, a mensagem é representada de tal forma que é discreta tanto na
amplitude quanto no tempo, permitindo, então, a sua transmissão de forma digital como uma
seqüência de pulsos de código. Código é uma representação discreta de um conjunto de valores
discretos.
Os valores das amostras são convertidos para números binários que por sua vez são
codificados em seqüências de pulsos que representam cada um dos valores binários (figura 4.7).
A modulação digital tem preferência sobre a analógica devido a um fator fundamental: a
informação transmitida na forma digital pode ser regenerada, replicada e retransmitida,
35
35
mantendo-se livre de distorções. Esta vantagem, entretanto, possui um certo custo: o sinal
modulado digitalmente ocupa maior largura de faixa que seu correspondente modulado
analogicamente. Outra vantagem da modulação digital consiste na possibilidade de
multiplexação de sinais de informação originalmente analógica juntamente com dados
provenientes de computadores os quais já são digitais por natureza.
Existem diversos tipos de modulação por pulsos digital: unipolar sem retorno a zero
(NRZ), polar sem retorno a zero (NRZ), unipolar com retorno a zero (RZ), bipolar com retorno a
zero (BRZ) e Código Manchester. Maiores detalhes podem ser encontrados em [HAY01].
Figura 4.7 – Processo de Modulação Digital
4.4.2. Multiplexação do Sinal
Um canal é a ponte entre a fonte e o destino da informação. Nos primórdios das
comunicações por fio elétrico, cada canal era usado para transmitir somente um único sinal. Na
maioria das aplicações atuais, umas variedades de sinais devem ser transmitidas através de um
único canal. [INT07B]
O canal deve então ser compartilhado pelos diversos usuários. O processo de se
transmitir diversos sinais através de um único canal é chamado de multiplexação. Dentre os
métodos básicos de multiplexação pode-se citar:
• Multiplexação por divisão em freqüências (FDM), na qual os sinais são modulados e
distribuídos ao longo do espectro de freqüências disponível;
36
36
• Multiplexação por divisão no tempo (TDM), que aloca janelas de tempo para os sinais
reviamente amostrados;
• Multiplexação por divisão em códigos (CDM), em que os sinais são separados por técnicas
de codificação, mas misturados em tempo e freqüência;
• Multiplexação por divisão em comprimentos de onda (WDM), usada em transmissão por
fibras ópticas em que cada sinal é atribuído um comprimento de onda óptico.
Essas técnicas de modulação são base para outras mais robustas utilizadas na comunicação
pela rede elétrica: a spread spectrum (espalhamento espectral) e a OFDM. [INT07B]
4.4.2.1. Multiplexação por Divisão de Freqüência (FDM)
A multiplexação em freqüência, conhecida como MUX FDM, dominou os sistemas de
telecomunicações até o final da década de 80, quando começaram a ser instalados os sistemas de
multiplexação em tempo, a partir da digitalização dos subsistemas telefônicos. A multiplexação
em código sobrevive, como conceito, nos sistemas de acesso múltiplo, mas até agora não foi
adotada como técnica de multiplexação.
A multiplexação por comprimento de onda é uma técnica recente, específica de
comunicações ópticas. Os conceitos de multiplexação em freqüência e tempo partem do
princípio que a faixa total ocupada, em freqüência ou tempo é equivalente ao somatório dos
canais. A multiplexação por divisão em freqüência utiliza o método de enfileirar os canais, com
cada canal ocupando uma diferente porção do espectro de freqüência.
Os sinais são modulados e distribuídos ao longo do espectro de freqüências disponível. Os
espectros de freqüências dos canais são deslocados, para que ocupem a banda passante do
sistema, sem que haja superposição. O conjunto de todos os canais é transmitido. No receptor, os
vários espectros são separados, usando-se filtros passa-faixa e demoduladores apropriados. A
função do multiplex (MUX) é fazer uma distribuição de canais ao longo de uma faixa de
freqüências. O MUX aloca as freqüências dos canais, nas suas devidas faixas, dentro da banda
básica especificada. A banda básica é formada pelo conjunto de todos os canais multiplexados.
4.4.2.2. Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (WDM)
A multiplexação WDM são específicos dos sistemas de comunicações ópticos e encontra-
se ainda em fase experimental. Normalmente a faixa de passagem de sistema é tomada como
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sendo o espaçamento entre as freqüências nas quais a resposta do sistema cai de 3dB em relação
ao pico da resposta. Usando este conceito em distâncias típicas do ambiente metropolitano, a
faixa de passagem de uma fibra óptica moderna se estende por várias dezenas de THz.
Esta capacidade é muito maior do que a velocidade atingível por qualquer sinal elétrico
com tecnologia eletrônica disponível hoje. Portanto, é impossível fazer o uso de toda esta
capacidade, simplesmente modulando a intensidade de uma fonte óptica com um sinal elétrico,
como fazem os sistemas ópticos convencionais de transmissão. Esta impossibilidade vem sendo
chamada de gargalo eletrônico. A solução do gargalo eletrônico está avançando na direção dos
sistemas de multiplexação por divisão em comprimento de onda (WDM), nos quais várias
portadoras ópticas, operando em diferentes comprimentos de onda, são propagadas ao mesmo
tempo na fibra, moduladas por sinais diferentes. Nestas condições a capacidade explorada da
fibra passa a ser a soma das velocidades de modulação de todas as portadoras que trafegam pela
fibra.
Pro exemplo, acoplando-se cem comprimentos de onda numa fibra, cada um deles
modulados por 10 Gbps a fibra estará efetivamente escoando 1Tbps de informação. Para se
propagar diversos comprimentos de onda na mesma fibra e poder detectar cada um deles
individualmente, é preciso se dispor de uma tecnologia para recuperar cada um deles na
recepção, tal como se faz com as estações de rádio e TV. Infelizmente as duas técnicas
disponíveis (óptica coerente e filtragem óptica) não atingiram o grau de confiabilidade necessária
para utilização em grande escala.
4.4.2.3. Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM)
Se um sinal é limitado em faixa, quer dizer, se ele não contém componentes espectrais
acima de uma certa freqüência, pode-se especificá-lo e recuperá-lo de maneira única por seus
valores tomados a intervalos regulares bem definidos. Assim, só precisa-se transmitir as
amostras do sinal em um número finito de instantes. O canal só fica ocupado nesses instantes,
nos períodos de ociosidade, pode-se transmitir as amostras de outros sinais. No receptor, essas
amostras poderão ser separadas de forma adequada. A multiplexação TDM é essencialmente
uma técnica digital aplicada em sinais amostrados na forma PCM (modulação por código de
pulso) embora também possa ser usada com amostras PAM (modulação por amplitude de
pulsos).
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A combinação PCM com TDM é largamente utilizada para transmitir sinais analógicos
sobre a forma digital. A conversão analógico-digital é efetuada em três etapas, amostragem,
quantização e codificação. Pelo teorema da amostragem, sabe-se que a freqüência de
amostragem, deve ser no mínimo igual ao dobro da faixa do sinal. Se os pulsos de amostragem
forem estreitos, haverá um grande tempo ocioso no canal de transmissão. No intervalo entre os
pulsos do canal 1, pode-se colocar pulsos de outros canais ocupando o tempo ocioso. Para isto, é
necessário sincronizar a amostragem dos canais, para que sejam examinados sucessivamente e
sempre na mesma ordem. Denomina-se janela o intervalo de tempo no qual o meio dica
disponível para o sinal. O quadro engloba um certo número de janelas em que é veiculada a
informação. Para a sincronização correta dos sinais multiplexados, torna-se necessária a
existência de bits especiais e padronizados de sincronismo que controlem os tempos de inserção
de todos os sinais nos quadros.
4.4.2.4. Múltiplo Acesso por Divisão de Código (CDMA)
Um dos mais importantes conceitos de qualquer sistema de telecomunicações é o
"múltiplo acesso", que quer dizer que vários usuários podem ser suportados simultaneamente no
sistema. Em outras palavras, uns grandes números de usuários compartilham uma banda de
freqüências e qualquer usuário pode ter acesso a essa banda sendo associado muitas vezes ao
conceito de canal. Um canal pode ser imaginado como sendo meramente uma porção limitada do
recurso de rádio que está temporariamente alocado para um propósito específico, tal como uma
chamada telefônica. Um método de múltiplo acesso é uma definição de como o espectro de
rádio, ou o tempo, é divido em canais e como os canais são alocados para muitos usuários do
sistema.
O CDMA é uma forma de espalhamento de espectro, uma família de técnicas de
comunicação digital que foi por muitos anos usado em aplicações militares. O princípio do
espalhamento de espectro é o uso do ruído como sendo ondas de portadora, ocupando uma
largura de banda muito maior que aquela requerida para a comunicação ponto-a-ponto simples
na mesma taxa de dados. Por causa da grande largura de banda de um sinal espalhado em
espectro, é muito difícil de interferi-lo e difícil de identificá-lo. Isso é uma grande diferença em
relação as tecnologias FDM e TDM, que são geralmente do tipo faixa estreita. Desde que um
sinal de faixa larga espalhado no espectro é muito difícil de detectar, ele aparece como nada mais
que um nível de ruído ou nível de interferência. O CDMA pode aumentar enormemente a
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qualidade e a capacidade dos sistemas de comunicação sem fios, por espaço livre, ao redor do
mundo.
Ao contrário do sistema analógico e de outros sistemas digitais do tipo TDM, CDM é
uma tecnologia de espalhamento de espectro em banda larga que espalha múltiplos sinais, como
por exemplo, sinais de telefonia, através de um largo segmento do espectro disponível para
transmissão. A cada sinal é atribuído um único código que o distingue dos outros sinais
transmitidos simultaneamente sobre o mesmo espectro de transmissão. Assim que o aparelho
receptor tiver o código certo, ele pode retirar a mensagem destinada a ele do meio de todas as
outras mensagens. Quando implementada em um sistema de telefonia móvel celular, a tecnologia
CDMA oferece numerosos benefícios aos operadores e seus assinantes, tais como:
1. Capacidade aumente de 8 a 10 vezes em relação ao sistema analógico AMPS e de 4 a 5
vezes em relação ao sistema GSM;
2. Maior qualidade de chamada, com o sinal de voz melhor e mais consistente quando
comparado ao sistema AMPS;
3. Planejamento simplificado do sistema pelo uso da mesma frequência em todos os setores
de todas as células;
4. Maior privacidade através de suas características particulares de segurança;
5. Transmissão tipicamente em níveis de potência de 1/25 a 1/1000 daqueles do AMPS e
do TDMA. Redução de interferência em outros dispositivos eletrônicos, além dos riscos
potenciais de saúde.
A grande atração da tecnologia CDMA foi desde o princípio à promessa de mais
imunidade à interferência e ao ruído e do aumento extraordinário da capacidade do sistema
quando comparada com o acesso múltiplo em banda-estreita de tecnologias sem fios: TDM e
FDM.
De fato, o CDMA oferece uma resposta ao problema de capacidade. A chave para sua
alta capacidade é o uso de ruído como sinais de portadora. Em vez de compartilhar o espectro ou
tempo, a cada usuário é nomeada uma portadora de ruído, ou quase um ruído, ortogonal às outras
portadoras utilizadas.
O outro benefício do uso de portadoras como o ruído é que a sensibilidade do sistema
para interferência é radicalmente aumentada. Todos os usuários do sistema ocupam o mesmo
espectro e o ruído efetivo acaba sendo a soma de todos os sinais dos usuários. O receptor
correlata a sua entrada com a portadora-ruído desejada e aumenta a relação sinal ruído no
detetor, a um nível adequado. Este procedimento é chamado de desespalhamento.
