“Análisis de la Factibilidad Económico de redes PLC”

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

TRABAJO DE DIPLOMA

“Análisis de la Factibilidad Económico de redes PLC”

Autora: Tamika Yemana Soltau

Tutora: Lic. Marlén Alvarez Díaz

Consultante: Dr. José Ángel González Quintero

SANTA CLARA, CUBA

2007

“Año del 49 aniversario del triunfo de la Revolución”

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

TRABAJO DE DIPLOMA

“Análisis de la Factibilidad Económica de redes PLC”

Autora: Tamika Yemana Soltau [email protected]

Tutora: Lic. Marlén Álvarez Díaz Facultad de Ingeniería Eléctrica

[email protected]

Consultante: Dr. José Angel González Quintero Facultad de Ingeniería Eléctrica

[email protected]

Santa Clara

2007

“Año del 49 aniversario del triunfo de la Revolución"

Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central

“Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad

de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea

utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial

como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización

de la Universidad.

Firma del Autora

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de

la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un

trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.

Firma del Autora Firma del Jefe de

Departamento donde se

defiende el trabajo

Firma del Responsable de

Información Científico-Técnica

i

PENSAMIENTO

“La conclusión del asunto, habiéndose oído todo, es: Teme al Dios

verdadero y guarda sus mandamientos. Porque esto es todo el deber del

hombre.”

Eclesiastés 12:13

ii

DEDICATORIA

- A Mona Patricia and John Duryae, Sin los cuales yo no sería alguien

Y lo soportan todo… los dedique mi trabajo. With Love.

iii

AGRADECIMIENTOS

I would like to thank all the people that have participated in the preparation of

this thesis. Especially, I wish to thank my tutors, Marlén Álvarez Díaz and Dr. José

Angel González Quintero, for giving me the opportunity to carry out this thesis and for

their interest in my research work.

I would also like to thank my fellow Engineer, Kelroy Andre Alexander for his

kind cooperation and motivation as well as his valuable ideas that helped me greatly

through the years.

I wish to thank all the professors in the department of Telecommunications and

Electronic engineering in the Electrical Faculty for all their help, guidance and support

given through the years.

I am also grateful to all friends and classmates in the Electrical Faculty for

enriching the Cuban experience especially Cheree, Yasiel, Yilena, Ernesto, and Yanet.

I am deeply indebted to my family for giving me a good basis and for support

during my studies.

Tamika Yemana Soltau

iv

RESUMEN

La tecnología Power Line Communications (PLC), posibilita la transmisión de voz,

datos y video a través de los cables eléctricos, convirtiendo cualquier enchufe

eléctrico en conexión potencial a todos los servicios de telecomunicaciones.

En este trabajo, se hace un análisis técnico-económico sobre la factibilidad y

competitividad de redes PLC respecto a otras tecnologías. Se tratan además, las

principales características, ventajas y desventajas comparándolas con otras

existentes en el mercado.

Se presentan pequeños ejemplos de redes que emplean esta tecnología. Los

resultados muestran que en los ambientes actuales, PLC todavía se está

desarrollando y puede que en el futuro tenga una ventaja económica.

La tesis concluye con una mirada a las otras aplicaciones tecnológicas de PLC en

la automatización de hogares, de vigilancia y en la lectura automática de metros

de medición.

v

TABLA DE CONTENIDOS

PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i

AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii

RESUMEN ............................................................................................................................ iv

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1

Organización del informe ................................................................................................... 1

CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO .................................................................................. 3

1.1 Tecnología de las Redes ........................................................................................... 3

1.1.1 Ethernet ............................................................................................................. 3

1.1.2 Redes de Línea Telefónica. ............................................................................... 6

1.1.3 Redes Inalámbricas ........................................................................................... 8

1.1.3.1 Bluetooth ....................................................................................................... 9

1.1.4 Redes de Líneas de Potencia. .......................................................................... 10

1.2 Transmisión de Potencia Eléctrica -Conceptos Básicos. ....................................... 10

1.3 Powerline Communication ..................................................................................... 13

1.3.1 Razón de bit de Información y Ancho de banda de la señal ........................... 14

1.3.2 Topología de la Red ........................................................................................ 14

1.3.3 Arquitectura de los sistemas del PLC ............................................................. 16

1.3.4 Equipos de Comunicaciones ........................................................................... 20

vi

1.3.5 Canal de Transmisión ..................................................................................... 23

1.3.6 Estándares ....................................................................................................... 26

CAPÍTULO 2. ANÁLISIS COMPARATIVO DE CASOS ............................................ 29

2.1 Objetivos. ............................................................................................................... 30

2.2 Instalación de una Red PLC ................................................................................... 31

2.2.1 Descripción del LAN PLC .............................................................................. 33

2.2.2 Comercialización ............................................................................................ 35

2.3 Instalación de una Red Inalámbrica ....................................................................... 38

2.3.1 Dispositivos Necesarios .................................................................................. 39

2.3.2 Descripción de la Red Inalámbrica ................................................................. 39

2.4 Diseño de la Red de Ethernet ................................................................................. 40

2.4.1 Dispositivos Necesarios .................................................................................. 40

2.4.2 Descripción del Ethernet LAN ....................................................................... 41

2.5 Análisis Comparativo ............................................................................................. 42

2.5.1 Medio Físico ................................................................................................... 43

2.5.2 Características de Canal .................................................................................. 44

2.5.3 Capacidad ........................................................................................................ 44

2.5.4 Ancho de Banda .............................................................................................. 45

2.5.5 Coste de Conectividad .................................................................................... 46

CAPÍTULO 3. OTROS APPLICACIONES DE LAS REDES PLC ............................... 49

3.1 Sistemas de Control y Automatización .................................................................. 50

3.1.1 Protocolo de Transmisión PLC X-I0 .............................................................. 51

3.1.1.1 Protocolo y Descripcion del Sistema .......................................................... 52

3.1.2 CEBus (Consumer Electronic Bus) ................................................................ 53

vii

3.1.2.1 Nivel Físico ................................................................................................. 53

3.1.2.2 Protocolo ..................................................................................................... 53

3.1.3 LonWorks (Local Operation Networks) ......................................................... 54

3.1.3.1 Conceptos Básicos sobre LonWorks ........................................................... 55

3.1.3.2 Usos de LonWorks ...................................................................................... 56

3.2 Red Inteligente (Smart Grid) ................................................................................. 56

3.2.1 AMR (Automatic/Automated Meter Reading) ................................................ 57

3.3 Voz sobre IP (VoIP) ............................................................................................... 59

3.4 Vigilancia ............................................................................................................... 60

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 66

Conclusiones ..................................................................................................................... 66

Recomendaciones ............................................................................................................. 67

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 68

ANEXOS .............................................................................................................................. 71

Anexos I Power Line Communication ....................................................................... 72

Anexo II HomePlug 1.0 Specification ........................................................................ 73

Anexos III: Listado de productos de Corinex ................................................................... 74

Anexo IV: Elementos de la red PLC ................................................................................ 76

INTRODUCCIÓN 1

INTRODUCCIÓN

Este trabajo consiste en la realización de un análisis técnico-económico sobre la

factibilidad de instalar redes PowerLine Communcation (PLC). Para llevar a cabo

esta tesis se tuvo que buscar, analizar y resumir características técnicas, ventajas

y desventajas de PLC y compararla con otras existentes con el fin de ofrecer datos

interesantes que incentiven su uso. El estudio se dirigió primeramente a las

tecnologías existentes que pueden competir con las redes PLC, tales como:

• Redes de Ethernet.

• Redes Inalámbricas.

Organización del informe

El informe está compuesto de tres capítulos.

El primero titulado “Marco Teórico” trata sobre:

1. La descripción de las tecnologías de redes utilizadas en el mundo para

la transmisión de voz, datos y video.

2. La descripción de las redes eléctricas como medio de transmisión físico

de PLC.

3. Las características fundamentales de las redes PLC tales como:

• Velocidad de transmisión

• Características del canal

• Topología

• Limitaciones

INTRODUCCIÓN 2

• Los métodos de modulación

• Estándares empleados

El segundo capítulo nombrado “Análisis Comparativo de casos”, trata sobre:

1. Una propuesta de diseño de una red PLC para un laboratorio de la

Facultad de Ingeniería Eléctrica (FIE).

2. Los diseños de LAN con tecnología Ethernet y Inalámbrica del mismo

local

3. La realización de un análisis comparativo mediante estos casos según

las características técnicas y precios de las redes.

El tercer y último capítulo nombrado, “Otras Aplicaciones de las redes PLC”,

contiene otros desempeños de red PLC como domótica, vigilancia y lectura

de metro-contadores.

PLC es una tecnología que promete altas velocidades de transmisión de datos voz

y video y compite con otras existentes. Su uso se extiende a otras aplicaciones

tecnológicas por lo que numerosos países y compañías han destinado gran

cantidad de recursos en su desarrollo.

CAPÍTULO 1 MARCO TEORICO 3

CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO

La función de una red de comunicaciones es transportar la información a partir de

un dispositivo a otro. El desarrollo tecnológico ha traído consigo con el pasar de

los años que el montaje y funcionamiento de estas sea más sencillo y barato. El

acceso de banda ancha es en este momento la necesidad fundamental en la que

se centran gran parte de las investigaciones.

1.1 Tecnología de las Redes

Hay muchas maneras de alcanzar una meta dada. En ninguna parte esto es más

evidente que en el mundo de comunicaciones. Cada diseñador de la red sabe que

uno de los desafíos más difíciles a que se enfrenta es seleccionar la tecnología

más apropiada.

Este trabajo tiene como objetivo realizar un análisis técnico-económico sobre

factibilidad de la instalación de redes PLC respecto a otras tecnologías de redes:

Ethernet, inalámbrica (Bluetooth), PLC (HomePlug), ADSL (cable coaxial).

1.1.1 Ethernet

Las redes de datos de área local más conocidas como LAN son usadas para

interconectar conjuntos de computadoras en un edificio simple o grupo de

edificios. Las LANs son generalmente instaladas y mantenidas por una

organización, por lo que también nos podemos referir a ellas como redes privadas.

Están separadas por distancias que van desde algunos metros hasta unos pocos

kilómetros. Se utilizan fundamentalmente en oficinas, campus universitarios,

empresariales e industriales.


Las redes LAN son utilizadas para interconectar computadoras, terminales,

impresoras u otros equipos periféricos que se localizan en el área abarcada por la

red. Usualmente utilizan su propio cableado por lo que disponen de un gran ancho

de banda. De esta forma el tráfico entre estaciones puede ser banda base y estar

regulado por algoritmos simples.

Al habla de topologías podemos ver que en el ámbito de las redes de

computadoras, este término se utiliza fundamentalmente de dos formas: para

referirse a la disposición lógica de la red y para señalar la disposición física de las

siguientes:

- Ethernet

- Token Ring

- FDDI

- ATM

Las redes Ethernet son las más utilizadas en la actualidad en las LAN por sus

prestaciones. Ofrecen velocidades de 10 Megabits por segundo (Mbps) para

Ethernet, 100 Mbps para la FastEthernet y 1000 Mbps para la Gigabit Ethernet.