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A capacidade do sistema é determinada pelo equilíbrio entra a razão sinal ruído exigida para
cada usuário e o ganho do processo de desespalhamento. À parte de ruído da relação sinal ruído
num sistema de espectro espalhado é de fato a soma de ruído térmico e da interferência de outros
usuários. A relação sinal ruído precisa garantir uma taxa de erro especificada que depende de
vários fatores como: a codificação de correção de erro usada e o desvanecimento por múltiplos
percursos.
4.4.2.5. Spread Spectrum
O Spread Spectrum (Espalhamento de Freqüência) é uma técnica de codificação para
transmissão digital, bastante resistente a interferência e interceptação, pois transforma o sinal de
informação de maneira que ele se assemelhe a um ruído. O ruído possui um espectro achatado e
uniforme sem picos coerentes e que podem geralmente ser removidos por filtragem. Por causa
dessa característica de se assemelharem a ruídos os sinais Spread Spectrum são difíceis de serem
interceptados, demodulados, ou ainda misturados a sinais de banda estreita.
A técnica de codificação do Spread Spectrum modifica o espectro do sinal, espalhando-o
de tal forma que o novo espectro possui uma densidade de potência muito menor, mas a mesma
potência total. Esta é, então, a primeira importante característica de um sistema de transmissão
Spread Spectrum: A largura de banda do sinal transmitido é muito maior do que a largura de
banda da informação propriamente dita.
O espalhamento do espectro é feito antes da transmissão, através do uso de um código
que independe da seqüência de dados. Um mesmo código é usado no receptor, que deve operar
em sincronismo com o transmissor para decodificar o sinal recebido e então recuperar a
seqüência original de dados.
A expansão da largura de banda transmitida se dá devido a inserção desses códigos,
chamados "Pseudo Randômicos" ou "Pseudo Ruídos", e minimiza a interferência de outros
usuários, pois abaixa a densidade de potência. A operação de decodificação no receptor é que
impede a interferência e desvanecimento por múltiplos caminhos. A segunda importante
característica do Spread Spectrum, então é: A seqüência de pseudo-códigos é que determina o
sinal a ser recebido.
Esta modulação “sacrifica” a eficiência em termos de banda e potência em prol da
segurança nas transmissões em ambientes hostis. Quando o sinal é espalhado no espectro de
potência, ele fica com a aparência de um sinal de ruído, podendo ser transmitido pelo canal sem
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ser detectado por quem possa estar monitorando a comunicação. A Figura 4.8 mostra como fica
o espectro de potência para um sinal espalhado e um sinal de banda base. [VAR02]
Figura 4.8 - Densidade espectral de um sinal em banda base e um sinal “espalhado”
Quanto aos tipos de sistemas spread spectrum, pode-se citar:
DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum: Nos sistemas de sequenciamento direto
(DSSS), a fase da portadora do sinal transmitido é variada de acordo com a seqüência de pseudo-
ruídos (é uma seqüência binária periódica com uma forma de onda semelhante a um
ruído). Isto é geralmente conseguido, multiplicando-se o sinal digital com uma seqüência de
"chips" (onde chip é o período de uma seqüência de pseudo-ruídos). Como a seqüência de chips
varia a uma taxa muito mais alta que o sinal digital, a largura de banda é significativamente
expandida em relação à do sinal que efetivamente contém a informação. No receptor, a
informação é recuperada remultiplicando o sinal a uma réplica da seqüência de pseudo-ruídos,
gerada localmente. Isto efetivamente comprime o sinal de volta à sua largura de banda original,
entretanto no processo de multiplicação do sinal que acontece no receptor alguma interferência é
espalhada junto ao sinal, mas é facilmente removida com filtragem. [VAR02]
No sequenciamento direto, o que determina o espalhamento do espectro é a taxa de
variação da seqüência de pseudo-ruídos (chips) por bits de informação. Quanto maior for a
seqüência de pseudo-ruídos, mais difícil de ser detectado e interceptado será o sinal, porém uma
maior tecnologia é exigida dos equipamentos de detecção e correlação.
FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum: Nos sistemas de Frequency Hopping
(Salto de Freqüência), a freqüência da portadora do sinal transmitido é variada (ou saltada) de
acordo com a seqüência de pseudo-ruídos. A ordem das freqüências selecionadas pelo
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transmissor é pré-determinada pela seqüência de códigos, e o receptor rastreia essas variações de
freqüência e produz um sinal de FI freqüência intermediária constante. A interferência não é
rastreada, entretanto pode ocasionalmente estar incluída no sinal de FI. Podem ser do tipo rápido
(Fast Frequency Hopping) ou lento (Slow Frequency Hopping). [VAR02]
4.4.2.6. OFDM
A OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) é uma variação da
multiplexação por divisão de freqüência (FDM) usada nos sistemas de telefonia e nas tecnologias
de redes de acesso como o ADSL e VDSL, e mais recentemente nas redes wireless. A idéia
básica é dividir um fluxo digital de alta taxa de bits em um esquema de baixa taxa e a
transmissão paralela usando subportadoras.
Em um sistema FDM normal, por exemplo, as portadoras estão suficientemente
espaçadas de modo a poderem ser recebidas utilizando filtros convencionais. Entretanto, para
tornar a filtragem possível, bandas de guarda têm que ser introduzidas entre essas portadoras, o
que resulta em uma diminuição da eficiência espectral.
Na OFDM, ao invés de se utilizar uma banda de guarda entre subportadoras para poder
separá-las na recepção, emprega-se uma sobreposição das mesmas, resultando em um ganho
espectral de até de 50% em relação à técnica FDM (Figura 4.9).
Figura 4.9 - Modulação FDM e OFDM
Em um sinal OFDM é possível organizar as portadoras de forma que as suas bandas
laterais se sobreponham sem que haja interferência entre elas. Para que isso ocorra, as portadoras
devem ser matematicamente ortogonais (linearmente independentes), ou seja, no domínio do
tempo, o sinal em cada portadora precisa ter um número inteiro de ciclos no período de símbolo,
resultando em zero o processo de integração do produto de todos os sinais no tempo.
Antes da transmissão a informação é dividida em um grande número de canais com baixa
taxa de bits cada um. Estes são usados para modular as portadoras ortogonais individuais de tal
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maneira que a duração do símbolo correspondente se torne maior do que o atraso de propagação
dos canais de transmissão. As subportadoras (Figura 4.10) são posicionadas de tal forma que os
zeros de cada uma coincida com os das outras.
Figura 4.10 - Exemplo de Distribuição de 3 subportadoras utilizando OFDM
Inserindo um intervalo de tempo de guarda entre os símbolos sucessivos, a seletividade
do canal e a propagação multi-percurso não causam interferências intersimbólicas.
4.4.2.7. PLC Faixa Larga
A técnica de modulação Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) consiste em
modular um grande número de portadoras de banda estreita distribuídas lado a lado. Este tipo de
modulação oferece grande adaptabilidade ao sistema, pois é possível suprimir 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. Este sistema necessita de
amplificadores altamente lineares sob pena de harmônicas das portadoras provocarem
interferências. A técnica de modulação GMSK ou Gaussian Minimum Shift Keying é um caso
particular de modulação OFDM, as vezes referido como OFDM de banda larga. As portadoras
são moduladas em fase resultando em um "envelope" constante, de modo que os amplificadores
podem ser mais simples. O sinal é robusto contra interferências de banda estreita tais como sinais
de rádio de Ondas Curtas. Esta modulação resulta em um espectro de forma gaussiana, de onde
se origina a sua denominação. A figura 4.11 a seguir ilustra as diversas técnicas mencionadas.
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Figura 4.11 – Sistema Spread Spectrum, Sistema OFDM e Sistema GMSK.
Os sistemas PLC vêm sendo desenvolvidos para aplicações em redes de distribuição de
baixa e média tensão. Ambas aplicações enfrentam restrições técnicas similares, quais sejam:
• Relação Sinal/Ruído
• Interferência
• Segmentação de alimentadores
• Segurança no Trabalho
Tanto a Relação Sinal/Ruído quanto a Interferência são fatores determinantes e
correlacionados para estabelecer o espectro disponível para utilização pelo sistema.
A Relação Sinal/Ruído influi na potência de transmissão dos equipamentos e esta, por sua
vez, influi no nível de sinal irradiado pelo sistema, estabelecido pelos organismos regulatórios.
A definição da arquitetura do sistema deve levar em conta os demais itens; sua correta
abordagem é decisiva para manter o sistema competitivo com outras tecnologias de banda larga.
4.4.2.8. Relação Sinal/Ruído
Até o presente, não existe nenhum estudo ou publicação no Brasil sobre as características
de ruído de linhas de distribuição de baixa e média tensão e como estas impactam o desempenho
de um sistema PLC.
A faixa de freqüências utilizada pelos produtos atualmente ofertados ao mercado
brasileiro foi determinada por estudos considerando características existentes na Europa e
Estados Unidos. Aspectos peculiares das instalações brasileiras, tais como,
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projeto/implementação da fiação interna das residências (diagramas unifilares), utilização de
dispositivos de proteção à pessoa, inexistência de filtros na maioria dos eletrodomésticos
comercializados, cabos nus em redes de distribuição aéreas (grande maioria das redes das
concessionárias), devem ser considerados na realização do projeto de um sistema PLC no Brasil.
A atenuação do sinal ao longo da linha de distribuição, que varia de acordo com sua
topologia, quantidade e tipo de derivações e até estado de conservação de suas conexões, é um
dos mais importantes fatores a afetar o desempenho de sistemas PLC, limitando seu alcance.
Nesse sentido, esforços de caracterização das redes elétricas devem ser realizados pelas
empresas que pretendem explorar a tecnologia. A execução de testes de campo que visem a
confirmar as características teóricas das redes constitui importante passo para a aplicação
comercial da tecnologia.
Como, evidentemente, as redes elétricas não foram construídas levando-se em consideração
sua utilização para a propagação de sinais de alta freqüência, podem surgir obstáculos para seu
emprego como suporte à tecnologia PLC.
4.4.2.9. 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.
Outra linha de atuação consiste em desenvolver equipamentos que permitam a
transmissão de maiores taxas com um consumo de banda menor. Como exemplo, podemos citar
as tecnologias ADSL, onde são disponibilizadas taxas de até 8 Mbps com largura de banda de
1.1 MHz e cable modem, com disponibilização de até 36 Mbps e largura de banda de 6 MHz.
Em ambas situações, os problemas foram resolvidos com o incremento da relação bits por Hertz
versus largura de banda utilizada. Assumindo-se que o espectro utilizável pela tecnologia PLC
na média Tensão seja de 40 MHz, teremos taxas possíveis na faixa de 80 a 320 Mbps. Estas altas
taxas não serão disponibilizadas por apenas um par de modem; 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.
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4.5. Característica da Rede de Distribuição
Brasileira
O uso da rede de distribuição de energia elétrica – tanto primária quanto secundária –
como meio de transmissão de sinais de comunicação é conhecido há mais de 50 anos, e até
recentemente estes sinais de comunicação transportavam informações de interesse da própria
empresa de energia elétrica.
Com efeito, é bastante difundido o uso da rede para o envio de sinais de acionamento de
dispositivos, seu estado ou dados sobre medição.