Está basada en el estándar 802.3 CSMA/CD, de la IEEE que ofrece la solución

para la situación que se presentaba cuando varias máquinas trataban de transmitir

través del mismo medio físico simultáneamente. Utilizan banda base sensible a la

portadora para detectar colisiones. Para evitar las colisiones, cada maquina sensa

el estado del canal de comunicaciones antes de intentar usarlo. Esta técnica se

conoce como Carrier Sense Multiple Access with Collision detection (CSMA/CD).

La IEEE creó el comité de trabajo 802, el cual especifica los estándares tanto del

hardware como del formato de los mensajes. De esta forma surgieron los

estándares 802.2 y 802.3, siendo este último el más utilizado por la mayoría de los

fabricantes más importantes de accesorios para redes Ethernet.

Ethernet se despliega en tres topologías básicas, la de bus, la de estrella y anillo.

La topología de bus es en la que todos los dispositivos conectados a la red


comparten un mismo cable. Cada nodo está conectado al bus y se comunica

directamente con los otros nodos del bus (figura. 1.1). La topología de estrella es

la más usada, su conexión a los nodos radia de un punto común, el switch. Esta

topología es flexible y escalable. La topología de anillo es una topología simple,

punto a punto. Cada estación tiene dos conexiones: uno a cada uno de su vecino

más próximo. La interconexión forma un anillo y los datos son transmitidos

alrededor de este anillo en una dirección (Sportack).

Fig. 1.1 Topología bus de Ethernet

Para su conexión se utiliza cable UTP (unshielded twisted pair), también conocido

como par trenzado. En la actualidad existen diferentes categorías de cable, pero

los más utilizados son de CAT 5e o CAT 6 y se conectan mediante un conector

RJ-45. Todas las PC cuentan con tarjetas de red con puertos para este tipo de

conectores.

Ethernet llega a ser popular porque logra un buen equilibrio entre la velocidad, el

coste y facilidad de la instalación, pero su desarrollo no se detiene los vendedores

ofrece, cada vez más altas velocidades de transmisión para mantener su posición

en el mercado y satisfacer la demanda.


1.1.2 Redes de Línea Telefónica.

En el establecimiento de una red de datos sobre las líneas telefónica se aprovecha

la capacidad de transmisión de los alambres existentes para la telefonía. La

transmisión de la información se realiza en otras frecuencias por encima del

servicio telefónico (POTS) o de los servicios digitales como el ISDN o el DSL, Por

lo tanto su uso para transmitir datos y video no interfiere con el uso normal de la

línea telefónica para la voz, o el fax. Estos otros servicios de la línea telefónica no

afectan la calidad de transmisión de datos de la red.

Fig.1. 2 Red de línea telefónica típica

En una red de línea telefónica casera típica los adaptadores internos o externos de

la red están instalados en cada PC, los cuales se conectan a un enchufe del

teléfono (Figura 1.2). Las impresoras u otro periférico, - incluyendo el acceso

simultáneo al Internet vía un modem de 56 Kbps análogo, del ISDN, del cable o

del DSL, - comparten el medio con la PC.

La tecnología usada para dividir el ancho de banda compartida es multiplexación

por división de frecuencia (FDM). Esta técnica bien establecida divide el ancho de


banda total en diversas bandas, llamada canales, usando los filtros selectivos de

frecuencia. Tanto la información analógica como la digital utilizan diversos canales

para el tráfico.

El ISDN se ha diseñado para permitir que un número de servicios sean llevados

juntos en el mismo alambre del teléfono. Puede ser considerado una extensión de

la red pública conmutada (PSTN) (Norris, 2003).

DSL se define como un par de módems, uno situado en el local de teléfono y el

otro en el sitio de cliente, se puede utilizar para entregar señales de alta velocidad

a través de su conexión de cobre. Hay varias tipos de DSL: - Asymmetrical DSL

(ADSL), High-speed DSL (HDSL), Very High-speed DSL (VDSL). El ADSL será

analizado con propósitos comparativos.

El ADSL asignó el ancho de banda disponible en un espectro asimétrico. Está

bien adaptado para el acceso de alta velocidad de internet, intranet video en

demanda y las aplicaciones de telecomunicaciones (Figura 1.3). Su rango de

velocidad es de 1,544 Mbps hasta 6 Mbps. Las transmisiones de ADSL funcionan

a distancias de hasta 5 km. (entre el cliente y el bucle local).

Fig. 1.3 Configuración típica de equipo ADSL


El ISDN y el DSL cambian la red local en digital, al hacer eso, ofrecen un acceso

de más alta velocidad al cliente.

La Home Phone Networking Alliance (HomePNA) ha definido recientemente una

especificación 3.0 que alcanza una razón de dato sin precedente de 128 Mbps con

las extensiones opcionales que alcanzan hasta 240 Mbps. La tecnología de

HomePNA complementa las tecnologías de red inalámbrica que proporcionan el

backbone de alta velocidad ideal para una red casera de multimedia que requiere

un canal rápido y confiable para distribuir múltiples usos de audio y video digitales

(Figura 1.4).

Fig.1. 4. Red típica de HomePNA

1.1.3 Redes Inalámbricas

Hay actualmente tres tipos de servicios/estándares de redes inalámbricas que son

desarrollados y vendidos hoy: IEEE 802.11 (Ethernet inalámbrica), HomeRF y

Bluetooth. Cada uno trabaja de forma diferente. Una red inalámbrica utiliza ondas

electromagnéticas para transmitir y para recibir datos a través del aire. Estas

ondas electromagnéticas son realmente las señales de radio de baja frecuencia

que utilizan una porción del espectro llamado banda de la Instrumentation,


Science and Medical (ISM) (Figura 1.5). Estas bandas son alrededor 2.4 Gigahertz

(GHz).

Fig.1. 5. Bandas de ISM

1.1.3.1 Bluetooth

Bluetooth es un estándar abierto para la radio digital de corto alcance (Norris,

2003). La tecnología inalámbrica de Bluetooth permite que los usuarios hagan las

conexiones sin esfuerzo, plug and play (sin hilos e inmediata) entre varios

dispositivos de comunicación. Puesto que utiliza la transmisión de radio, la

transferencia de la voz y de datos es en tiempo real (Figura 1.6). El modo de

transmisión sofisticado adoptado en la especificación de Bluetooth asegura la

protección contra interferencia y la seguridad de los datos.

Fig. 1.6. Configuración Bluetooth

La especificación de Bluetooth tiene dos niveles de potencia definidos; un nivel

más bajo que cubre un área personal más corta dentro de un cuarto, y un nivel de

potencia más alta que puede cubrir un área de mediano alcance, como entre

varias habitaciones. Esto significa que Bluetooth es útil para el reemplazo del


cableado, los puntos de acceso de datos, voz y redes ad hoc. Los controles del

software y la codificación de identidad construida en cada microchip aseguran que

solamente las unidades preestablecidas por sus dueños pueden comunicarse. La

tecnología inalámbrica de Bluetooth apoya tanto las conexiones punto a punto

como los puntos a multipunto.

La puesta en práctica de Bluetooth es factible dejando una huella muy pequeña

que abarca un solo chip y componentes asociados de radiofrecuencia (RF). Su

diseño sofisticado de potencia de salida y conservación de la energía asegura un

consumo de energía mínimo.

1.1.4 Redes de Líneas de Potencia.

En la actualidad la transmisión de datos por líneas de energía (PLC) es una

tecnología que cobra auge en todo el mundo. Promete un ancho de banda

considerable. Se instala adaptadores internos o externos en un PC, y esto se

engancha en un enchufe de tomacorriente. Impresoras y otros periféricos puede

ser compartido a través de una PC que está conectada. A continuación será

presentado un análisis comprensivo y detallado en los estándares, las

características, las tecnologías, los productos y los progresos asociados al

despliegue de PLC –comenzando con los fundamentos.

1.2 Transmisión de Potencia Eléctrica -Conceptos Básicos.

Las líneas de energía se utilizan con el fin de hacer llegar la electricidad a los

consumidores. Este sistema interconecta los generadores y las cargas y

proporciona trayectorias múltiples entre ellos, aumentando la confiabilidad del

sistema.

El sistema de potencia eléctrica se puede dividir en la distribución, la sub-

transmisión, y los sistemas de la transmisión. Típicamente, la transmisión de

potencia está entre la planta eléctrica y una subestación cerca de un área poblada.

El sistema de la sub-transmisión distribuye energía dentro de un pueblo entero y

utiliza regularmente líneas elevadas. Esto es distinto de la distribución de la


electricidad, que se refiere a la entrega de la subestación al consumidor, usando

líneas aéreas y líneas soterradas.

Después de que la planta de generación genere la energía, el voltaje es

“intensificado” por un transformador para viajar largas distancias. Las líneas

interurbanas de transmisión en general son de 115 kilovoltios (kV), 230kV o 500kV

de corriente alterna (AC). Los transformadores de las subestaciones reducen este

alto voltaje para el uso en industrias grandes y para la distribución a las áreas

pobladas. Éstas son las líneas de potencia vistas en las calles de la ciudad, cuyo

voltajes de distribución son 44kV, 27.6kV, 13.8kV y 6.9kV (nivel de medio voltaje

69-138kV). Antes de que la energía eléctrica entre en el hogar, el voltaje se

reduce, generalmente por un transformador pequeño. La potencia que entra en la

residencia es generalmente de 120V o 220V.

La mayoría de las líneas de alto voltaje funcionan con corriente alterna trifásica

(CA). La frecuencia estándar en Norteamérica es 60 Hertz (Hz); en Europa, 50 Hz.

La transmisión de energía soterrada se utiliza solamente en áreas densamente

pobladas debido al alto coste de instalación y de mantenimiento. Las líneas aéreas

no se aíslan, así que su diseño requiere que sea observada una separación

mínima para mantener la seguridad. Las líneas de transmisión usan conductores

de ACSR (aluminum cable, steel reinforced) y conductores de ACAR (aluminum

cable, alloy reinforced). El sistema trifásico tiene tres conjuntos de los conductores

de fase uno para llevar la corriente y para transportar la energía, y dos

conductores puestos a tierra para proteger la línea contra descargas directas de

relámpagos. Cada conjunto de conductores de fase está conectado en paralelo y

separado por, cerca de, 1.5 pies (0.5 metros). Las líneas de transmisión están

generalmente en las torres de acero de la red, los postes de acero o los postes de

madera dobles. La distancia normal entre las torres de soporte es de algunos

cientos de pies. Las instalaciones del hogar están conectadas a la red de

suministro de potencia a través de un metro contador (M) como se muestra en

figura 1.7. Las instalaciones internas son poseídas generalmente por los usuarios.


Por otra parte, el resto de la red de baja tensión (al aire libre) pertenece a las

empresas de suministro eléctrico.

Fig. 1.7. Estructura típica de la red de suministro eléctrica.

Las variaciones climáticas afectan la operación de la línea. La potencia que una

línea puede transportar es limitada por sus parámetros eléctricos. Las líneas de

potencia constituyen un ambiente hostil para las redes de datos por los flujos y

cambios que pueden ocurrir por ejemplo oscilaciones de la potencia, relámpagos y

apagones. La caída de voltaje es el factor más importante para las líneas de la

distribución; donde la línea se provee de solamente un extremo, la caída de voltaje

permitida es de cerca del 5%.