Dado o pequeno volume de informações requeridas em períodos de tempo relativamente
extensos para a realização dessas funções, também tem sido possível o uso de sinais com baixas
taxas de transmissão, utilizando portadoras com freqüências relativamente baixas.
Recentemente, com a crescente demanda por serviços de telecomunicações (Internet,
Voip, por exemplo), a rede de distribuição de energia elétrica vem sendo utilizada como meio
alternativo de transmissão rápida de grandes blocos de informação, o que implica
obrigatoriamente na utilização de canais de transmissão por meio de portadoras de freqüências
elevadas.
4.5.1. Características das Linhas de Transmissão
As linhas de transmissão para telecomunicações (wireline) se caracterizam por possuir
grande uniformidade construtiva ao longo de toda sua extensão apresentando, desta forma,
valores de indutância, capacitância e resistência em série e em paralelo, que se repetem em
qualquer trecho que seja considerado.
Em geral as linhas de transmissão apresentam as seguintes características principais:
4.5.1.1. Impedância - Característica uniforme
Esta condição garante que, uma vez realizada a adaptação de impedância da linha com os
equipamentos de comunicação em seus dois extremos, não ocorram reflexões e ondas
estacionárias prejudiciais à qualidade de informação a ser transmitida ou recebida. As
reflexões são ocasionadas por descontinuidades nos valores da impedância característica ao
longo da linha como, por exemplo, variação em seus parâmetros dimensionais (distância
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entre seus condutores) ou uma carga não adaptada (interposição de linhas com impedância
diferente da impedância característica da linha). Quanto mais precisa, estável e uniforme se
apresente a linha em relação às suas propriedades dimensionais, elétricas e construtivas,
melhor será seu desempenho.
4.5.1.2. Baixa Atenuação para faixa de freqüências dos sinais a serem
transmitidos para uma distância determinada
Esta característica, válida para linhas tomadas em ambos extremos, propicia a recepção
de sinais transmitidos com amplitude suficiente para que possa ser detectada a presença de ruído
sem que seja necessária a transmissão de sinais com amplitudes exageradas ou técnica e
economicamente inviáveis.
4.5.1.3. Baixa irradiação e captação de Sinais
Esta característica se refere à menor tendência de uma linha de transmissão de irradiar
sinais que possam causar interferências em outros serviços, bem como de sofrer interferências de
sinais externos. A condição de baixa irradiação e baixa sensibilidade à interferência de sinais
externos é normalmente alcançada através da utilização de linhas previamente blindadas, tais
como as linhas coaxiais.
4.5.2. Características das Linhas de Distribuição de Energia Elétrica
no Brasil
4.5.2.1. Linhas Aéreas de Distribuição em Média Tensão
Estas linhas 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 entre 30 e 100 centímetros.
• Linha compacta de média tensão (linha ecológica): a construção desta linha é viabilizada
através da utilização de dispositivos separadores, de quatro cabos, capazes de manter uma
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distância constante de 10 a 20 centímetros – entre os cabos de média tensão isolados, mas
não blindados.
• Linhas multiplexadas para média tensão: estas linhas são formadas por 03 cabos de
média tensão isolados e blindados que são enrolados em um cabo de aço e montados em
fixadores na parte superior dos postes.
4.5.2.2. Linhas Aéreas de Distribuição em Baixa Tensão
Linha convencional de baixa tensão: estas linhas são construídas utilizando 04 cabos condutores,
correspondendo a 03 fases e um neutro. Os condutores para linha convencional são de cobre ou
alumínio, sendo suportados por isoladores montados transversalmente ao longo dos postes. 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 (220V ou 380V entre fases).
O número típico de consumidores por transformador é 40 em área residencial. Além dos
consumidores, são ligadas na rede secundária as lâmpadas de iluminação pública de vapor de
sódio (70 w e 250 w) e vapor de mercúrio (125 w, 250 w e 400 w). Os consumidores são ligados
à rede através de cabo multiplex nos seguintes comprimentos:
Típico: 17 metros;
Máximo: 30 metros.
A Figura 4.12 mostra as configurações típicas dos circuitos de distribuição secundária,
observando que cada quadra representada tem um comprimento de aproximadamente 100 m.
Da figura abaixo se pode obter os comprimentos típicos dos diversos circuitos como:
• Tipo I: 100 m
• Tipo U: 200 m
• Tipo H: 400 m
• Tipo Anel: 600 m
• Tipo Duplo Anel: 1200 m
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Figura 4.12 – Configurações típicas de uma rede secundária.
Linhas multiplexadas em baixa tensão: as características construtivas destas linhas são idênticas
àquelas de média tensão, utilizando-se cabos de baixa tensão sem blindagem.
Redes subterrâneas em baixa tensão: a rede secundária constituída por cabos subterrâneos
isolados pode ser do tipo radial ou interligada sendo, neste último caso, alimentada em diversos
pontos por diferentes transformadores. Estes, por sua vez, são normalmente alimentados por
diversos circuitos primários em anel ou reticulados. As redes subterrâneas utilizam para suas
fases e neutro cabos isolados simples, não blindados.
4.5.2.3. Linhas de Distribuição de Média Tensão
Linhas aéreas convencionais: estas linhas são semelhantes, sob o ponto de vista construtivo, às
linhas de transmissão para telecomunicações abertas com condutores paralelos. Suas
características construtivas permitem certa liberdade de movimento lateral dos condutores.
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Conseqüentemente, o valor da impedância característica sofre variações em seus diferentes
trechos. Por outro lado, as linhas de comunicações apresentam eventuais cargas ao longo de seu
trajeto que são compensadas por acoplamento de impedância, de forma a mantê-la constante em
todos os seus pontos. Ao longo das linhas de média tensão existem cargas não acopladas que são
os circuitos primários dos transformadores MT/BT. Entretanto, este carregamento apresenta
quase sempre uma impedância relativamente elevada para as altas freqüências. Apesar das
variações de impedância, espera-se uma transmissão aceitável do sinal por alguns quilômetros de
distância. Em geral, os obstáculos para a transmissão do sinal são os seguintes:
• Ruído gerado por isoladores defeituosos (ate 1 MHz);
• Interconexão com trechos de outras redes de impedância característica mais baixa,
formando pontos de descontinuidade, que podem ocasionar reflexões dos sinais;
• Linhas atuando como antenas para os sinais de emissões de rádios comerciais até
30MHz;
• Eventual presença de capacitores para correção do fator de potência instalados ao longo
das linhas.
Linhas aéreas compactas: para estas linhas esperam-se condições mais favoráveis para a
transmissão de sinais de alta freqüência, tendo em conta que utilizam o ar como dielétrico e
apresentam menores variações de distância entre os condutores; o que, por sua vez, reduz a
variação da impedância característica da linha, minimizando as distorções causadas por
reflexões. A não existência de isoladores convencionais reduz o nível total de ruído das linhas
compactas mas não o elimina, uma vez que estas se conectam às linhas convencionais onde o
ruído pode estar presente.
Linhas aéreas multiplexadas: estas linhas utilizam cabos blindados, de construção geométrica
semelhante à utilizada em cabos para telecomunicações. Desta forma, apresentam
comportamento similar aos cabos coaxiais para comunicação, ou seja, imunidade à radiação e
captação de sinais interferentes e impedância característica de valor uniforme. Estas semelhanças
sugerem que, para a transmissão de sinais de freqüências elevadas, estas linhas tenham um
melhor desempenho quando comparadas aos outros tipos de linhas. Suas limitações se devem a
perdas no material dielétrico (inadequado para uso em altas freqüências) e às derivações.
Apresentam maior atenuação que as linhas aéreas com condutores paralelos.
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4.5.2.4. Linhas de Distribuição em Baixa Tensão
Linhas de distribuição aéreas: a utilização deste tipo de linha apresenta uma dificuldade prática
devido a que grande parte da rede brasileira de iluminação pública utiliza capacitores para fins de
correção do fator de potência dos conjuntos lâmpadas/reatores. Como em muitos casos a
iluminação é alimentado diretamente a partir da rede aérea de distribuição, este capacitor
atenuam ou bloqueiam a transmissão de sinais de freqüências elevadas. As linhas aéreas de baixa
tensão têm comportamento semelhante a linhas de comunicação de condutores paralelos aéreos
permitindo, em princípio, a transmissão de sinais de freqüências mais elevadas, sem risco da
ocorrência de irradiações questionáveis. Diferem das linhas aéreas de média tensão devido ao
fato de que as cargas dispostas ao longo de sua extensão se repetem em intervalos mais curtos e
são representadas por cargas de baixa impedância para os sinais transmitidos (lâmpadas
incandescentes, por exemplo); além do efeito do desacoplamento de sinal, estas cargas
apresentam perdas elevadas, aumentando a atenuação total. Ao contrário das linhas de média
tensão, os isoladores nas linhas de baixa tensão não costumam gerar ruído. Podem estar
presentes ruídos produzidos pelo homem, tais como aqueles provocados por aparelhos elétricos
dotados de motores de escova. Além desses ruídos, estão presentes sinais de emissoras
comerciais de radiodifusão em nível comparável aos encontrados em linhas de média tensão. Os
ramais de serviço que conectam cada consumidor à linha se constituem em dezenas de pontos de
derivação geradores de reflexões. A combinação dos ruídos presentes nas linhas de baixa tensão,
com as freqüentes derivações e os elevados valores de atenuação total, faz dessas linhas um
ambiente relativamente hostil para a transmissão de sinais de telecomunicações.
Linhas de distribuição multiplexadas: estas linhas apresentam comportamento diverso das linhas
secundárias convencionais de baixa tensão por utilizarem condutores trançados e bastante
próximos. Isto confere a estas linhas uma menor possibilidade de captação e irradiação,
permitindo sua melhor utilização como meio de transmissão de sinais de comunicação.
Redes de distribuição subterrâneas de baixa tensão: estas redes são formadas por grandes
extensões de cabos de baixa tensão, isolados e não blindados, montados juntos ou separados,
podendo apresentar, no caso de sistemas reticulados, grande número de interconexões. A
ausência de blindagem nos cabos e a proximidade entre as fases fazem com que essa rede se
comporte como uma linha de transmissão de um condutor próximo à terra, na qual seu valor de
impedância característica é dependente desta proximidade e apresenta valores elevados de
capacitância e condutância à terra. Como normalmente estas interconexões são freqüentes e
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repetidas, as impedâncias características equivalentes de alguns trechos pode ser ainda mais
reduzida. A combinação de valores muito baixos de impedância característica e de elevados
valores de capacitância e condutância para terra é, quase sempre, associada a elevados valores de
atenuação. Para uma determinada concentração de grandes consumidores alimentados por estas
linhas, diversos transformadores poderão ser agregados de tal forma que a circulação de corrente
se dê sempre em trechos curtos. Estes trechos de grande concentração de carga devem ser,
portanto, os mais críticos para transmissão de sinais de comunicações. Todas estas características
fazem com que o comportamento das redes subterrâneas reticuladas como meio de transmissão
de sinais de telecomunicações tenda a assemelhar-se àquele que seria representado por uma
superfície metálica com razoáveis valores de condutância e capacitância para a terra. Este
modelo não favorece a transmissão de sinais de freqüências elevadas, exercendo sobre este
elevado efeito de atenuação devido a perdas por efeito condutivo e bypass por efeito capacitivo,
acrescidos aos efeitos de desacoplamento. Alguns ruídos descritos para as redes aéreas não
devem estar presentes em redes subterrâneas devido ao efeito de blindagem. Ruídos e impulsos
ocasionados por descargas atmosféricas também não devem se fazer presentes.
4.6. Tecnologia PLC
4.6.1. Funcionamento do PLC
As unidades consumidoras (residências, comércios e outros estabelecimentos), são conectadas
à rede elétrica e agrupadas em unidades transformadoras. Cada transformador recebe um
conjunto de consumidores que, para efeito do Projeto, denominaremos Célula PLC.A Figura
4.13 abaixo ilustra uma instalação típica PLC:
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Figura 4.13 – MODEM Máster (roteador) conectado a tensão baixa
No domicilio do usuário se instala um MODEM PLC (similar ao de ADSL) onde de pode
conectar seus equipamentos de transmissão voz e dados como os computadores, telefones,
impressoras e potencialmente outros dispositivos adequados (como alarme, ar-condicionado,
etc.). Sua estrutura de funcionamento e na utilização dos cabos elétricos de tensão baixa como
meio de transmissão de dados desde o transformador até o cliente. Basicamente, transforma o
cabeamento em uma rede de telecomunicações (Figura 4.14), onde cada ponto de tomada torna-
se o ponto de acesso.
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Figura 4.14 – Arquitetura PLC
A arquitetura de rede PLC é formada por três elementos:
O primeiro sistema denominado de Outdoor (Figura 4.15), cobre a seção de que em
telecomunicações denomina de “ultima milha”, isto é, a rede elétrica de tensão baixa que passa
pelo transformador de distribuição até os medidores das residências.
Este sistema e administrado por um equipamento Máster (cabeceira – primeiro elemento
da rede PLC) que conecta esta rede com a rede de transporte de telecomunicação o backbone.
Desta maneira o equipamento insere na rede elétrica o sinal que provem da rede de transporte.
O segundo sistema denominado de Indoor (Figura 4.15), cobre o trecho que vem do
medidor do usuário até as tomadas internas da residência.
Para comunicar este sistema, se utiliza um equipamento repetidor, segundo elemento da
rede PLC. Este equipamento que normalmente se instala perto do medidor de energia elétrica,
esta composta de um MODEM terminal e uma Máster (cabeceira). O primeiro componente deste
repetidor pega o sinal proveniente do equipamento Máster (cabeceira) do sistema Outdoor e o
segundo componente se comunica com o terminal do repetidor e envia o sinal para o Indoor.
O terceiro e último elemento da rede PLC constituem de um MODEM terminal e o
MODEM cliente, que pega o sinal diretamente da rede elétrica através das tomadas residenciais.
Desta maneira tanto a energia elétrica como o sinal dados, permitem que a informação seja
compartilhada no mesmo meio de transmissão, isto é, no mesmo condutor elétrico (Figura 4.15).
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Figura 4.15 – Arquitetura PLC na residência
A este MODEM (Figura 4.16) se pode conectar um computador, um telefone IP ou outro
equipamento de comunicação que possuam uma interfase Ethernet ou USB.
Figura 4.16 – Arquitetura PLC na residência
Na tecnologia PLC o equipamento emissor (cabeceira) emite sinas de baixa potência
(50mW) e um Rank de freqüência que vai desde 1.6MHz à 35MHz (Figura 4.17). O outro
extremo da transmissão (o cabo elétrico) existe um receptor que é capaz de identificar e separar a
informação transmitida a partir da freqüência indicada.
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O fato de que ambos os serviços, o de energia elétrica e os de transmissão de dados,
operam em freqüências muito distinta. Desta maneira, a tecnologia PLC permite aproveitar uma
propriedade própria do condutor elétrico (banda de freqüência) que até algum momento se
encontrava sem utilidade.
Figura 4.17 – Rank de Freqüência
4.6.2. ASCOM POWERLINE
O sistema de comunicação ASCOM Powerline é otimizado visando à transmissão de
dados sobre sistemas existentes de distribuição de energia elétrica, provendo um "throughput"
máximo com um nível mínimo de sinal. O processo de modulação e distribuição de freqüências
minimiza interferências de/para serviços de radiodifusão e rádio amador. São aplicadas técnicas
para garantir a privacidade dos dados.
O sistema PLC ASCOM é constituído por três tipos de unidades:
• Unidade OM (Outdoor Master) que recebe os dados em uma entrada RJ-45, 10 base T, e
os acopla à rede de energia, modulando portadoras na faixa de 2 a 10 MHz;
• Unidade OAP/IC (Outdoor Access Point / Indoor Controller), constituída por dois
módulos, normalmente instalada no quadro de entrada de energia das residências, que
recebe os sinais vindo da unidade OM (Outdoor Master) e os transfere, por meio de um
jumper físico 10 base T, à unidade IC (Indoor Controller). A seção Indoor Controler
remodula o sinal de dados na faixa de 18 a 28 MHz, injetando-o na rede elétrica interna.
• Unidade IA (Indoor Adapter), que é o modem de cliente, que captura o sinal de dados em
uma tomada de energia qualquer e o disponibiliza em uma conexão 10 base T ao usuário.
A figura 4.18 apresenta um esquema de configuração típica dos equipamentos ASCOM.
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Figura 4.18– Configuração típica da ASCOM.
4.6.2.1. Faixas de Freqüências
O Sistema ASCOM PLC opera na faixa de freqüências entre 1,6 e 30 MHz. Para obter
"thoughput" máximo as portadoras são gerenciadas dinamicamente e operadas simultaneamente.
A ilustração abaixo mostra as freqüências típicas de operação do sistema.
Figura 4.19 – Freqüências de operação.
A escolha das freqüências de operação das portadoras se baseou em medições e
planejamento de freqüências na banda de rádio de ondas curtas e de acordo com o trabalho em
andamento no CENELEC e na Norma NB-30 (Nutzungbestimmung) do órgão regulador alemão.
Além disto, o sistema também satisfaz a norma européia CISPR 55022.
Cada sistema PLC opera simultaneamente em três freqüências, cada uma delas provendo
ao usuário uma taxa entre 750 e 1500 Kbps, o que resulta em uma capacidade entre 2,25 e 4,5
Mbps, tanto para o Sistema Interno como para o Externo.
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4.6.2.2. Alocação Dinâmica de Capacidade
O sistema PLC funciona sobre um meio compartilhado, transportando tráfego entre todos
os usuários conectados. O acesso ao canal é gerenciado pelo Mestre PLC (OM com as
respectivas OAP/IC, com as respectivas IA), o qual distribui capacidade aos usuários de acordo
com a demanda instantânea, de modo a proporcionar a máxima demanda possível. Isto é possível
por se tratar de transmissão de dados orientada a pacotes.
Figura 4.20 - Alocação dinâmica pela demanda instantânea.
4.6.2.3. Propriedade para Dados em Tempo Real
Os dispositivos PLC ASCOM dão prioridade aos dados em tempo real assegurando, desta
forma, uma boa qualidade de áudio e vídeo no enlace. O sistema distingue automaticamente,
baseado nos protocolos de transmissão, pacotes de dados (TCP), de pacotes de dados em tempo
real (UDP), priorizando tráfego em tempo real, tal como voz ou vídeo.
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4.6.2.4. Gerenciamento SNMP
Os módulos incluem agentes SNMP com as características necessárias a monitoração e
controle remoto. SNMP é um padrão "de facto" da indústria para gerenciamento de elementos de
rede, tais como roteadores, servidores, impressoras, etc.
4.6.2.5. Área de Cobertura
A distância que se pode alcançar em um sistema PLC depende, basicamente, das perdas
introduzidas ao longo do sistema de distribuição de potência. A atenuação é diretamente
proporcional ao aumento da freqüência. A figura 4.21 apresentada a seguir, fruto da experiência
adquirida pela ASCOM em suas instalações, relaciona a distância média alcançada pelo sistema
com a faixa de freqüências utilizadas.
Figura 4.21 – Distancia média x Faixa de freqüência.
Com estas informações pode-se observar que as distâncias cobertas pelas várias
freqüências variam de 150 e 250 m em 2,4 Mhz para valores entre 100 a 200 m em 8,4 Mhz.
Já para a banda de freqüências altas, na região de 20 Mhz, utilizada nos enlaces internos,
a cobertura cai para a faixa de 70 a 100 m. A distância também é bastante influenciada pelo tipo
de cabo de energia utilizado.
Em ambos os casos, enlaces internos ou externos, podem ser utilizados repetidores.
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Em princípio a potência máxima do PLC é de cerca de 1 mW e que um nível médio de
recepção aceitável é na casa de -55 dBm. Outro dado importante é que além da atenuação
causada pelo cabeamento e conexões, ocorrem perdas devido à qualidade da rede, de suas
conexões, à presença de determinados tipos de disjuntores, filtros de linha e protetores contra
surtos.
4.6.2.6. Interferências internas ao Sistema
A instalação de duas ou mais unidades OAP, com pequena separação entre elas, pode
provocar interferência entre sistemas internos. Isto provoca perda de capacidade devido a
colisões no meio compartilhado, ou seja, as linhas de energia. Mesmo que o processo corrija os
erros ocorridos e que não tenhamos perdas na transmissão fim a fim, a interferência deve ser
evitada para que o "throughput" não seja prejudicado.
4.6.3. EBA/DS2 POWERLINE
O Sistema PLC DS2 é constituído por três unidades:
Unidade Master, também denominada HE (Head End), projetada para comunicações de dados
orientados a pacotes, pode tratar pacotes de até 8 Kb e tráfego em tempo real, típico de
aplicações VoIP. Oferece taxas de até 45 Mbps, full duplex, ponto – multiponto, utilizando
menos de 10 Mhz de espectro. Cada unidade pode tratar até 254 nós PLC, sendo seu
gerenciamento executado através do protocolo SNMP.
Unidade Repetidora, também denominada HG (Home Gateway), que retransmite o sinal
oriundo de um HE para o restante dos equipamentos da rede, estendendo sua cobertura. Por outro
lado, isolam o tráfego da rede Powerline criando outro segmento isolado do anterior com
capacidade adicional de 45 Mbps. A ele podem ser conectados até 254 equipamentos PLC,
ampliando a capacidade da rede. Oferece taxas de até 45 Mbps, full duplex, ponto – multiponto,
utilizando menos de 10 Mhz de espectro, sendo seu gerenciamento executado através do
protocolo SNMP. Possui firewall interno que permite isolar as redes Powerline da rede Ethernet,
permitindo que só o tráfego autorizado circule entre as interfaces.
Equipamento de Usuário Final, também denominado CPE (Customer Premises Equipment),
que é o Modem de cliente, que captura o sinal de dados em uma tomada de energia qualquer e o
disponibiliza ao usuário. A figura 4.22 apresenta um esquema de configuração típica dos
equipamentos DS2.
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Figura 4.22 – Configuração típica dos equipamentos DS2.
4.6.4. MAIN.NET COMMUNICATIONS
A concepção do Sistema PLC da Main.net (Power Line Ultimate System -PLUS.), que
utiliza a tecnologia de modulação Spread Spectrum, difere do Sistema tradicional, em que se
procura enviar o sinal mais potente possível para atingir o usuário final. Em sua implementação
cada unidade envia o sinal com a menor potência que permita atingir o próximo ponto. O
Sistema emprega repetição inteligente e usa a atenuação das linhas elétricas para criar células
similares às utilizadas em Sistemas celulares, permitindo que diferentes unidades utilizem
eficientemente as mesmas freqüências, sem a ocorrência de colisões; as unidades se
interconectam utilizando um protocolo multiponto proprietário. Para o usuário final, o Sistema é
totalmente transparente ao protocolo IP, viabilizando qualquer aplicação padrão deste protocolo.