Las empresas distribuidoras de energía eléctrica han utilizado las redes con este

fin sino también para la lectura de los contadores, las tareas teledirigidas, la

gerencia de la carga, la conmutación de tarifo etc. (Lindell). El uso de los cables

con este fin es muy rentable para la empresa porque no tienen que utilizar líneas

arrendadas costosas para la supervisión de sus servicios. Para compartir el uso

del canal transmiten datos a altas frecuencias que van de los 10 a los 40 KHz

mientras que para su uso ordinario son de los 50 a 60 Hz.


Las empresas eléctricas de los E.E.U.U. sirven típicamente en la orden de 10

usuarios finales por transformador, en cambio, en Europa y Asia, la mayoría de los

transformadores alimentan a 100-200 usuarios finales (Reza & Sanchez, PLC-

Telematica_Anol_No30.pdf, 2003).

Debido a la infraestructura existente, la comunicación digital sobre las líneas de

potencia se ha convertido en una oportunidad excelente para que los proveedores

de energía pongan nuevos servicios en ejecución, para las compañías eléctricas y

para sus clientes (Figura 1.8). PLC - La tecnología de PowerLine Comunications -

permite el uso de las redes del suministro eléctrico para la transmisión de voz,

datos y video convirtiendo cualquier toma de corriente a una conexión potencial

para todos los servicios de telecomunicación (Reza & Sanchez, PLC-


Fig. 1.8. Red Powerline.

1.3 Powerline Communication

Para la construcción de las redes de PLC, no hay necesidad de colocar cables

nuevos de comunicación. Un sistema PLC típico funciona inyectando sus señales

sobre el cableado de distribución de energía. Sin embargo, las redes de suministro

de potencia no están diseñadas para las comunicaciones y no constituyen un

medio de transmisión favorable. Hay que elegir un tipo de modulación que sea el

más adecuado para la red eléctrica. En PLC se emplea la modulación OFDM

(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) (Reza & Sanchez, PLC-



1.3.1 Razón de bit de Información y Ancho de banda de la señal

Una característica importante de la señal eléctrica es su ancho de banda, es decir

la anchura del intervalo de la frecuencia, alrededor de la frecuencia portadora, que

es ocupada por la señal eléctrica (Lindell). Esto significa, en la práctica, que los

usos avanzados que requieren alta razón de bit de información, en general

también requieren un alto ancho de banda para la señal. Los sistemas del PLC se

pueden dividir en dos grupos: PLC de la banda estrecha permitiendo servicios de

las comunicaciones con razón de datos relativamente bajas (hasta 100 Kbps) y

asegurando la realización de varias aplicaciones de automatización y de control

así como pocos canales de voz, y sistemas de banda ancha de PLC, permitiendo

razón de datos más allá de 200 Kbps y la realización de un número de servicios de

telecomunicaciones típicos en paralelo, tal como telefonía, acceso a Internet,

domótica etc.

PLC puede denotarse como un nuevo servicio de banda ancha que usa la red

eléctrica la cual generalmente esta desprotegida y es un sistema de cableado

heterogéneo. Parece ser apropiado en un ambiente al aire libre, PLC trabajaría en

el rango de frecuencia entre 1 MHz y 10 MHz y como acceso a la ultima milla para

el uso dentro de las casas en el rango de frecuencia entre 10 MHz y 30 MHz

(Reza, PLC-Telematica_Anolll_No7.pdf, 2004).

Sobre PLC se pueden obtener servicios como Internet, redes privadas virtuales

(VPN), VoIP, fax, servicio de mensaje corto (SMS), video bajo demanda (VOD),

teleconferencia, tele-vigilancia, sin olvidar en ningún momento los valores

añadidos que se podrían dar en el ámbito eléctrico (lectura y control de metro

contadores remotos) así como los servicios de gestión de la empresa eléctrica

(Reza, PLC-Telematica_Anolll_No7.pdf, 2004).

1.3.2 Topología de la Red

La red powerline se diferencia considerablemente en topología, estructura y

características físicas de medios convencionales tales como cables de cobre,

coaxiales o fibra óptica. Una solución razonable para la conexión de las redes


múltiples de PLC, es la realización de una red de distribución común que conecta

un número de redes PLC. Las redes de distribución pueden ser realizadas en

diferentes topologías independientes de la tecnología de comunicaciones aplicada

(bus, estrella, y anillo). Sin embargo, la opción para una topología de la red

depende de varios factores, entre otro:

- Tecnología de comunicación usada que causa una topología específica de

la red,

- Disponibilidad del medio de transmisión en el área de aplicación,

- Posibilidad de la realización de las redes de distribución confiables

- Estructura y distribución geográficas de redes del PLC y de una oficina de

intercambio local.

La topología elegida tiene que asegurar la rentabilidad de la red, pero también su

confiabilidad (incluyendo redundancia en el caso de la falla), y ésta depende sobre

todo de la localización de las redes del PLC en un área considerada y de la

posición de la oficina de intercambio local.

Las redes de bus son una solución posibles por su bajo costo, sin embargo si un

enlace de las redes PLC falla, todas las redes de acceso puestas detrás del

enlace también se desconectan.

Otra solución posible es una red con una topología de estrella que conecta cada

red PLC por separado. La falla de un enlace en la red de estrella desconecta

solamente una red de acceso PLC, pero no hay posibilidad de una conexión

alternativa de la red de acceso afectada del PLC al backbone sobre un enlace

redundante de la transmisión.

Por lo tanto, el uso de la topología del anillo parece ser una solución razonable

para el aumento de confiabilidad de la red. En el caso de una falla en un solo

enlace entre los nodos del anillo, hay siempre una oportunidad para la realización

de las trayectorias de transmisión alternativas. Ver Figura 1.9.


Fig. 1.9. Topología de anillo.

Las redes PLC se conectan al backbone a través de redes de distribución de

comunicaciones. Una red de distribución conecta generalmente una estación base

del PLC con una oficina de intercambio local operando como proveedor de red. El

uso de la tecnología PLC debe ahorrar los costes en la construcción de nuevas

redes de telecomunicaciones. Sin embargo, la red PLC tiene que ser conectada

con la red de área amplia (WAN) vía las redes de backbone que causan costes

adicionales. Por lo tanto, una red de backbone PLC tiene que diseñarse con las

inversiones más bajas posibles para asegurar la competitividad de estas con otras

tecnologías.

1.3.3 Arquitectura de los sistemas del PLC

Básicamente, la comunicación dentro de una red de acceso del PLC ocurre entre

una subestación y un número de módems PLC, que interconecta a los

suscriptores. El intercambio de la información entre los distantes asociados parece

muy complejo. Los dispositivos de comunicaciones usados pueden diferenciar de

uno a otro y el flujo de información entre ellos se puede realizar sobre las redes

múltiples, que pueden aplicar diversas tecnologías de transmisión.

Para lograr una transmisión eficiente, evitando las hostilidades del medio fue

necesario modificar algunas de las capas del conocido modelo OSI (Open


Systems Interconnect), el cual presentamos a continuación en las figuras 1.10(a) y

1.10 (b) respectivamente.

Fig. 1.10. (a) Modelo de comunicación por capas de OSI y (b) de IP.

Una breve descripción de las funciones especificadas en el modelo de referencia

sigue para poder definir capas de red específicas del PLC (Hrasnica, Haidine, &

Lehnert, 2004).

• Capa 1 - La capa Física- considera la transmisión de bits sobre un medio de

comunicaciones, incluyendo características eléctricas y mecánicas del

medio de transmisión, sincronización, codificación de la señal, modulación,

y así sucesivamente.

• Capa 2 - Enlace de datos- se divide en dos subcapas:


o El Media Access Control (MAC) - (es una subcapa más baja)

especifica protocolos del acceso.

o El Logical Link Control (LLC) - (capa superior) considera la detección

y la corrección de error, y control de flujo de datos.

• Capa 3 - La capa de Red- es responsable de la instalación y de la

terminación de las conexiones de red, así como el enrutamiento.

• Capa 4 - La capa de Transporte- considera transporte punto a punto de los

datos incluyendo la segmentación de los mensajes transmitidos, control de

flujo de datos, gestión de error y seguridad de datos.

• Capa 5 - La capa de Sesión- controla la comunicación entre los terminales.

• Capa 6 - La capa de Presentación- transforma las estructuras de datos en un

formato estándar para la transmisión.

• Capa 7 - La capa de Aplicación- proporciona la interfaz al usuario final.

Una red de acceso de PLC consiste en una subestación o una estación de base y

un número de suscriptores que usan los módems PLC. Los módems proporcionan

varias interfaces utilizadas para poder conectar diversos dispositivos de

comunicaciones (Figura 1.11). Así una interfaz de usuario puede proporcionar un

interfaz de Ethernet que conecta una PC. Por otra parte, un módem PLC está

conectado al medio powerline de transmisión, proporcionando una interfaz

específica para PLC específico. La comunicación entre el medio de transmisión de

PLC y la interfaz de usuario se realiza en la tercera capa de red. La información

recibida de la capa física de la red powerline se entrega a través de la capa MAC y

del LLC a la capa de red, que se organiza según un estándar especificado (ej. IP)

que asegura comunicaciones entre PLC y las interfaces de los datos de Ethernet

(o cualquier otra).


Fig. 1.11. Capas de red PLC.

Las redes de distribución están sometidas a varios tipos de ruido. Si un ruido es

más grande que una señal de datos que entra en la red, la señal se podría perder.

Por lo tanto, la modulación ordinaria de portadora única no es apropiada para

PLC. Hasta ahora, dos tecnologías son ampliamente utilizadas para transmitir una

señal sobre líneas de energía. Una es OFDM y la otra es el Spread Spectrum

(SS). OFDM hace un uso más eficientemente del espectro que los SS, llegando a

ser más popular (Sakai, 2003). Para manejar la variación amplia de las

condiciones de canal, el protocolo de capa física (PHY) para PLC debe ser

adaptivo inteligentemente utilizando esquemas de modulación y codificación más

robustos, con razón de datos más bajos. Además, la información crítica de

protocolo de gerencia requiere un código FEC (Forward Error Correction) de alta

fidelidad que asegure el funcionamiento correcto del protocolo.

El propósito del control de acceso al medio (MAC) es transmitir datos entre la capa

física y la subcapa del Logical Link Control (LLC). Debido a que las redes de

distribución se comparten entre los clientes es necesaria una organización de

MAC (Figura 1.12). Actualmente, no hay especificaciones o estándares que

consideren la capa MAC y los protocolos para las redes PLC. Una capa de MAC

específica un esquema múltiple de acceso, una estrategia para compartir recurso

(protocolo de la MAC) y los mecanismos para el control de tráfico en una red. Hay

muchos protocolos MAC existentes que se pueden implementar en la red

powerline. CSMA/CD, CSMA/CA, TDMA y los protocolos híbridos tales como


TDMA+CSMA son candidatos potenciales. La alianza de HomePlug, que crea un

estándar de la industria para el establecimiento de una red de alta velocidad

usando líneas eléctricas, sugiere a utilizar el CSMA/CA (Carrier Sense Multiple

Access/Collision Avoidance) como el protocolo MAC. Los fabricantes del equipo

PLC aplican sus propias soluciones de protocolo, que se diferencian entre los

varios productos PLC. Por ejemplo, DS2 (Design of Systems on Silicon) fabricante

española de chip para modem PLC.