O Sistema é baseado em tecnologia que permite a combinação das aplicações de acesso e
in-house em uma mesma aplicação, sem a necessidade de hardware intermediário (home
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gateway). Possui, também, o Plus Network Management (NmPlus) que possibilita o
gerenciamento remoto e controle de todas as unidades disponibilizadas aos usuários.
4.6.4.1. Arquitetura do sistema PLUS
O Sistema PLUS pode ser facilmente integrado a qualquer infra-estrutura de comunicações
(SDH/ATM/IP, por exemplo), constituindo-se por três tipos de equipamentos:
Unidades Indoor (Indoor units) – instaladas pelos usuários finais em suas residências ou
escritórios (plug and play), apresentadas nas seguintes configurações:
• NtPlus – A unidade NtPlus (Network Termination) é a unidade básica para acesso à
Internet, conectando o computador (ou qualquer outro periférico) à tomada elétrica. É
equipada com conector para ligação do computador e, opcionalmente, outra entrada para
conexão de telefone analógico padrão.
• TelPlus – A unidade TelPlus disponibiliza aplicações de telefonia sobre IP, possuindo
conector telefônico padrão (RJ11) para ligação de telefone analógico padrão.
Unidades de Acesso (PLUS Backbone) - instaladas ao longo das linhas de distribuição
formam o backbone do sistema.
• CuPlus – A unidade CuPlus (Concentrating Unit) é instalada na rua nas proximidades do
transformador de baixa tensão. Esta unidade transfere a informação vinda do backbone
para a rede elétrica e vice-versa, comunicando-se com o Gerenciamento de Rede de um
lado e com as unidades de acesso de outro lado. Um sistema comercial consiste em
diversas unidades CuPlus, criando diversas células PLC.
• RpPlus – A unidade RpPlus (Repeater Unit) é um repetidor que conecta as unidades
indoor à rede Plus, possibilitando a cobertura de longas distâncias mesmo em ambientes
ruidosos. A unidade pode ser instalada em qualquer armário de rua e aumenta a qualidade
da conexão.
• CtPlus – A unidade CtPlus (Communications Transformer) é uma solução para o
mercado americano, caracterizado por baixa quantidade de consumidores por
transformador de baixa tensão. Ela possibilita a transmissão de sinais PLC em linhas de
média tensão em redes com essa topologia.
• AmrPlus – A unidade Automatic Meter Reading viabiliza uma eficiente integração com
Sistemas de Leitura Automática de Medidores, possuindo uma interface adicional para
conexão a concentradores de leitura.
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Unidades de Controle/Gerenciamento (Network Management and Control) Instaladas no Centro
Regional de Controle da empresa comunicam-se via backbone IP com todas as unidades do
sistema, gerenciando e controlando todos os componentes da rede Plus. Oferecem as seguintes
facilidades:
• Ativação/desativação de componentes do sistema;
• Controle de falhas;
• Dados para bilhetagem e estatística;
• Download remoto de softwares;
• Detecção de falha para todas as unidades do sistema.
Figura 4.23 – Configuração típica dos equipamentos Main.Net - PLUS Backbone.
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Figura 4.24 – Configuração típica dos equipamentos Main.Net - Indoor.
4.6.5. Comparação com outras Tecnologias de Acesso
A tecnologia PLC, como tecnologia de telecomunicações, aplica-se no segmento de acesso e
no segmento de distribuição, permitindo flexibilidade e universalidade na composição da rede
de telecomunicações.
É uma opção eficiente nas instalações existentes ou implementações novas. O Quadro 1 e o
Quadro 2 abaixo sintetiza sua aplicação:
Quadro 1 – Comparação entre Tecnologias.
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Meio Físico Velocidade
Analógico 21 - 56 kbps
ISDN 64 - 128 kbps
Satélite 64 kbps - 1 Mbps
ADSL 1.5 - 8 Mbps
Cabo Modem 1.5 - 10 Mbps
Linha de Energia 2 - 13 Mbps
Fibra Óptica 10 Mbps - 1 Gbps
Quadro 2 – Taxa de Transferência.
4.7. Qualidade de Serviço
A partir de configurações definidas pela rede elétrica, deve ser realizada uma análise de
desempenho contemplando a variação de pelo menos os seguintes parâmetros:
• quantidade de usuários conectados simultâneos;
• tipos de aplicação;
• protocolo de transporte;
• tamanho do pacote IP;
• direção do tráfego (“upload” e “download”).
Os parâmetros de desempenho analisados, levando em consideração os parâmetros de
configuração acima mencionados, deverão ser baseados em normas que visam a garantir a
qualidade dos serviços prestados. Os parâmetros mínimos recomendáveis são:
• vazão;
• taxa de perdas de pacotes;
• teste de latência (pertinente para aplicações “real time”);
• jitter (variação do atraso);
• verificação da priorização do tráfego de serviços “real time”;
• análise de priorização de tráfego.
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4.7.1. Serviço de voz
A inclusão do serviço de voz na oferta de conectividade via PLC é um grande atrativo
para a implantação do PLC na rede, devido à inclusão do serviço a um baixo custo,
principalmente na expansão da rede. Entretanto o serviço de voz em redes de dados (não
determinísticas) sofre com a qualidade ofertada pela rede e por equipamentos que a constituem.
A voz no sistema PLC será transmitida sobre um protocolo de rede, no caso o IP, portanto é
recomendável a comprovação da qualidade de voz que tanto os equipamentos quanto à solução
proporcionam ao referido serviço. Isto para assegurar a oferta de uma qualidade mínima ao
serviço de voz. Além da qualidade, é necessário também realizar testes de protocolos para a
verificação da implementação e suas limitações, como, por exemplo, a disponibilidade de
serviços suplementares (chamada em espera, transferência, etc.).
Os parâmetros mínimos recomendados a serem verificados são:
• Avaliação do protocolo de VoIP e levantamento de limitações da implementação;
• Testes de verificação do protocolo utilizado;
• Tamanho de pacotes das amostras de voz;
• Medida objetiva da qualidade de voz;
• Medida objetiva da qualidade de voz por sentido da chamada;
• Levantamento dos benefícios e insumos da utilização ou não de VAD (supressão
de silêncio);
• Indicação e verificação do CODEC a ser utilizado;
• Avaliação do eco proporcionado pelo sistema à chamada de voz;
• Atraso da voz na rede;
• Verificação da transmissão de fax, modem e dígitos DTMF pela rede;
• Levantamento dos parâmetros de configuração de voz e análise crítica.
As normas utilizadas para qualidade de voz são:
• ETSI --> série TR 101 329
• ITU --> P.861 (PSQM+)
• ITU --> P.862 (PESQ)
Para protocolos:
• ETSI --> série TS 101 804
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4.7.2. Análise de Segurança
Com a comunicação através do sistema elétrico (topologia barramento), deve-se realizar
uma análise da segurança da rede devido ao alto risco inerente à solução. O risco é devido não
somente a confidencialidade dos dados dos clientes, mas também às tentativas de fraudes e
acessos indevidos a serviços não autorizados.
Portanto a segurança da rede deve ser verificada para evitar acessos não autorizados,
garantir confidencialidade, integridade e disponibilidade. Alguns itens que devem ser verificados
são:
• Vulnerabilidade;
• Controle de acesso;
• Proteção contra softwares maliciosos;
• Controle de acesso à rede;
• Controle de acesso ao sistema operacional;
• Controles de criptografia;
4.7.3. Serviços suportados pela Tecnologia PLC
O estágio atual da tecnologia PLC e as possibilidades de exploração de serviços que ela
oferece merecem dupla atenção por parte dos dirigentes das empresas de energia elétrica:
• A anunciada chegada da competição nos mercados de energia e a conseqüente
pressão pelo aumento de resultados vêm forçando essas empresas a buscar fontes
alternativas de receita;
• Outra razão é que o emprego da tecnologia proporciona a redução de custos
operacionais, outra imposição do mercado competitivo.
A aplicação da tecnologia contribui para a realização desses dois objetivos, viabilizando a
exploração dos seguintes serviços:
• Acesso em banda larga à Internet;
• Vídeo sob demanda;
• Telefonia IP;
• Serviços de monitoração e vigilância;
• Serviços de monitoramento de trânsito (câmeras e comandos);
• Automação residencial;
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• Monitoramento de processos produtivos on-line;
4.7.4. Prestação de Serviços
Dois tipos de equipamentos PLC foram desenvolvidos. Inicialmente, se empregava
unicamente a rede de Baixa Tensão e a injeção de sinais era realizada no secundário de
transformador. As distâncias percorridas pelo sinal do PLC eram curtas e o resultado comercial
dependente do número de residências servidas pelo transformador.
O desenvolvimento de equipamentos para Média Tensão ampliou o leque de opções de
uso de PLC e estimulou a entrada de novas empresas elétricas no segmento.
4.7.4.1. Interoperabilidade
A interoperabilidade se obtém naturalmente quando se trabalha com equipamentos de
mesmo fabricante ou quando existe uma padronização adotada pelos diversos fabricantes.
Atualmente não existem padrões internacionais regulamentando a tecnologia, o que
implica dizer que só existe interoperabilidade entre equipamentos do mesmo fabricante ou com
mesma implementação tecnológica (mesmo chipset).
Grandes esforços vêm sendo realizados pelos diversos organismos de regulamentação
mundial com o objetivo de se obter padronização que garanta a interoperabilidade. Na Europa,
estão envolvidos diversos organismos regionais e continentais, tais como, CENELEC, ETSI, etc.
4.7.4.2. Coexistência
Os organismos regulatórios internacionais estão trabalhando ativamente neste tema; tanto
ETSI PLT e CENELEC SC205A-WG10 compartilham a idéia de dividir o espectro de
freqüências em duas partes: uma faixa para acesso e outra para in-home.
Infelizmente cada organismo propõe divisões de freqüências diferentes; para solucionar o
problema criou-se um grupo de trabalho conjunto das duas entidades com o objetivo de criar
uma divisão comum do espectro.
Sob o ponto de vista do acesso não é necessária à convivência de duas tecnologias já que,
normalmente, a implementação é realizada com apenas uma tecnologia, sobre a rede elétrica de
uma única empresa.
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Já no segmento in-home, diferentes tecnologias podem competir na mesma rede elétrica.
Para evitar problemas de coexistência estão sendo desenvolvidos padrões.
Atualmente não existe padrão reconhecido mundialmente; os produtos oferecidos pelos
diversos fabricantes não são compatíveis entre si e, conseqüentemente, a presença de diferentes
tecnologias na mesma rede elétrica afeta o funcionamento e desempenho dos equipamentos
instalados. O sinal transmitido por um equipamento de uma tecnologia é interpretado como ruído
por equipamento de outra tecnologia, degradando a relação sinal/ruído do enlace e inviabilizando
a operação.
A atual regulamentação em estudo pela ETSI / CENELEC indica as seguintes faixas de
freqüências:
• De 1 Mhz a 10/13 Mhz para o segmento de acesso;
• De 10/13 Mhz a 30 Mhz para o segmento in-home.
4.8. Tecnologia PLC nas Empresas de
Energia Elétrica
A aplicação da tecnologia PLC no ambiente das E.E.E. pode trazer benefícios significativos a
estas, já que a racionalização de suas atividades operacionais proporcionadas pela aplicação da
tecnologia contribui para a redução de seus custos.
Um sistema de supervisão baseado na tecnologia PLC pode, por exemplo, auxiliar na
isolação de falhas ao nível de consumidor, agilizando a manutenção e minimizando os tempos de
indisponibilidade.
Aplicações típicas de Gerenciamento da Rede de Distribuição tais como leitura automática de
medidores (AMR), gerenciamento de carga, monitoração da qualidade da energia fornecida,
gerenciamento de falhas (Automação da Rede) são apenas alguns exemplos de atividades
operacionais tornadas mais eficientes e menos custosas pelo emprego da tecnologia PLC.
4.8.1.1. O Andamento da Tecnologia PLC no Brasil e no mundo
No Brasil a Copel, Eletropaulo, Cemig, Escelsa, Celg e Light realizaram testes com PLC
de faixa larga, empregando equipamentos de diversos fabricantes. Pelo menos três fabricantes
foram testados: EBA, MainNet e ASCOM.
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No mundo os testes se iniciaram na Europa e ano 2003 ocorreram esforços para
implantação de PLC nos Estados Unidos. Outro fato relevante é que em setembro de 2003 a
Espanha autorizou a exploração comercial de sistemas de acesso com tecnologia PLC e a
Iberdrola e Endesa, duas das maiores empresas elétricas espanholas entraram neste mercado.
A forma mais utilizada pelas empresas para, numa primeira abordagem tomar contato e
explorar o potencial da tecnologia, são os Testes de Campo. No caso específico da tecnologia
PLC, temos notícias da realização de testes de campo nos mais diversos países do mundo,
variando de complexidade, duração e objetivos. Atualmente, a ASCOM, EBA/DS2 e Main.net,
principalmente, têm sido os principais interessados em oferecer sua tecnologia para testes pelas
empresas brasileiras.
A observação dos procedimentos adotados nestes testes permite identificar alguns
aspectos comuns a eles, dividindo-os em quatro fases:
4.8.1.2. Fase I: Pesquisa Inicial
Caracterizada pelos testes em laboratório, em ambiente controlado onde a empresa busca
a familiarização com a tecnologia, a avaliação de seu desempenho em sua rede elétrica e o
estabelecimento dos resultados que pretende obter ao final dos testes.
Tecnicamente esta fase se traduz na caracterização dos parâmetros de desempenho da
tecnologia em sua rede: relação sinal/ruído, resposta em freqüência dos diversos canais e
alcance, dentre outros. O conhecimento do desempenho na rede permite estimar a quantidade de
unidades que serão necessárias para as fases seguintes dos testes (repetidores, unidades de
acoplamento, etc.).
4.8.1.3. Fase II: Teste Limitado de Campo
Nesta fase são realizados os primeiros testes de campo de pequena escala com o objetivo
de testar a tecnologia em condições reais de utilização com um maior número de usuários. É
importante medir as taxas de transmissão efetivamente obtidas nos enlaces upstream e
downstream, a estabilidade de funcionamento dos equipamentos nos mais diversos ambientes e o
desempenho da tecnologia nas topologias de rede mais significativas encontradas na rede elétrica
da empresa. Além disso, a instalação de equipamentos nos usuários finais permite um melhor
entendimento dos serviços que a tecnologia pode oferecer e que têm potencial comercial; esse
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entendimento é extremamente importante para a elaboração do Modelo Inicial de Negócios que
se pretende ofertar ao mercado.
Uma boa amostra do comportamento da tecnologia pode ser obtida instalando-se
equipamentos em 01 ou 02 circuitos secundários e conectando-se de 25 a 50 usuários.
4.8.1.4. Fase III: Teste de Campo de Larga Escala
Essa fase, que antecede o lançamento comercial dos serviços, caracteriza-se pelo
aprofundamento do conhecimento das variáveis relacionadas aos aspectos comerciais do futuro
empreendimento que, caso não sejam devidamente avaliadas, podem vir a inviabilizar o negócio.
O maior número de usuários conectados permite que a empresa adquira conhecimentos
relacionados aos aspectos logísticos, operacionais e comerciais do negócio.
Nessa fase se definem:
• A opção pela subcontratação (projeto, instalação, manutenção, operação,
comercialização) e sua influência no Modelo de Negócios;
• Os recursos necessários para a instalação dos equipamentos;
• Os custos do backbone (próprio/alugado uso de fibras ópticas ou de equipamentos
de média tensão);
• Os serviços de Atendimento ao Cliente (próprios/terceirizados, Call Center);
• A verificação final do Modelo de Negócios.
A instalação de 10 a 50 circuitos secundários e a conexão de 300 a 1000 usuários são
suficientes para se obter os resultados esperados nesta etapa.
4.8.1.5. Fase IV: Operação Comercial
Fase de implementação de todas as alternativas estudadas nas fases anteriores,
caracterizada pelo lançamento do produto/serviço no mercado.
4.9. Ações de Regulamentação no Mundo
Ao considerarmos a questão de regulamentação da tecnologia PLC, sobretudo aquela que
envolve a normalização dos componentes dos sistemas quanto aos aspectos de EMC
(Compatibilidade Eletromagnética), uma separação deve ser feita ao considerar “equipamentos”
e “redes” quando da aplicação das diretivas e normas apresentadas a seguir.
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4.9.1.1. Situação – Europa: Equipamentos PLC
Todo fornecedor de equipamentos necessita comprovar que seus produtos cumprem com
as Diretivas vigentes;
Usualmente, esta certificação é garantida pela marca ou selo “CE”;
Principais Diretivas vigentes em toda a Comunidade Européia, adotadas integralmente
como norma pelos mais de quinze países-membros:
• R&TTE Directive (EC/1999/5) – “Radio Equipment & Telecommunications
• “Terminal Equipment”
• EMC Directive (EC/1989/336)
• Electrical Safe Directive (EC/1973/23)
Sobre padrões ou “standards”, não existe atualmente alguma definição “harmonizada” a
nível europeu que defina limites de emissão para equipamentos PLC. Desta maneira, a obtenção
do selo CE para equipamentos PLC não é ainda um processo padrão, como aqueles existentes
para os demais equipamentos e sistemas cobertos por esta certificação.
A única referência que pode ser utilizada, a nível europeu, é a famosa norma EN55022,
contudo qual das versões da mesma seria aplicável, ainda não está 100% claro:
• Release 1994 – Estabelece limites e procedimentos de medição para a interface de
alimentação apenas;
• Release 1998 – Estabelece distintos limites e procedimentos de medição para as
interfaces de alimentação e de telecomunicações.
Com relação aos aspectos de segurança e imunidade a interferências eletromagnéticas
externas, o cenário atual na Europa não prevê nenhum tratamento específico para equipamentos
PLC, sendo aplicável em sua totalidade as atuais normas:
• EN60950 – Segurança
• EN55024 – Imunidade
4.9.1.2. Situação – Estados Unidos: Rede e Estrutura PLC
FCC Part 15: única regulamentação mundial que determina limites para radiação não-
intencional proveniente de sistemas de telecomunicações com fio.
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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.
Utilizada por vários anos na totalidade do contingente de 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.
4.9.1.3. Regulamentação Brasileira para o PLC
Seguindo a tendência utilizada pela ANATEL na definição das atuais normas vigentes em
nosso país - notadamente as Resoluções 237 e 238, que estabelecem os requisitos de
Compatibilidade Eletromagnética e Segurança Elétrica para equipamentos terminais e de
estrutura de telecomunicações, que adotam de forma criteriosa os padrões europeus, baseados
nas normas CISPR 22 e CISPR 24 -, acreditamos que seja um caminho natural à adoção das
atualizações, onde o tratamento aos equipamentos PLC é definido.
Para Redes e Estrutura PLC, por ser a FCC Part 15 a única regulamentação já existente e
que cobre de forma genérica sistemas de telecomunicações com fio, talvez a consideração do uso
da mesma para o tratamento das redes seja um caminho interessante.
Com relação a regulamentação de testes de desenvolvimento de sistemas PLC em
empresas de energia elétrica, as empresas precisam solicitar à Anatel uma Autorização para
fins Científicos Experimentais , por um período de até 2 anos, com o objetivo de regularizar
estes testes. Para se fazer tais testes, a Anatel não solicitará qualquer certificação de equipamento
a ser instalado. A Anatel solicitou que as empresas permanecessem em contato com o pessoal
que trabalha na sua área de rádio freqüência, no sentido de se fazer um estudo amplo e conjunto
sobre as interferências do sistema Power Line.
Anatel não exige certificação em testes de funcionamento, porém, reconhece que a operação
comercial vai exigir uma certificação, de acordo com as normas vigentes no setor. O grupo de
trabalho de PLC, juntamente com a Anatel, deverá promover algumas apresentações dos fabricantes
de equipamentos POWER LINE interessados em desenvolver a tecnologia no Brasil, com o objetivo
de se promover o desenvolvimento e operacionalização da tecnologia citada, além de melhorar o
inter-relacionamento entre as entidades, definindo-se então a metodologia para se obter as
certificações dos equipamentos que deverão estar sendo utilizados dentro do território nacional.
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5. Internet e PLC no Brasil
Analisaremos a situação do acesso da população do Brasil à internet. A abordagem de alguns
dados provenientes de pesquisas, levantamentos técnicos e projetos piloto já implantados ou em
desenvolvimento, farão com que tenhamos uma boa noção a respeito da viabilidade e
conveniência da implantação da tecnologia PLC no Brasil.
5.1. Dificuldades
Os altos custos dos meios de transmissão são sem dúvida um dos entraves da popularização
do acesso à internet. O grande desafio é a redução de custos, com a obtenção de um meio de
transmissão acessível e de baixo custo.
No primeiro estágio da implantação da internet banda larga no país, o grande desafio era o
desenvolvimento de uma infra-estrutura de comunicação, composta por grandes canais de
transmissão de dados e que suportassem um tráfego intenso de informações. Objetivo era a
criação dos Backbones.
Em seguida, era necessário encontrar uma maneira de ligar cada usuário doméstico ou
comercial a esse Backbone. Essa ligação geralmente é feita com meios de comunicação pré-
existentes e mais acessíveis como linha de telefone ou TV a cabo. Essa ligação é chamada de
Last Mile ou a última milha e termina por excluir locais pouco urbanizados, já que alguns locais
sequer possuem TV a cabo ou linhas telefônicas. Outro fator de exclusão é o alto custo desses
meios, que torna difícil seu uso pelos mais pobres.
Muitos projetos estão sendo criados pelos governos estatais e municipais e pelo federal no
sentido de reduzir o nível alarmante de exclusão digital verificado no Brasil. O acesso aos
computadores e aos recursos oferecidos por ele e pela internet, vem sendo introduzido nas escolas,
principalmente no ensino fundamental e básico. Apesar disso, temos muito que melhorar ainda.
A internet foi implantada no Brasil em 1995. Após quase dez anos de implantação temos no país
alguns dados desanimadores fornecidos pelo Ibope. O número de pessoas que usavam a internet em
2004 era apenas 30 milhões. O universo de pessoas que possuíam internet em casa era ainda mais
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restrito encontrava-se inalterado desde 2002: apenas 14 milhões de pessoas. Conclui-se a partir
desses dados que a grande maioria dos que acessava a internet, o faziam fora de seus lares. Pelo alto
custo do acesso discado, verificamos que apenas 8 milhões dos que tinham acesso em casa,
acessavam a internet com grande freqüência.