Fig. 1.12. Estructura de la capa de MAC.

1.3.4 Equipos de Comunicaciones

Las señales de comunicaciones tienen que ser convertidas en una forma que

permita la transmisión vía redes eléctricas. Para este propósito, las redes PLC

incluyen algunos elementos específicos de la red asegurando la conversión de la

señal y su transmisión a lo largo de las redes de potencia. El sistema de

comunicaciones sobre red eléctrica (PLC) consiste en una red full dúplex punto a

multipunto con varios elementos o componentes. PLC requiere el uso de

conmutadores, ruteadores y repetidores para proporcionar una segmentación de la

red que garantice el ancho de banda, el número de usuarios y los servicios

proporcionados por las redes de distribución eléctricas. Esto requiere de varios

dispositivos entre la red y la subestación (S-nodo), en espacios intermedios como

los repetidores (R-nodo), en transformadores de distribución (X-nodo) y en el sitio

del cliente el modem PLC o Gateway (GW-nodo) (Reza, PLC-

Telematica_Anolll_No7.pdf, 2004).


La red de PLC proporciona la conexión al cliente final por medio del GW-nodo (o

Customer Premises Equipment: CPE). Este nodo contiene una interfaz de PLC

que se conecta a un toma de corriente dentro del cuarto y es un módulo construido

para permitir varias interfaces para los servicios en el edificio, como soporte para

un red de datos en el laboratorio o servicios de telefonía por los puertos normales

de telefonía analógica (Reza, PLC-Telematica_Anolll_No7.pdf, 2004). El CPE

suele ser situado en la conexión eléctrica del usuario o directamente en un

enchufe. Los datos enviados por el usuario son transmitidos desde el CPE al X-

nodo o Head End (HE). El CPE está conectado al PC a través de un Puerto

Ethernet, un concentrador/conmutador u otros medios como interfaces USB, etc.

También se puede utilizar un adaptador telefónico que permite la conexión de un

teléfono analógico a través de la red eléctrica. Este modem puede estar integrado

en una caja decodificadora externa o bien como una tarjeta instalada en la PC del

usuario, que se conecta directamente al enchufe eléctrico.

El CPE es el esclavo en la red y su acceso ha debido ser autorizado previamente

por el HE. El HE también asignara “slots” específicos, de frecuencia y tiempo, en

el canal de comunicación, a diversos CPEs para permitirles transmitir

simultáneamente.

El S-nodo se utiliza para conectar la red PLC a una red de backhaul, es decir,

Internet, la red telefónica pública (PSTN) y otros. Típicamente, se instalaría a las

subestaciones de medio voltaje (MV) donde se conectan múltiples líneas de

distribución de MV (Reza, PLC-Telematica_Anolll_No7.pdf, 2004).

El X-nodo (Transformer Premises Equipment- TPE o Head End-–HE): El modem

de cabecera es el componente principal en la topología de una red PLC. Este

equipo actúa como maestro, coordina la frecuencia y actividad del resto de los

equipos que conforman la red PLC de forma que se mantenga constante en todo

momento el flujo de datos a través de la red eléctrica. Puede funcionar para

transferir los datos entre las líneas de MV y bajo-voltaje (LV) y puede servir como

un repetidor a lo largo de la línea de MV. El X-nodo es un modulo que se

encuentra convenientemente cubierto para poder ponerse en un ambiente


expuesto a los elementos externos. A través de la adición de una tarjeta el X-nodo

puede proporcionar la funcionalidad de repetidor a un costo adicional pequeño

(Reza, PLC-Telematica_Anolll_No7.pdf, 2004). En el otro lado, el módem PLC

está conectado con la red de potencia usando el método específico del acoplador

que permite la alimentación de las señales de comunicaciones al medio de la línea

de potencia y a su recepción. El HE como dispositivo “maestro” de la red PLC

proporciona elevado ancho de banda a un máximo de 245 nodos.

Una red PLC no puede hacer uso de la mayoría de su red de suministro debido al

bloqueo de la señal por un transformador de la distribución, que separan redes de

medio voltaje de las de bajo voltaje. Como consecuencia de esta limitación, un

dispositivo adicional tiene que ser instalado, para bypasear el transformador con el

objetivo de enlazar las redes de MV y LV. El bypass del transformador está

compuesto de un acoplador inductivo de MV, un dispositivo X-nodo y un acoplador

de LV.

El acoplador tiene que asegurar una separación galvánica segura y actuar como

un filtro de paso alto que divide la señal de comunicaciones (sobre 9Khz) de la

corriente eléctrica (50 o 60Hz). Ver figura 1.13. El acoplador de LV puede ser

capacitivo o inductivo en dependencia de la topología del sistema de distribución y

otros factores. (Reza, PLC-Telematica_Anolll_No7.pdf, 2004)

Acoplador capacitivo: estos dispositivos inyectan las señales en las líneas de

potencia con contacto directo (acoplamiento directo o de perforación). Un

capacitor es responsable del acoplamiento real y la señal se modula sobre la

forma de onda del voltaje de la red.


Fig. 1.13. Tecnología de acoplamiento.

Acopladores inductivos: conectan los módems PLC con las líneas de energía de

medio voltaje. Un acoplador inductivo transfiere la señal de comunicaciones sobre

la línea de potencia enrollándose alrededor de la línea, sin directamente

conectarse a ella. Un desafío importante es cómo entregar la señal de la línea

medio voltaje a la de bajo voltaje que entra en el edificio, porque el transformador

(que baja la energía eléctrica de varios miles de voltios hasta 220/110V) es un

bloqueo potencial del camino a la señal de banda ancha.

Las redes PLC pueden funcionar con eficaz económica solamente si la necesidad

del control manual de la red se reduce, especialmente las actividades que se

realizan directamente en las localizaciones de la red.

1.3.5 Canal de Transmisión

Las características de transmisión de los canales powerline no son favorables para

la transferencia de datos. El canal es caracterizado por la función de transferencia

entre el transmisor y receptor y la interferencia que el receptor recibe. Una red del


PLC cambia su estructura (ej. agregando a nuevos clientes) en la cual cada

acontecimiento de conmutación puede modificar la topología de la red. Los efectos

más importantes que influencian la propagación de la señal son las pérdidas del

cable, propagación multidireccional, las pérdidas debido a las reflexiones en los

puntos de ramificación y en los extremos de los cables mal unidos así como el

desvanecimiento selectivo. La atenuación en redes de PLC depende de la línea,

de la longitud y de la impedancia característica que cambia con la de la línea de

transmisión. Por lo tanto redes más largas de PLC deben ser equipadas con un

repetidor.

Los sistemas PLC utilizan un espectro de la frecuencia de hasta 30Mhz. Esta

gama de frecuencia es reservada para la operación de varios servicios de radio de

onda corta, tales como radio aficionado, los servicios públicos, militares y también

para el control de vuelo, los cuales pueden ser afectados negativamente por los

disturbios que vienen de las redes del PLC.

Los sistemas PLC tienen que asegurar valores muy bajos con respecto a la

emisión electromagnética y funcionar con la energía limitada de la señal.

La seguridad es un tema que preocupa a los usuarios de manera muy notable

cuando se habla de PLC, ya que la red eléctrica es un medio compartido. Tras

diversas pruebas se comprobó que los enchufes utilizados en Inglaterra tenían

una forma que los convertían en antenas capaces de redifundir como señales de

radio aéreas los datos de PLC, con lo cual cualquiera podría “escuchar” estas

transmisiones violando la privacidad y la confidencialidad de las comunicaciones

(Reza & Sanchez, PLC-Telematica_Anol_No30.pdf, 2003). Quizá tranquilice saber

que el control de seguridad de las conexiones se realiza en hardware por los chips

de DS2. Hay que señalar que para romper esto hay que conocer el diseño interno

y el funcionamiento de los chips de DS2, información que no es pública (Reza,

PLC-Telematica_Anolll_No7.pdf, 2004).

Por otra parte pueden utilizarse filtros que eliminen ruidos parásitos por toda la red

y que aíslen equipos problemáticos a fin de proteger servicios que pueden ser


interferidos. El precio a pagar por colocar estos filtros consiste en una disminución

del ancho de banda disponible y por tanto de la velocidad alcanzable por el

sistema.

Los mecanismos de manejo de errores bien conocidos se pueden aplicar al

sistema PLC para solucionar el problema de los errores de la transmisión

causados por los disturbios (ej. Forward Error Correction y Automatic Repeat

Request). Los mecanismos de Forward Error Correction (FEC) pueden recuperar

el contenido original de una unidad de datos a pesar de la influencia del disturbio.

FEC esta aplicada al control de tramas en a la información de datos. Sin embargo,

el uso de los mecanismos de FEC consume una parte adicional de la capacidad

de la transmisión debido a la tasa necesaria para la corrección de error. El uso de

los mecanismos de Automatic Repeat reQuest (ARQ) proporciona la retransmisión

de las unidades de datos defectuosas, consumiendo una parte de la capacidad de

la transmisión e introduce retraso adicional (Pavlidou, Vinck, Yazdani, & Honary,

2003).

1.3.5.1 Modulación de Señal

Entre los avances técnicos que permiten el PLC está cómo se codifican y se

modulan las señales de los datos. Estos métodos confían en algoritmos adaptivos

para contrarrestar ruido en el sistema y para reducir interferencia de radio. OFDM

(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) es una técnica de comunicación de

datos para proporcionar rendimiento de procesamiento de datos altamente

confiable en un ambiente ruidoso. Los métodos de OFDM separan las señales de

los datos, dividiéndolas sobre una anchura de banda muy amplia, con cada uno de

las secuencias de datos moduladas a diversas frecuencias y fase. Los datos se

transmiten sobre líneas de potencia a un receptor con trayectorias múltiples y

paralelas que extraen y reconstruyen las señales originales.

Típicamente, la capa física y la codificación se basan en OFDM, y a veces

técnicas del espectro extendido. OFDM ofrece no sólo eficacia espectral, sino

también la robustez contra interferencia de radiofrecuencia, una preocupación


importante en redes eléctricas ruidosas. El estándar de HomePlug 1.0 adopto

OFDM con un prefijo cíclico para superar el ambiente hostil del PLC.

La capacidad de transmisión de PLC también varía en función del fabricante, la

velocidad en este tramo es de 45 Mbps actualmente (27 Mbps en el sentido

descendente (red-usuario), y 18 Mbps en el sentido ascendente (usuario-red)). Sin

embargo componentes de segunda generación, desarrollados recientemente, han

elevado el límite por encima de los 130 Mbps, lo que permite a PLC competir

ventajosamente con otros sistemas de comunicación de banda ancha.