Figura 5.1 - Internet nas residências Fonte: Ibope
Com todos esses dados podemos perceber que apenas 10% da população têm acesso à
rede mundial de computadores. Desse pequeno universo de privilegiados, temos apenas 12%
com banda larga, com um pequeno crescimento a cada ano.
Dados levantados pela Pesquisa Nacional por Amostragem Domiciliar (PNAD), da Fundação
Instituto Brasileiro de Geografia e Estatístico (IBGE), de 2001, mostravam que dos 46,5 milhões
de domicílios do País com serviços e bens duráveis (quadro que muitos denominam de inclusão
eletroeletrônica): 96% deles têm rede elétrica; 89% têm televisão; 88% têm rádio; 85,7% têm
geladeira; 58,9% têm telefone; 12,6% têm computador; 8,6% acessam a internet. (BORGES,
2005).
Vemos, pois, que a rede de energia elétrica tem uma penetração fabulosa, alcançando 96%
dos domicílios brasileiros (estimativas de 2002 apontavam cerca de 99% dos domicílios
brasileiros com luz elétrica).
Entretanto, o Brasil ainda está longe de poder garantir a inclusão digital dos brasileiros. A
tabela abaixo mostra a evolução do número de brasileiros que tem telefone e acesso à Internet,
nos últimos anos.
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Crescimento do Nº. de Acessos à Internet no Brasil (Banda Larga e Total)
ANO
Nº. linhas telefônicas fixas em
operação (LT) (mil)
Nº. Acessos Internet (AI)(mil)
Nº. Acessos Internet
Banda Larga (AIL)(mil)
Dens. Telef. (nº.tel./ 100hab) (%)
Dens. Acessos Internet (acessos/ 100 hab) (%)
AIL/LT (%)
AIL/AI (%)
2002 38.800 14.300 700 21,99 8,10 1,80 4,90
2003 39.200 16.000 1.200 21,90 8,94 3,06 7,50
2004 39.500 18.200 2.260 21,75 10,02 5,72 12,40
2005 40.000 20.930 4.210 21,70 11,35 10,52 20,11
(Fontes: Teleco e IBGE)
5.2. PLC no Brasil
A exemplo de vários países no mundo algumas empresas energéticas brasileiras estão
testando a tecnologia PLC. Porém, como em toda tecnologia lançada no Brasil, o fator
econômico sempre é uma barreira grande a ser transposta e como os equipamentos PLC são
importados, na sua maioria, o uso comercial dessa tecnologia tem demorado um pouco a sair.
Entretanto, com a viabilidade técnica comprovada por companhias energéticas de renome no
cenário brasileiro e com a possibilidade de produção dos modems e outros equipamentos PLC no
Brasil o uso comercial do PLC parece ser hoje apenas uma questão de tempo. A possibilidade de
se transmitir dados, voz e vídeo por um mesmo meio físico sendo esse presente em mais de 90%
das residências brasileiras, foi o principal fator pelo qual as companhias energéticas apostaram
suas fichas nessa nova tecnologia que promete revolucionar o tráfego de informação.
Para entendermos melhor a importância que o PLC pode ter no Brasil vamos partir para um
exemplo mais genérico do que seria uma infra-estrutura de comunicação. Bem, durante muito
tempo o Brasil vem investindo tanto pelas empresas privadas como pelo Governo em uma infra-
estrutura de comunicação capaz de suportar o tráfego de informações da Internet por meio de
grandes vias de dados, os chamados Backbones.
Uma vez montada essa estrutura é preciso que as empresas e o Governo façam chegar às
residências e empresas esse link com a Internet e é aí que mora o principal problema. No Brasil
há uma escassez de tecnologias que percorrem esse último obstáculo que os profissionais da área
chamam de The Last Mile ou a última milha. Hoje utilizamos as estruturas de TV a cabo,
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telefone ou até mesmo satélite para vencermos a ultima milha, porém sabemos que essas
estruturas são centralizadas e que em muitos lugares do Brasil não há possibilidade e/ou
viabilidade econômica de se implementar quaisquer dessas estruturas.
Agora então começamos a perceber a importância do PLC no Brasil e no Mundo, visto que
mesmo em locais afastados e de difícil acesso temos na maioria absoluta das vezes estrutura
elétrica. Melhor que isso o PLC vem unir dois conceitos que hoje, mais do que nunca, estão na
moda são eles: Convergência no ramo das Telecomunicações e Inclusão Digital. A convergência
se dá no momento em que podemos transmitir qualquer sinal de comunicação pelo cabeamento
elétrico, abrindo um leque de aplicações enorme. Já a inclusão digital é evidente se pensarmos na
possibilidade real de se levar Internet a qualquer Estado, Cidade, Bairro e residência onde temos
energia elétrica, vale lembrar que no Brasil mais de 90% das residências possuem Energia
Elétrica, enquanto menos de 10% das residências têm acesso a Internet.(ANDRADE, 2003).
5.3. Infra-estrutura disponível
No Brasil já existe uma infra-estrutura em empresas subsidiárias das Centrais Elétricas
Brasileiras S.A. (ELETROBRÁS) e da ELETRONET, que poderia ser mais bem aproveitada
para transmissão de serviços de telecomunicações, inclusive para programas governamentais de
Inclusão Digital. São 20.000 km de cabos OPGW (Optical Power Ground Wire ou fibra ótica)
backbone óptico disponível em quase todos os Estados do Brasil.
A Eletronorte atua na Região Norte (AM, RR, RO, AC, AP, PA, TO) e os estados do
Maranhão e Mato Grosso e possui 6.000 km de cabos OPGW. Existe ainda a possibilidade de
utilização da infra-estrutura de condutores da rede de MT e BT em PLC nos estados com
distribuição de energia realizada por empresas estatais. Nas empresas ligadas ao governo federal,
a Eletronorte é responsável também pela subtransmissão, chegando, portanto com suas fibras até
próximo ao atendimento final.
A CHESF atende os estados de Minas Gerais, Rio de Janeiro, São Paulo, Espírito Santo,
Goiás e Brasília, além das interligações com a Eletronorte, Chesf e Eletrosul e o sistema de
transmissão em CC de Itaipu. Tem um total de 18.000 km de linhas de Transmissão e uma
estimativa de 9.000 km de linhas com cabos OPGW.
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A Eletrosul atua no Paraná, Santa Catarina, Rio Grande do Sul, Mato Grosso do Sul e
Goiás. Tem 9.000 km de linhas de transmissão, com uma estimativa de 3.000 km de cabos com
OPGW.
Percebemos, portanto, o grande potencial proporcionado pela infra-estrutura já existente
no Brasil. Não seriam necessários grandes investimentos para a implantação da tecnologia PLC
no país.
5.4. Viabilidade Econômica
Internet em banda larga chegando a quase 100% dos lares do país é uma promessa boa
demais para ser verdade, mas distribuidoras de energia do país estão testando essa possibilidade,
interessadas em descobrir a viabilidade técnica e econômica de uma nova tecnologia.
A experiência da Copel, que investiu US$ 1 milhão para levar o sistema elétrico de banda
larga para 50 domicílios e estabelecimentos comerciais de Curitiba, revelou que a tecnologia
funciona, mas o custo da infra-estrutura é bem alto e corresponde a quase 50% da instalação de
uma rede de linhas telefônicas digitais (ADSL). A tecnologia funcionou bem para os aparelhos
instalados em circuitos curtos, onde a distância da fonte do sinal de dados até a residência do
usuário é de cerca de 300 metros. A companhia conseguiu taxas de transferência de até 1,7
Mbps.
Um dos principais problemas do PLC é exatamente a pequena distância necessária para que
os dados cheguem sem erros ao usuário pela rede elétrica, o que encarece os custos da infra-
estrutura. Quanto maior for a distância da fonte que gera o dado menor a banda (capacidade de
transmissão de dados). No caso do PLC o problema é maior porque o principal desafio é
conseguir uma banda grande o suficiente para ser dividida por vários usuários, já que todo o
sistema elétrico é ligado em paralelo. A empresa desembolsou R$ 200 mil, além da parte da
infovias, para conectar 40 usuários.
PLC deve ser considerado mais como uma alternativa híbrida que aproveite as atuais redes
de fibra óptica do país em conjunção com os cabos de energia de localidades que ainda não estão
servidas por outros meios de acesso rápido à Internet, como o ADSL e a TV a cabo.
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A solução mista economizaria os custos de instalação de novas redes de banda larga.
Algumas operadoras acham isso viável principalmente em lugares onde não há muito ADSL. O
PLC pode ser massificado no país, isso se a tecnologia conseguir se desenvolver e reduzir custos
de implantação frente à expansão do ADSL, que terá no final 545 mil usuários no Brasil,
segundo relatório do próprio Yankee (Groupo de professor Zucchi). As figuras abaixo
representam soluções tecnológicas para provimento de acesso.
Figura 5.2 – Rede Híbrida Fibra Óptica - PLC
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5.3 – Rede Híbrida WLAN - PLC
5.5. Economizando tempo e Dinheiro
Comparações de custo mostram que uma comunicação pela rede elétrica com os sistemas
de comunicação PLC é muito eficiente economicamente. Há um retorno rápido no investimento
ao comparar a colocação de cabos de telecomunicações ou ao contrato de linhas permanentes de
2 Mbit/s. Assim que a distância exceder aproximadamente 75 metros, é mais econômico usar
cabos da rede elétrica existente que colocar cabos novos de telecomunicações Além dos
benefícios de custo óbvios, sistemas PLC oferecem também benefícios de tempo: instalar as
unidades de acoplamento aos blocos de transmissão é um problema de apenas algumas horas. Os
sistemas podem facilmente ser configurado usando os softwares de gerência incluídos nos
pacotes dos fabricantes.
A Figura 5.2 e 5.3 mostra uma unidade do sistema de telecomunicações sendo interligada à
uma unidade do sistema de distribuição de energia. À distância de aproximadamente 100 metros
é necessário para separar com segurança as instalações de ambos o sistema. A Figura 5.4 mostra
uma outra forma de interligação de localidades através do PLC, neste caso são interligadas
estações de controle do sistema elétrico através dos cabos de controle dos mesmos. O PLC seria
apenas um Up Grade na taxa de transmissão de dados entre as estações. (SOUZA, 2003).
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Figura 5.2 - Internet rápida com PLC através da rede elétrica (Souza, 2003).
Figura 5.3 - Distância aproximada de 100m para separação de energia e computador. (Souza, 2003).
Figura 5.4 - Ligação PLC através do cabo de controle elétrico.
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6. Projeto de integração Tecnológica
A rede elétrica utilizada no Brasil, não possui boas condições de armazenagem, geralmente
são expostas e estão sujeitas as ações da natureza provocando danos na fiação.
A tecnologia PLC não possui bom desempenho em rede elétrica antiga, precisa de uma rede
em boas condições de uso, ou seja, rede elétrica de qualidade, para melhorar o desempenho de
suas funções.
Este trabalho apresentará uma proposta fictícia cujo objetivo é solidificar os conceitos da
Power Line Communication. O projeto proporcionará ao leitor um entendimento mais concreto
do que foi visto previamente, além de exibir a forma concreta de como a tecnologia poderá ser
implantada. A partir de então poderá haver conclusões a respeito da viabilidade da solução.
6.1. Cenário
Há diversos tipos de equipamentos PLC, que podem ser utilizados na oferta de serviços de
telecomunicações sobre a rede de distribuição de energia elétrica:
• Modems utilizados nas instalações dos usuários (Customer Premises Equipments – CPE);
• Equipamentos de concentração;
• Repetidores ou equipamentos intermediários (de baixa ou alta tensão);
• Equipamentos de Transformador BT/MT;
• Equipamento de Subestação.