1.3.6 Estándares

Hasta ahora hay dos retos importantes. Uno está sobre la diferencia del sistema

del voltaje. Hay dos tipos de sistemas principales en el mundo, los sistemas 100V

y los sistemas 200V, el estándar se pudo dividir en dos sub-estándares de

acuerdo con el sistema del voltaje. La otra es la diferencia de regulación de la

emisión electromagnética. Los niveles permitidos de ondas de radio irradiadas

diferencian entre naciones. En cuanto a la emisión, PLCforum y el comité europeo

para la estandarización electrotécnica (CENELEC) cooperan con el comité

especial internacional sobre interferencia de radio (CISPR). (Sakai, 2003)

El desarrollo de los estándares para la seguridad y la confiabilidad de las

instalaciones de PLC son una parte natural de adopción de escala amplia de la

tecnología. Actualmente, hay varios cuerpos que intentan lograr la

estandarización; dentro de ellas se encuentran:

- PLCforum

- La HomePlug Powerline Alliance

- Open PLC European Research Alliance (OPERA)

La IEEE ha publicado un sistema de recomendaciones y de estándares referente a

las comunicaciones powerline.

European Electrical Standardization Committee estándar, CENELEC EN 50065

proporciona un espectro de la frecuencia a partir de 9 a 140 KHz para las


comunicaciones de línea de potencia. Los estándares americanos y japoneses

especifican un rango de frecuencia hasta 500 KHz para el uso de los servicios de

PLC (Hrasnica, Haidine, & Lehnert, 2004). La norma de CENELEC hace razones

de datos posibles hasta varios miles de bits por segundo, que son suficientes sólo

para algunas funciones de medición (gerencia de la carga para una red eléctrica,

una lectura de contadores a distancia, etc.), de transmisión de datos con razones

de bits muy bajos y la realización de poco número de canales de transmisión para

las conexiones de voz. Sin embargo, para el uso en redes de telecomunicaciones

modernas, los sistemas PLC tienen que proporcionar razones de datos mucho

más altas (más allá de 2Mbps). Para la realización de las razones de datos más

altas, los sistemas de la transmisión PLC tienen que funcionar en un espectro más

amplio de la frecuencia (hasta 30Mhz). Al menos no hay estándares PLC que

especifican la operación de los sistemas fuera de las bandas de frecuencia

definidas por la norma de CENELEC (Tabla 1.1).

Tabla 1.1. Bandas de CENELEC para PLC

Debido a la competencia en los mercados de las telecomunicaciones, los

proveedores de red que usan tecnología PLC tienen que tener el poder a ofrecer

atractivos. Es decir, los sistemas PLC tienen que competir con otras tecnologías

de acceso y ofrecer una calidad satisfactoria del servicio (QoS). Al mismo tiempo,

las redes de acceso PLC tienen que ser económicamente eficientes también, lo

que se puede alcanzar mediante modificaciones en la capa MAC que permiten la

eficiencia de PLC.


Tenemos absolutamente un cuadro razonable de las redes PLC. Hemos visto los

componentes usados para desplegarla, sabemos cómo puede ser configurado, y

aprendimos qué clase de medios pueden ser utilizados. Incluso sabemos cómo los

medios son alcanzados y se realiza el intercambio de información.

CAPÍTULO 2 ANALISIS COMPARATIVO DE CASOS 29

CAPÍTULO 2. ANÁLISIS COMPARATIVO DE CASOS

La solución de Powerline Communication, es una alternativa tentativa para este

país, no solo se trata de ventajas económicas y técnicas, sino de una solución para

llegar a donde el acceso difícil es un impedimento para garantizar las

comunicaciones. En Cuba la teledensidad es de un 10% y PLC es una solución

para aumentar este número. Es además, la solución para uno de los proyectos de

la Revolución: “La informatización de la sociedad”. Gracias a que empresas

cubanas han mostrado interés en el tema, se han realizado contactos con

empresas con experiencias en la implantación de PLC. Se podría realizar una

prueba piloto e implantación de PLC en el país, aprovechando así el estudio ya

realizado sobre esta región (Reza, PLC-Telematica_Anolll_No7.pdf, 2004).

En Cuba, para empezar, se has dado algunos pasos para el estudio de la

tecnología como son:

1. Establecer un estudio sobre el desarrollo actual de la tecnología en el

mundo y sus perspectivas, tanto en la red corporativa como en la última

milla.

2. Se analizaron las posibilidades de adaptación de la tecnología en el país

teniendo en cuenta las redes y transformadores.

3. Análisis de la viabilidad económica enfocado a beneficiar el proyecto de

informatización de la sociedad.

4. Demostrar la viabilidad técnica para el país por medio de una prueba

piloto.

5. Se han realizado pruebas pilotos en la capital.


A estos último dos pasos se le prestó atención en este capítulo de la tesis. No

obstante se ha valorado la posibilidad de crear una red de computadoras en la

Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas (UCLV) usando esa tecnología.

El uso de Internet y de las redes de computadoras se está convirtiendo en un

requisito básico para cualquier sistema educativo. El grupo de redes es el

encargado de proporcionar conectividad y servicios de red a los estudiantes y

trabajadores da la UCLV. Mientras que puede no existen suficientes

acoplamientos disponibles en las escuelas para proporcionar conexiones por DSL

o por cable y la instalación de cableado adicional es a menudo desperdiciadora de

tiempo y costosa, PLC constituye una solución a esta problemática. Permite que

dentro del laboratorio de computación, los usuarios con solo enchufar cualquier

fuente de toma corriente tengan la posibilidad de acceder a Internet. Sin trabajo

de instalación, sin cableado adicional, y sin las inversiones costosas de accesorios

para cada usuario, cada enchufe de electricidad se puede convertir en una puerta

para la conectividad y los servicios de banda ancha.

2.1 Objetivos.

- Diseñar una red PLC para un laboratorio en la universidad

- Comparar la red PLC propuesta con redes de otros tecnologías

¿Puede lograr una red PLC cumplir adecuadamente las siguientes funciones

mediante su correcto diseño?:

• Accesibilidad a Internet

• La capacidad debe ser bastante alta para servir flujos paralelos de

información en y entre laboratorios.

• Apoyar el flujo de medios educativos en tiempo real, además del tráfico de

datos

• Sistema estable y confiable

• Seguridad separada para la información administrativa diferente de las que

se usan los fines educativos


Como la universidad no tiene clientes sino usuarios ya que estos no pagan por

ninguno de los servicios que se le prestan, no obstante este hecho, valoramos la

posibilidad de diseñar un laboratorio con tecnología PLC. El personal y las

herramientas para los montajes existen y están capacitados, no hay que

preocuparse por los servicios ya que una vez lograda la conectividad con la red

universitaria estarán garantizados por el grupo de redes. Los usuarios estarán

rígidos por el código de ética de la red.

2.2 Instalación de una Red PLC

Para una red de acceso típica PLC los dispositivos necesarios son los siguientes:

a. Dispositivos en una subestación

i. Equipos de terminal a conectar con la red PLC.

ii. Ruteadores de IP e instalaciones de transmisión para la conexión con el

backbone.

b. Dispositivos en un poste

El dispositivo que se pone en un poste necesita realizar las funciones

siguientes:

i. Un acoplador con un filtro de paso alto para dividir y para combinar

señales de datos con un alambre eléctrico. El acoplador debe también

realizarse como amortiguador de la oleada.

ii. Un módem del PLC a comunicarse con los módems de los usuarios.

c. Un dispositivo al cliente

El customer premise equipment (CPE) es un módem de PLC. El módem debe

tener las funciones siguientes:

i. Un acoplador con un filtro de alto banda paso para dividir y para

combinar señales de datos a través de un alambre eléctrico. El acoplador

debe también funcionar como amortiguador de la oleada.

ii. Una función del módem del PLC, que apoya el protocolo del acceso del

medio de la red del PLC (Figura 2.1).


Figure 2.1 Esquema de red PLC

Según la alianza de HomePlug, no es necesario tener filtros de línea a otros

enchufes eléctricos para las otras aplicaciones eléctricas. Todos los requisitos de

especificación y los estándares para el equipo de PLC se indican en (ÓPERA,

D51_PLC_Requirements_Specs).

El uso de una particular tecnología de comunicaciones para la conexión el

backbone de PLC depende también de las oportunidades técnicas de un

proveedor de red que proporciona redes de acceso PLC. El uso de los sistemas de

comunicación existentes, de una utilidad del suministro eléctrico o de un proveedor

de red independiente, es siempre una solución privilegiada.

Generalmente, hay posibilidades para la realización de la conexión a la red base.

Son los siguientes:

• Uso del cable existente o nuevo o de las redes ópticas

• La realización de redes de distribución inalámbricas; ej. WLL, tecnología

basada en los satélites y así sucesivamente.

• Uso de la tecnología del PLC en la red eléctrico de MV

Una tecnología de backbone aplicada tiene que proporcionar bastante capacidad

de transmisión y realizar las diversas garantías de QoS.


La red medio voltaje (MV) de PLC es controlada por la empresa de servicio

público. La red MV PLC ofrece una oportunidad para la realización de redes de

comunicaciones sin la necesidad de colocar cables nuevos en un área de amplio

cubrimiento. Una red MV puede ser usada para conectar múltiples redes LANs

dentro una universidad a una red de datos común, según Figura. 2.2 (Hrasnica,

Haidine, y Lehnert, 2004).

Fig.2. 2.Estructura de una red de comunicaciones de campus usando la red PLC MV.

La red propuesta PLC será alcanzada con la red eléctrica de MV y solamente la

red de acceso In-building será diseñada.

2.2.1 Descripción del LAN PLC

Un Gateway (pasarela) que centralmente controla la red PLC entera, está instalado

cerca del tablero principal de distribución de la electricidad. El acceso a la red de

backbone (a través del head end) puede ser proporcionado por la vía de la

infraestructura existente (las instalaciones del DSL, del cable o de la fibra).

El laboratorio propuesto será situado en un ambiente de la universidad, en un

cuarto con dimensiones de 6 m X 8m con altura 3.5m, una puerta de entrada y dos


ventanas. Dentro del laboratorio un módem Powerline proporciona conectividad a

una sola computadora o vía de un interruptor a varias computadoras.

Es también posible permitir la comunicación de voz para los usuarios

interconectando el head end con un gatekeeper (portero) de VoIP. Los servicios

adicionales tales como la vigilancia por video, que se proporcionan desde cualquier

sitio como adentro del edificio por vía de un módem Powerline básico. No hay

necesidad de instalar los alambres nuevos.

Todos los dispositivos se pueden manejar mediante telecontrol con las

herramientas de gerencia estándares. Pueden ser instaladas Virtual LAN (VLAN)

para separar la red de profesores y la red educativa.

Usualmente un lab de la FIE cuenta con aproximadamente 15 ó 20 PC. Los

características de las estaciones de trabajo no serán considerados en el diseño de

la red PLC, solo que ellos deben traer una tarjeta de red de tipo Ethernet con

interfaz para conectores USB y RJ45. Todas las máquinas cuentan con respaldo

eléctrico.


Fig.2.3. Propuesta del laboratorio

2.2.2 Comercialización

Los fabricantes principales de Europa (DS2, Schneider, Ascom), de Asia

(Mitsubishi, Sumitomo, Toyocom), y de América (EBA, Intellon, Ambient) han

desarrollado equipos PLC, asegurando disponibilidad y fomentando el desarrollo

de nuevas generaciones que aumentan el ancho de banda y las funcionalidades

(Figura 2.4). Estas nuevas funcionalidades incluyen: El apoyo total de VoIP, el

soporte de VLAN y de OVLAN, multidifusión, mejoraron las funcionalidades de la

calidad de servicio (QoS), de las características mejoradas del SNMP, etc.

1.0 1.0

6.0

1.5 1.5

1.5 2.0

1.5

Switch

PC

Puerta


Fig.2.4. Proveedores principales de PLC.

Corinex Global Corporation

Fundado en 1989 y basado en Vancouver, Canadá, Corinex Global Corporation es

revelador y fabricante de los productos innovadores de conectividad para la

accesibilidad y distribución de datos, audio, vídeo y voz de señales de alta

velocidad dentro de premisas y de proveedor de servicios a las industrias por todo

el mundo.

Corinex ofrece tres productos para el panorama powerline del establecimiento de

una red y tiene actualmente alguno muy productos potenciales interesantes que se

lanzarán en un futuro próximo. Escogí las siguientes para el diseño de la red

propuesta. (Figura 2.5 y 2.6)


Figure 2.5 Corinex adaptadores y sus características

Figure 2.6 Corinex MDU Gateway y sus características


Tabla 2.1. Costo de equipos propuesto

Equipamiento Cantidad Precio(USD)

Corinex AV200 Powerline Ethernet Wall Mount

Adapter

20 $2000.00

Corinex AV200 Powerline MDU Gateway 1 $1000.00

Total $3000.00

Para la realización de esta variante se tuvo en cuenta fundamentalmente el costo

económico. O sea que a partir del equipamiento existente se pudiera lograr una

conectividad al menor costo posible mediante la compra de los equipos mínimos.

2.3 Instalación de una Red Inalámbrica

La mejor ventaja de usar redes inalámbricas (WLAN- Wireless LAN) es la libertad

de moverse manteniéndose la conectividad. Esto favorecería a todos los

estudiantes que disponen de PC personales, y sería muy cómodo poder disponer

de los servicios de la Intranet sin la necesidad de cables.

Uso típico de la red inalámbrica en Infrastructure Mode, en el cual la red consiste

en por lo menos un punto de acceso conectado con la infraestructura de red

cableado y un sistema de estaciones con interface inalámbricas. En este modo,

todos los nodos inalámbricos se comunican uno con otro a través del punto de

acceso, y deben compartir el ancho de banda (Figura 2.7).


Fig.2.7. Modo infraestructura

2.3.1 Dispositivos Necesarios

Basado en el estándar de IEEE 802.11, los dispositivos inalámbricos del LAN

necesarios para el laboratorio deben incluir:

- Un WAP (Wireless Access Point), que actúa como puente entre la red cableada y

inalámbrico.

- Las estaciones inalámbricas, que son generalmente una PC (computador

personal) con un adaptador de red inalámbrico.

2.3.2 Descripción de la Red Inalámbrica

Las redes inalámbricas pueden ser construidas instalando el WAP (punto de

acceso inalámbrica) que funciona semejante a un switch de Ethernet. Este

dispositivo conecta a un switch de la LAN universitario. Los adaptadores

inalámbricos internos o externos están instalados en cada PC. Los dispositivos se

comunican usando un sistema de ondas de radio reservadas de alta frecuencia. El

WLAN funciona en la banda de ISM, 2.4 GHz - 5 GHz, a velocidades entre 11 y 54

Mbps, con distancias aproximadas de 3m hasta 4m entre las PC y el WAP. Las PC

tendrán línea de vista al punto de acceso. Los dispositivos se comunican a través

del punto de acceso mientras que estén dentro del rango predeterminado.


Tabla 2. 2. Dispositivos Inalámbricos.

Equipamiento Cantidad Precio (USD)

Intel PRO/Wireless LAN Access Point 1 $200.00

D-Link Wireless Interface Card 20 $2000.00

Total $2200.00

2.4 Diseño de la Red de Ethernet

Luego de proponer el diseño de una WLAN, se puede comparar al PLC con las

redes cableadas existentes en la UCLV. Un LAN Ethernet se compone de

hardware y de software que trabajan juntos para transmitir datos entre las

computadoras.

2.4.1 Dispositivos Necesarios

Aquí están los elementos físicos principales que se utilizan para construir un LAN

de Ethernet.

- Cable UTP (CAT 5) y sus accesorios, a conectar los dispositivos a un punto

único.

- Switch, un puente que conecta más que dos segmentos.

- Interfaz de Ethernet, proporciona una conexión física entre el cable de red y

la PC para que funcione el sistema Ethernet. Estos pueden ser tarjetas

internos o dispositivos externos.

La red 10/100 Base T funciona hasta 100Mbps con hasta 2 nodos por segmento.

Esa permite hasta 100m de longitud de cable. El switch quita todos los tráficos

innecesarios de cada segmento. Con esta información y para satisfacer la

necesidad de una red LAN para el laboratorio pasamos a realizar la propuesta de

diseño para dicha red.


2.4.2 Descripción del Ethernet LAN

En el mismo cuarto según lo indicado antes, una red de Ethernet comprensiva

pueda ser construida primero instalando el cableado. Los adaptadores de Ethernet

internos o externos están instalados en cada PC. Cada PC está conectada a un

switch de Ethernet con 24 puertos por el cableado. El switch maneja la

comunicación entre los dispositivos en la red (Figura 2.8).

Fig.2.8. Esquema de Red Ethernet.

Además, el diseño no requiere prestaciones altas y es de bajo costo económico,

especialmente es este caso donde las maquinas disponibles poseen tarjetas

Ethernet y solo faltaran los accesorios de red. Como topología física, se decidió

utilizar la de estrella.

Para determinar los requerimientos de cables, accesorios, etc., un análisis de las

dimensiones del local (teniendo en cuenta el recorrido físico del cable a través de

la edificación), distancias entre el switch y las estaciones será necesario para

saber la longitud mínima de cable a comprar. La conectorizacion se hará desde las

PC hasta las cajas de conexión colocadas en la pared. El cableado y conectores

se encuentra normada pos las EIA/TIA. La Tabla 2.3 muestra una aproximación

del costo de la red Ethernet.

Se han tomado en cuenta los costos de mano de obra como una aproximación

recomendada. Los costos de la cantidad de cable UTP empleado se tomaron

como los de un rollo de 300 metros a 65 USD. La distancia total del cable es la

suma de las distancias tomadas a partir del Switch hasta cada una de las PC (red

en estrella). Se comienza por el lateral más cercano al switch siguiendo hasta el


final del local por el borde y se pasa hacia el otro lateral a través de la pared del

fondo.

Tabla 2. 3. Costo de la Red Ethernet.

Accesorios y Equipos Cantidad Precio (USD) Cajas de Conexión RJ45 23 u 120.75 Conectores RJ45 23 u 6.90 Patch Cord 1m 21 u 60.90 Switch 24P 10/100 1 u 200.00 Canaletas 32x12.5 23 57.50 Canaletas 75x20 4 29.60 Bridas Plásticas 1 paq. 4.00 Cable UTP 230 50.00 Mano de Obra 300.00 Total 829.65

2.5 Análisis ComparativoLa tecnología PLC puede compararse con otras

tecnologías existentes en el mercado. La siguiente comparación, mostrada en la

Tabla 2.4, puede dar una idea de las posibles diferencias entre las distintas

tecnologías y dar una medida de las ventajas de cada una. En este contexto, PLC

se fija para emerger como competidor significativo.

.


Tabla 2. 4. Comparación de tecnología de red

2.5.1 Medio Físico

Comparada con la tecnología Ethernet, PLC tiene la ventaja de no necesitar la

colocación del cableado pues este ya está dentro de la propia red eléctrica, la cual

por lo general llega a casi todos los lugares de un edifico.


Con respecto a la fibra óptica la tecnología PLC no puede competir en cuanto a

velocidad y capacidad, pero es menos costosa y resuelve el problema de la última

milla.

2.5.2 Características de Canal

Un análisis de una red de acceso interno de PLC puede hacerse teniendo en

cuenta información como: la pérdida de paquete, rendimiento de procesamiento,

probabilidad de bloqueo, retraso y jitter. De esta manera, la viabilidad de la red

para el uso deseado puede ser verificada. Un ejemplo de una prueba es

presentado en (Souza, y otros., 2006). (Kim y Chouikha, 2002) demuestra los

detalles en características de las atenuaciones. Los resultados con respecto a un

análisis en rendimiento de procesamiento y confiabilidad se dan en (Gent, el

tragar, y Dalton). En algunos de estos experimentos realizados el LAN PLC superó

el WLAN. El funcionamiento de TCP/IP en red powerline se analiza en (Lin,

Latchman, Newman, y Kata).

2.5.3 Capacidad

La típica razón de bit de datos de PLC llega hasta 45 Mbps (ÓPERA, 2007). La

razón dependería de la selección de una tecnología de la arquitectura de red y de

transmisión. Esta razón es competitiva con tecnología existente porque el DSL y

los módems de cable ofrecen 10 Mbps. Ver Tabla 2.5.

Ethernet apoyó un razón de datos teórico máximo de 10 Mbps. Estándares más

últimos, Fast Ethernet aumentaron esta razón de datos máxima a 100 Mbps. Hoy,

la tecnología de Gigabit Ethernet amplía más el funcionamiento máximo hasta

1000 Mbps.


Tabla 2.5. Comparación de la características (Kirwan & Smith)

2.5.4 Ancho de Banda

El término ancho de banda de una red refiere a la razón de datos apoyada por

una conexión o un interfaz de red. El espectro de frecuencia para PLC es

aproximadamente 30Mhz. Aunque el ancho de banda variable por suscriptor pudo


ser más pequeño, resultando del hecho de que una red de PLC es compartida por

los usuarios, esta preocupación se podría atenuar por la extensión futura de la

velocidad. La capacidad teórica del ancho de banda de PLC se estima para ser

tan grande como 200 Mbps (ÓPERA, 2007). Por lo tanto, la velocidad llegará a ser

en la práctica más grande que la actual, en el futuro.

Fig.2. 9. Comparación de ancho de banda de las tecnologías de acceso

2.5.5 Coste de Conectividad

Luego de haber demostrado que se pueden transmitir datos, vos y video a altos

velocidades a través de las líneas de energía la gran interrogante es si es rentable

esta tecnología.

Al igual que otras formas de transmisión de datos PLC incluye dentro de sus

costes el equipo necesario, e instalación así como un cierto plazo de coste,

incluyendo mantenimiento, reemplazo y las mejoras del equipo. Normalmente un

equipo tiene un ciclo vital por debajo de los ocho años, pero se espera que este

ciclo para equipos de PLC sea de 10 a 15 años. Sin embargo, debe tener en

cuenta que al contar con una infraestructura existente, el no tener que cablear

disminuye su precio.


El coste del backbone, el enlace de comunicaciones a Internet, es también un

factor crítico. Tal backbone necesita ser situadas en las subestaciones de energía,

que permitirían la reutilización de frecuencia, es decir que todas las subestaciones

en la red de energía podrían utilizar el espectro entero del PLC. Por lo tanto hay

un coste grande para proporcionar conexiones de gran capacidad (Kirwan y

Smith).

El coste para construir una red PLC es bajo en comparación con otras tecnologías.

Por ejemplo, fue observado que una tarjeta de red inalámbrica tiene

aproximadamente el mismo precio que la tarjeta de la red de HomePlug (US$120).