A Figura 6.1 ilustra o posicionamento destes tipos de equipamentos em uma rede.
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Figura 6.1 – Variedade de Equipamento PLC.
O Modem PLC é um equipamento que realiza a interface entre os equipamentos dos usuários
e a rede elétrica de distribuição, transformando o sinal do equipamento terminal de
telecomunicações em sinal modulado e transportado sobre a rede elétrica.
O Modem recebe alimentação e os sinais de telecomunicações pela rede elétrica de
distribuição doméstica (in-house). O Modem permite também separar as aplicações de voz e
dados, para os respectivos telefones ou computadores pessoais.
Há diversos tipos de modems, como modems para acesso a Internet (Ethernet e/ou USB),
modem para Internet e Telefonia (Ethernet e/ou USB + RJ-11) e modems só para voz (RJ-11).
Funcionalidades adicionais, tais como Modems Wi-Fi já estão também disponíveis e permitindo
a cobertura em áreas abertas.
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O Repetidor recupera e re-injeta o sinal PLC proveniente dos Equipamentos de
Transformador para a rede elétrica de distribuição doméstica. É instalado normalmente junto a
sala de medidores de cada prédio ou em algum local intermediário (por exemplo, postes sem
transformador) na rede de distribuição de baixa tensão.
Algumas vezes pode ser utilizado como um nó intermediário para expandir a cobertura ou
aumentar a largura de banda em segmentos críticos da rede (por exemplo, devido a uma elevada
atenuação entre o equipamento PLC do Transformador e o Modem PLC). Há também
Repetidores em Média Tensão com propósitos semelhantes.
Em alguns casos, dependendo da topologia da rede elétrica, o repetidor pode não ser
necessário, caso em que o equipamento PLC do Transformador consegue uma conexão de
elevada qualidade com o Modem PLC.
Determinados condomínios ou prédios podem exigir um equipamento de concentração que
otimize a largura de banda para um conjunto de usuários próximos. Em prédios, este
equipamento é geralmente instalado junto a sala de medidores. Algumas vezes pode ser utilizado
como um nó intermediário para expandir a cobertura ou aumentar a largura de banda em
segmentos críticos da rede.
O Equipamento de Transformador é o dispositivo PLC instalado junto aos transformadores
MT/BT. Sua função é extrair o sinal proveniente da rede de distribuição PLC (média tensão,
fibra óptica, rede a cabo, etc) e injetá-lo sobre a rede de acesso (baixa tensão).
Possibilita o fluxo de dados downstream do Equipamento Transformador até o Modem PLC
ou para os Repetidores numa configuração ponto multiponto full-duplex. Os Equipamentos de
Transformador são dotados de uma configuração modular flexível com:
• Placas BT, as quais injetam o sinal PLC proveniente da rede de distribuição PLC sobre os
cabos de baixa tensão;
• Placas MT que permitem a interconexão destes equipamentos sobre a rede de distribuição
de média tensão.
Opcionalmente os Equipamentos de Transformador podem incluir:
• Placas WiFi que permitem o acesso wireless a clientes dentro da área de cobertura do
Transformador, sem utilizar a rede de baixa tensão, mas utilizando a rede de média
tensão para entrega do sinal;
• Placas de Fast Ethernet ou Gigabit Ethernet para interconexão destes equipamentos
através de interfaces RJ-45 ou GbEthernet, o que permite o uso de fibra óptica ou outras
tecnologias para a rede de distribuição (xDSL, LMDS, etc).
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Equipamento de Subestação (High End) é o dispositivo PLC instalado junto a Subestação.
Sua função é, por um lado, permitir a interconexão com os provedores de serviços (Internet ou
PSTN, por exemplo) e por outro lado, injetar o sinal na rede de média tensão.
As funções do equipamento de Subestação podem ser desempenhadas, dependendo da
configuração, pelo mesmo Equipamento de Transformador.
Equipamentos Acessórios (unidades de acoplamento) são os equipamentos acessórios
necessários para injetar e adaptar o sinal de telecomunicações do equipamento PLC para a grade
de distribuição (MT e BT).
Há 2 tipos de unidades de acoplamento:
• Acoplamento capacitivo que injeta o sinal por contato direto com a rede de distribuição
(por exemplo, feito por “piercing”);
• Acoplamento indutivo que injeta o sinal por indução (por exemplo, feito por “ferrite”).
A 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 tempos, procedimentos, desempenho e
segurança de instalação.
A topologia geral de uma rede de telecomunicações onde se utiliza a tecnologia PLC é
ilustrada na Figura 6.2.
Distinguem-se os seguintes segmentos de rede:
6.1.1.1. A Rede de Acesso PLC
A grade de baixa tensão realiza a função do segmento de acesso (última milha) da rede de
telecomunicações. A rede de acesso interconecta Modems PLC com o Equipamento PLC de
Transformador. O socket elétrico convencional torna-se um ponto de conexão a serviços de
telecomunicações.
Os Equipamentos PLC de Transformador localizam-se junto aos Transformadores de
MT/BT (média tensão/baixa tensão). A rede de acesso PLC pode ainda envolver repetidores, em
função da distância entre os equipamentos PLC.
O Modem PLC pode ser conectado a uma rede local (LAN) existente na residência do
usuário, possibilitando diversos usuários se conectar e dividir uma conexão em alta velocidade,
opção que é especialmente útil para SOHOs (Small Offices Home Offices).
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Também se pode utilizar a rede elétrica in-house pra estabelecer uma rede local levando
o sinal PLC a todos os cômodos da casa ou escritório.
Figura 6.2 - Acesso do PLC e distribuição na rede.
6.1.1.2. A Rede de Distribuição PLC
É a parte da rede de acesso que pode ter uma abrangência, inclusive metropolitana, que
interliga a rede de acesso de última milha aos provedores, ou ao backbone. Observe-se que
devido a sua capilaridade potencial recebe uma denominação especial: rede de distribuição.
A rede de distribuição interconecta os Equipamentos PLC instalados nas subestações
MT/BT. Esta interconexão admite uma variedade de soluções, que podem ser combinadas. Desta
forma a rede de distribuição pode se basear:
• No sistema de distribuição de média tensão, conectando diferentes subestações MT/BT
por meio de equipamentos PLC de média tensão (pode se utilizar tanto a rede aérea
quanto a rede subterrânea);
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• Em um sistema de transmissão por fibras ópticas conectando diferentes subestações
MT/BT;
Normalmente as subestações são conectadas por uma configuração de referência em anel
com rotas de proteção em caso de falha.
O desenvolvimento de PLC de média tensão é de elevada importância, na medida que
impacta positivamente a economicidade e a rapidez de implantação, permitindo as prestadoras e
concessionárias de serviços (Utilities) servir-se de suas redes de distribuição para conectar
diferentes subestações de baixa tensão.
6.1.1.3. Redes de provedores de serviços (Internet)
Em algum ponto da rede de distribuição é necessário interconectar aos provedores de
serviço de Internet ou telefônicos. Outros serviços de valor adicionado como video streaming e
serviços multimídia podem exigir uma interconexão ou serem providos diretamente pelo
operador de PLC.
6.1.1.4. Possíveis Problemas
Apesar do prévio planejamento, alguns problemas poderão surgir ao longo do projeto. Os
possíveis problemas poderão surgir e são de conhecimento das pessoas que desenvolveram o
projeto, mas em virtude das alterações necessárias para o perfeito funcionamento do projeto,
acabaria inviabilizando a execução do mesmo levando em consideração os custos e mudanças
infra-estruturais.
1ª - Interferências Causadas por equipamentos de Corrente Alternada (AC): seriam esses os
condicionadores de ar, liquidificadores, chuveiros elétricos entre outros.
Possível Solução: Criar uma fiação separada para o uso dos mesmos, além de relógios de
medição separados.
2ª – Interferências causadas pelo meio externas: Seria a exposição dos cabos elétricos aos
efeitos degradantes da natureza (Sol, Chuva, umidade entre outros).
Possível Solução: Colocar os cabos elétricos no subterrâneo.
3ª – Distância: Os equipamentos voltados a tecnologia PLC possuem um limite de distância
se não sofrerão atenuação no sinal.
Possível Solução: Evitar distâncias maiores que o estipulado pelos fabricantes dos
equipamentos e instalação de repetidores.
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6.1.1.5. Taxa de Transmissão das Tecnologias PLC
Ascom Power Line Freqüência de operação - 1.6 MHz a 30 MHz.
Faixa de freqüência externo - 1.6 MHz a 13 MHz.
Faixa de freqüência fechado - 15 MHz a 30 MHz.
Distância em recinto fechado - 100 metros.
Distância em recinto aberto – 350 metros.
Taxa de transferência fidedigna de dados ao redor – 4,5Mbs (Residencial)
DS2 Power Line Freqüência de operação - 1 MHz a 30 MHz.
Faixa de freqüência externo - 1 MHz a 10 MHz.
Faixa de freqüência fechado - 10 MHz a 20 MHz.
Distância em recinto fechado - 100 metros.
Distância em recinto aberto – 350 metros.
Taxa de transferência fidedigna de dados 7,5 Mbs/Hz – 45Mbs full duplex.
• 27 Mbps download
• 18 Mbps upload
Main.Net Communication Freqüência de operação - 1 MHz a 30 MHz.
Faixa de freqüência externo - 1.6 MHz a 13 MHz.
Faixa de freqüência fechado - 20 MHz a 30 MHz.
Distância em recinto fechado - 100 metros.
Distância em recinto aberto – 350 metros.
Taxa de transferência fidedigna de dados ao redor – 4,5Mbs (Residencial)
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7. Conclusões
A investigação mostra que a tecnologia PLC vem complementar, adicionar uma
alternativa, para utilizarmos a rede de energia elétrica como uma rede de dados, em nossas
residências, em nossas escolas (tão carentes de acesso a tecnologias e informação), em nossas
bibliotecas, etc.
É um catalisador para a proliferação da Informação / Internet nos mais recônditos lugares
do nosso Estado e do nosso País. Veremos que, nas residências que dispõem de televisão ligada à
rede de energia elétrica de baixa tensão, com um pequeno equipamento acoplado, haverá
condições de acessar a Internet por este meio físico, a um custo altamente acessível; o
dispositivo poderá até mesmo, ser ofertado pelas operadoras de eletrificação, como mais um
serviço à população que dispõe de energia elétrica na sua residência.
As operadoras, ou empresas concessionárias de energia elétrica também se utilizarão a
tecnologia para aprimorar seus próprios serviços como leitura remota dos medidores de energia,
cobrança diferenciada por demanda, etc.
As operadoras de TV a cabo poderão oferecer seus serviços sem precisar instalar um
novo cabeamento. Assim, todas as tomadas de energia elétrica passam a ser vistas como
interfaces de dados.
Diante de tantas possibilidades de aplicação, fica evidenciado que uma única situação é
primordial para o avanço da pesquisa e da disseminação dessa tecnologia no Brasil.
Acreditamos que a tecnologia venha, inicialmente, fechar lacunas, minimizando custos e
tempo de implementação de redes locais (LAN) e num segundo estágio, depois de resolvidas as
questões burocráticas do setor, a ser uma opção para redes WANs e MANs, para um futuro bem
próximo.
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8. Referências Bibliográficas
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