Se espera que con la producción en masa, el coste de las tarjetas de PLC sea

cerca de 50% menos en comparación con las tarjetas inalámbricas. No obstante,

100Base T Ethernet tiene un cociente alto de rendimiento/coste, pero requiere los

cables nuevos y una instalación costosa. La Tabla 2.6 demuestra costes y otras

varias características de las tecnologías de red. Los costes de la instalación para

los cuales sea alto de 10/100 base T Ethernet no se demuestran.

Tabla 2.6 Comparación de los costos de tecnologías de redes

En países donde se ha probado el coste mensual estimado del PLC es

US$35/mes (Tongia). Por supuesto, la economía no es el único factor en la

determinación del éxito del PLC o de ninguna otra tecnología de banda ancha. La

satisfacción del usuario, la lealtad al cliente, la marca superior y la competición

(alternativas) son todos factores importantes. Sin embargo, está aumentando


evidentemente que los usuarios son sensibles a los precios, no sólo en términos

del uso de banda ancha, sino también al elegir entre los proveedores.

Otros modelos comprensivos del coste se demuestran detalladamente adentro

(Sakai, 2003). (Tongia) precisado que PLC puede sufrir de qué se llama

Parmenides Fallacy—comparando el futuro previsto de servicio de PLC a las

ofrendas de hoy de inalámbrica y de Ethernet. Pero, precisó que esto era

peligroso, puesto que otras tecnologías están mejorando así como el PLC se está

desarrollando y es probable tener rendimiento más alto para precios bajos en el

futuro.

Un análisis de coste demuestra que PLC no sería tan rentable como otras

tecnologías de banda ancha. Puede ser que no mejore la ventaja del coste dejó a

clientes comprar los módems PLC, porque los precios de otras tecnologías de

banda ancha también disminuyen a un grado similar, esta opción no es eficaz

mejorar la ventaja del coste del PLC.

Puede ser que sea rentable si PLC podría aumentar el número de suscriptores por

el LAN en el futuro. Si el coste de la tecnología de bypass disminuye a un nivel

comprable y el límite del ancho de banda de las líneas de energía se solucione,

esta opción haría que el PLC sea más rentable.

CAPÍTULO 3 OTROS APLICACIONES DE LAS REDES PLC 49

CAPÍTULO 3. OTROS APPLICACIONES DE LAS REDES PLC

Figure 3.1 Usos de la red PLC

Powerline Comunicación (PLC), o la tecnología (PTL) (telecomunicación), es la

capacidad de transferir los datos a través el cableado estándar de CA y esto

tecnología ha existido por muchos años. Las barreras iníciales como el alto coste,

bajo velocidad, baja funcionalidad y otros se ha superado y la tecnología ahora se

adopta extensamente para el establecimiento de una red triple play (voz, vídeo y

datos) en los hogares y las empresa (sistemas In-home) y también para los

sistemas de acceso banda ancha (Figura 3.1). Todos esos sistemas

genéricamente se identifican como sistemas BPL (Broadband over Powerline)

(OPERA, D18: Specification for a Coexistence Mechanism (Access/In-Home PLC),

2007).

Control PLC funciona debajo de 500KHz y es utilizado por las compañías de

electricidad para controlar sus equipos usando las líneas de energía para

transmisión. Este tipo de comunicación no tiene riesgo significativo de interferencia

en operación de alta frecuencia (Kirwan & Smith).

Las tecnologías de acceso powerline son responsables de enviar datos a través las redes eléctricas del medio-voltaje que conectan el local del


consumidor con el proveedor de suministro eléctrico. Las tecnologías de acceso

powerline permiten una solución de la “última milla” que provea a hogares y

negocios individuales de conectividad de banda ancha a Internet.

Tecnologías powerline de In-house (internas) comunican datos exclusivamente dentro de las premisas del consumidor y se extienden a todos los

enchufes eléctricos dentro del hogar. Los mismos enchufes eléctricos que

proporcionan la corriente alterna están actuando como puntos de acceso para los

dispositivos de la red.

Un vistazo futuro demuestra una flexibilidad de la red que dará a los consumidores

muchos más servicios y opciones. Algunos proveedores de servicio ofrecen

servicios más innovadores tales como la gerencia remota y el soporte de la red, de

modo que el cliente sea su propio administrador del sistema.

3.1 Sistemas de Control y Automatización

El establecimiento de una red domestica puede permitir el control dentro de la

casa, de manera que la temperatura y la iluminación, sean manejadas a través de

la red y también remotamente a través de Internet. La red también se puede

utilizar para la supervisión de la seguridad de la casa y las cámaras de red.


Figure 3.2 Domótica

Los tipos más importantes de usos de la automatización domésticos incluyen el

control de las luces, los ventiladores, sistemas de la seguridad, el sistema de

regadíos y los niveles de temperatura dentro del hogar (Figura 3.2). El mercado de

los sistemas de red de control está haciendo una transición significativa de

soluciones de circuito cerrado a las soluciones abiertas, sensibles al IP. Los

sistemas domésticos de control y automatización se basan normalmente en una

de las tres tecnologías powerline principales, es decir CEBus, LonWorks o X-10.

3.1.1 Protocolo de Transmisión PLC X-I0

X-10 es un protocolo de comunicaciones para el control remoto de dispositivos

eléctricos. Utiliza la línea eléctrica (220V o 110V) para transmitir señales de control

entre equipos de automatización del hogar en formato digital. (X10)

La tecnología X-10 (Experimento #10) fue desarrollada entre 1976 y 1978 por

ingenieros en Pico Electronics Ltd, en Glenrothes, Escocia. Fue la primera

tecnología domótica en aparecer y sigue siendo la más ampliamente disponible. El


formato de codificación X-10 es un estándar “De facto” que empleó transmisión de

corrientes portadoras (Power Line Carrier = PLC). Las señales de control se basan

en la transmisión de ráfagas de pulsos de RF (120 KHz) que representan

información digital. Estos pulsos se sincronizan en el cruce por cero de la señal de

red (50 o 60 Hz). Con la presencia de un pulso en un semiciclo y la ausencia del

mismo en el semiciclo siguiente se representa un ‘1’ lógico y a la inversa se

representa un ‘0’. A su vez, cada comando se transmite dos veces, con lo cual

toda la información transmitida tiene cuádruple redundancia. De esta manera la

comunicación es eficaz inclusive en líneas de tensión que tengan ruido (Reza &

Sanchez, 2003). La razón de datos máximo del X-10 es respectivamente 120 bps

en los E.E.U.U. y 100 bps en Europa. Hoy en día, hay cerca de 10 compañías

produciendo los productos que emplean el protocolo X-10 para el control remoto

de equipos eléctricos en redes domésticas (Ahola, 2003).

3.1.1.1 Protocolo y Descripcion del Sistema

El protocolo X-10 consta de bits de direcciones y de órdenes. Por ejemplo, puede

decir “lámpara #3, ¡enciéndete!” y el sistema procederá a ejecutar dicho mandato.

Puede direccionar varias unidades antes de dar la orden: “lámpara #3, lámpara

#12, ¡enciendete!”, son 6 las instrucciones utilizados por el protocolo: ON, OFF, All

lights ON, All OFF, DIM, BRIGHT.

Los dispositivos están generalmente enchufados en módulos X-10 (receptores). X-

10 distingue entre módulos de lámparas y módulos de dispositivos. Los módulos

de dispositivos proporcionan energía a los dispositivos eléctricos y aceptan

ordenes X-10. Los módulos de dispositivos son capaces de gestionar cargas

grandes (el. Maquinas de café, calentadores, motores,…), simplemente

encendiéndolos y apagándolos.

Si desea controlar luces vía mandatos X-10, debería conectar la luz en un modulo

de luz en la red y, a continuación, asignarle una dirección (A1, por ejemplo). Así,

cuando envié la orden “A1 encendido” a través de los cables de la red eléctrica, la

luz se debería encender. Cabe destacar que los módulos lámparas no pueden

soportar grandes cargas y que todo el sistema es muy sensible a los ruidos


eléctricos por lo que es considerado como un sistema para el “haz tu mismo”.

(X10)

3.1.2 CEBus (Consumer Electronic Bus)

CEBus es un sistema de estándares eléctricos y protocolos de comunicación para

que los dispositivos electrónicos transmitan comandos y datos a través de línea de

energía. Es conveniente para los dispositivos en casas y oficinas a utilizar, y

puede ser que sea útil para el interfaz general y usos industriales. (CEBus)

En 1984 varios miembros de la EIA norteamericano (Electronics Industry

Association) llegaron a la conclusión de la necesidad de un bus domótico que

aportara mas funciones que las que aportaban los sistemas de aquella época (X-

10). Especificaron y desarrollaron un estándar llamado CEBus.

En 1992 fue presentada la primera especificación. Se trata de un protocolo, para

entornos distribuidos de control, que está definido en un conjunto de documentos.

Como es una especificación abierta cualquier empresa puede conseguir estos

documentos y fabricar productos que implementen este estándar.

En Europa una iniciativa similar en prestaciones, y en el mercado al que va

dirigido, es el protocolo EHS (European Home System) y en Australia por C-Bus.

3.1.2.1 Nivel Físico

Se contemplan diversos protocolos para que los electrodomésticos y equipos

eléctricos puedan comunicarse usando ondas portadoras por las líneas de baja

tensión. Para la transmisión de datos por corrientes portadoras, el CEBus usa una

modulación en espectro extendido; esto se transmite uno o varios bits dentro de

una ráfaga de señal que comienza en 100 KHz y termina en 400 KHz (barrido) de

duración 100 ms. La velocidad media de transmisión es de 7500 bps.

3.1.2.2 Protocolo

Las tramas definidas en CEBus pueden tener longitud variable en función de la

cantidad de datos que se necesitan transmitir. El tramo mínimo es 8 byte y el

máximo casi 100 byte. Al igual que los dispositivos EIA, los nodos CEBus tienen

grabada una dirección física prefijada en la fábrica, que los identifican de forma


univoca en una instalación domótica. Hay más de 4.000 millones de posibilidades.

Como parte de la especificación CEBus se ha definido un lenguaje común para el

diseño y especificación de la funcionalidad de un nodo, a este lenguaje lo han

llamado CAL (Common Application Language) y está orientado a objetos

(estándar EIA-600).

La impresa Intellon Corporation dispone del hardware y del protocolo agrupado en

un único circuito. Además proporcionan el entorno de desarrollo en lenguaje CAL

compatible con sus propios circuitos así como Kits de inicio para aquellas

empresas que deseen empezar a desarrollar productos CEBus. La CIC (CEBus

Industry Council) en una asociación de diferentes fabricantes de software y

hardware que certifican que los nuevos productos CEBus que se lancen al

mercado cumplan toda la especificación. Una vez que el producto pase todos los

ensayos, el fabricante paga una tasa y es autorizado a poner el logo CEBus en

ese producto. (CEBus)

3.1.3 LonWorks (Local Operation Networks)

LonWorks es una plataforma red creada específicamente para tratar las

necesidades únicas de funcionamiento, de confiabilidad, de instalación y de

mantenimiento de los usos de control. La plataforma se construye en un protocolo

de bajo ancho de banda creado por Echelon Corporation para los dispositivos red

sobre medios tales como líneas de energía. (Lonworks)

Echelon presento la tecnología LonWorks en el año 1992, desde entonces multitud

de empresas viene usando esta tecnología para implementar redes de control

distribuidas y automatización. Aunque está diseñada para cubrir los requisitos de

la mayoría de las aplicaciones de control, solo ha tenido éxito de implantación de

edificios de oficinas, hoteles o industrias. Pero, debido a su coste, los dispositivos

LonWorks no han tenido una implantación masiva en los hogares, sobretodo

porque existían otras tecnologías de prestaciones similares mucho más baratas. El

éxito que ha tenido LonWorks en instalaciones profesionales, en las que importa

mucho mas la fiabilidad y robustez que el precio, se debe a que desde su origen

ofrece una solución con arquitectura descentralizada, extremo-a-extremo, que


permite distribuir la inteligencia entre los sensores y los actuadores instalados en

la vivienda y que cubre desde el nivel físico de aplicación de la mayoría de los

proyectos de redes de control.

Según Echelon, su arquitectura es un sistema abierto a cualquier fabricante que

quiera usar esta tecnología sin depender de sistemas propietarios, que permite

reducir los costes y aumentar la flexibilidad de la aplicación de control distribuida.

Aunque Echelon usa el concepto de “sistema abierto”, realmente no es una

tecnología que pueda implementarse si no es con un circuito integrado registrado

por Echelon.

3.1.3.1 Conceptos Básicos sobre LonWorks

Cualquier dispositivo LonWorks, está basado en un micro-controlador especial

llamado Neuron Chip. Tanto este circuito integrado como el firmware que

implementa el protocolo LonWorks fueron desarrollados por Echelon en el año

1990.

El Neuron chip podemos destacar:

- Tiene un identificador único, el Neuron ID, que permite direccionar

cualquier nodo de forma univoca dentro de una red de control

LonWorks. Este identificador, con 48 bits de ancho, se graba en la

memoria EEPROM durante la fabricación del circuito.

- Tiene un modelo de comunicaciones que es independiente del medio

físico sobre el que funcione, esto es, los datos pueden transmitirse

sobre cables de par trenzado, ondas portadoras (PLC), entre otros.

El firmware que implementa el protocolo LonTalk, proporciona servicios de

transporte y routing extremo-a-extremo. Esta incluido un sistema operativo que

ejecuta y planifica la aplicación distribuida y que maneja las estructuras de datos

que se intercambian los nodos.

Estos circuitos se comunican entre sí enviándose telegramas que contienen la

dirección de destino, información para el routing, datos de control así como los

datos de la aplicación del usuario y un checksum como código detector de errores.


Todos los intercambios de datos se inician en un Neuron Chip y se supervisan en

el resto de los circuitos de la red. Un telegrama puede tener hasta 229 bytes de

información neta para la aplicación distribuida.

El Neuron Chip proporciona un puerto específico de cinco pines que puede ser

configurado para actuar como interface de diversos transceivers de línea y

funcionar a diferentes velocidades binarias. El transceiver es el encargado de

adaptar las señales del Neuron Chip a los niveles que necesita cada medio físico

(LonWorks/LonTalk).

La comunicación física ocurre sobre las líneas de potencia dentro y fuera de los

edificios sobre el cableado de 120V AC hasta 240 V AC. El canal de línea de

potencia ocupa el ancho de banda desde los 125Khz hasta los 140Khz y se

comunica a 10 Kbps mediante la tecnología espectro extendido (spread spectrum).

La norma soporta ambas configuraciones eléctricas de dos y tres fases y suma

una tecnología de señalización de líneas de potencia de banda estrecha que

cumple los requerimientos regulatorios para Norte América y la Unión Europa (htt).

3.1.3.2 Usos de LonWorks

- Sistemas de control de iluminación

- Sistemas de gestión de energía

- Sistemas de Calefacción/ventilación/aire acondicionado

- Sistemas de seguridad

- Automatización de Hogares

- Iluminación, supervisión y control públicos de la calle

3.2 Red Inteligente (Smart Grid)

La Red Inteligente es una solución de operación de las compañías eléctricas que

ha avanzado en su capacidad y proporciona la automatización de las redes

eléctricas. Tiene tres componentes:

- Dispositivos físicos inteligentes que son una parte de la red (tal como

capacitores o lector de metro contador automático), o están conectado a la

red (tal como cámaras remotas)


- Una red de comunicaciones BPL bidireccional que conecta los dispositivos

físicos con el centro de control donde se almacenan los datos.

- Un sistema de usos y algoritmos que procesan los datos recogidos para

proporcionar la información de alto nivel y de alto valor y pueden controlar

los dispositivos físicos.

3.2.1 AMR (Automatic/Automated Meter Reading)

Básicamente hay tres tipos de lectura de metro contadores: Lectura electrónica de

metro contadores (EMR), lectura Remoto de metro contadores (OMR) y lectura

automática de metro contadores (AMR). En el AMR, los metro contadores se leen

a través de una red de telecomunicaciones fija. Esta red abarcó generalmente dos

partes: de acceso y el backbone. La red de acceso consiste de una pasarela o un

concentrador que recoge la información de varios metro contadores (puede ser

hecha por medio de PLC). Entonces, esta pasarela envía toda la información a los

sistemas centrales, usando generalmente conexiones

telefónicas.

Figure 3.3 Arquitectura de AMR


La tecnología de comunicación del AMR más común por todo el mundo es de

radio y PLC (o PLC de banda estrecha). La tecnología de radio es ampliamente

utilizada en Norteamérica, donde está es la solución más dominante de

comunicación.

PLC es un habilitador para la red inteligente, proporcionando las comunicaciones

del colector de datos al centro de control, permitiendo la recogida de datos tan

bien como la teledirección de los dispositivos inteligentes (Solution). Un inyector

de señal, situado en la subestación eléctrica de la distribución, inyecta una señal

de dirección en la línea de energía, y la unidad apropiada del interfaz de telemetría

(TIU) responde (Figura 3.3). Los datos pueden extenderse de varios kilobits por

segundo a menos de un bit por segundo. Las señales más bajas pueden viajar

sobre 100 millas y pasar a través de los transformadores existentes.

Un sistema de AMR puede proporcionar las ventajas económicas directas que dan

lugar a la reducción de costes por el metro contador leído. Bajo costes de trabajo

existen donde los metro contadores están enviando automáticamente los datos de

uso y de la fractura; el enfoque de automatización reduce mala deuda, errores de

facturación y el tiempo de retraso por la facturación; la mejora de servicio al cliente

puede ser una ventaja; y la calidad del servicio puede ser aumentada.

La plataforma NES (Networked Energy Servicies) de Echelon entrega un sistema

comprensivo de servicios, que basaron en la red de LonWorks usando el protocolo

de LonTalk, que permite las soluciones para AMR usando transceptores que tiene

características innovadores que asegura confiabilidad (Figura 3.4).


Figure 3.4 Sistema NES como solución para AMR

3.3 Voz sobre IP (VoIP)

Voz sobre IP es un método de enviar voz sobre el Internet usando el Protocolo de

Internet (IP). El proceso de VoIP comienza con la digitalización del dialogo y la

representación en un formato compacto mediante la codificación. Un Vocoder

especial (codificador de voz) se utiliza para este proceso. Este paquete de dialogo

digitalizada se envía a través de la red.

VoIP tiene ciertas características. Su principal característica es que es un servicio

en tiempo real con requisitos de alta calidad. Los servicios en tiempo real están

plagados con varios problemas. Esto incluye la pérdida del paquete, pues la

retransmisión no es posible en tal servicio. Las soluciones consideradas hasta

ahora son mejores en FEC (Forward Error Control) y un límite en la pérdida de

paquetes aceptable al oído humano. El retraso punto a punto es también un factor

que gobierna la comunicación en VoIP. Un retraso de 150ms a 400ms es

aceptable, pero más allá de esto, la calidad se deteriora rápidamente.

El ancho de banda requerida para una red PLC depende de la expectativa de

cuántos clientes utilizan el servicio simultáneamente (Figura 3.5). Los requisitos

definidos en (ÓPERA, D45_Specs_PLC) para las llamadas de voz simultáneas

son:


- Una célula del LV apoyará por lo menos 15 comunicaciones simultáneas de

VoIP.

- Una célula del MV apoyará por lo menos 35 comunicaciones simultáneas de

VoIP.

Figure 3.5 Equipos para VoIP en la red PLC

3.4 Vigilancia

Para los usos de la tele-vigilancia la tecnología del PLC puede proporcionar un

uso mejor de la infraestructura existente. La red eléctrica se puede utilizar para

proveer energía a los dispositivos de vigilancia y también para proporcionar una

red de datos para permitir la comunicación entre ellos. Esta característica

importante puede reducir coste y proporcionar su escalabilidad y una gama más

amplia de las posibilidades de la reconfiguración a los sistemas de la vigilancia.

Los usos de vigilancia por video basados en PLC pueden cubrir una amplia gama

de diversos ambientes. Por ejemplo:

- Vigilancia de vídeo de premisa


- Supervisión de tráfico de vehículo

- Control de tráfico

- Vigilancia de parqueos

Además de sistemas de supervisión por cámara simples hay otros dispositivos por

ejemplo: sensores remotos o dispositivos de procesamiento de imagen que

ayudan en la supervisión de áreas cubierto por el sistema de video vigilancia. Por

ejemplo, los sistemas de reconocimiento faciales pueden comparar una imagen de

una persona, tomada por una cámara de vigilancia con las fotos digitalizado que

son almacenados.

Los sistemas actuales de vigilancia se basan en el hardware de medios específico,

cableado y software de gestión. Es decir una instalación de vigilancia de un

campus consistiría en un sistema de distribución de video para la entrega de vídeo

de las cámaras de vigilancia a un sitio de control con cableado específico. Para

una universidad la necesidad principal es tener solución de vigilancia que ayude a

observar accidentes y comportamiento de los estudiantes, así como incidentes de

vandalismo. Este sistema se puede poner en ejecución cubriendo todas las aulas,

salas de espera, pasillos y entradas. Otra área interesante en la cobertura

educativa sigue siendo la enseñanza a distancia. Una solución video de entrega

de la red se puede utilizar para hacer la asistencia a las conferencias remotamente

para los estudiantes que no pueden atender a las conferencias en persona.

Ejemplo de la vigilancia video actual se ve en Figura 3.6.


Figure 3.6 Sistema típico de vigilancia

Los equipos de tele-vigilancia incluyen:

- Cámaras: el componente base en todo las instalaciones de vídeo. Los tipos

incluyen la cámara fija de red y la cámara PTZ (Pan Tilt Zoom).

- Software: cuál provee del usuario las opciones flexibles de vista para una

sola PC o para la aplicación basado en cliente / servidor más avanzado

que proporciona ayuda para usuarios simultáneos múltiples.

- Periférico: por ejemplo impresoras, almacenaje de red, unidades de

CD/DVD-RW, servidores de correo y otros que agregan valor substancial a

la instalación.

- Hardware: éstos son productos necesarios para construir un sistema

acertado, tal como switch, ruteadores y UPS (Uninterruptible Power Supply)

en caso de un apagón.

3.4.1 Estructura del Sistema de Tele-vigilancia:

Los componentes antedichos se integran en un sistema de tele-vigilancia, así que

debe tener en cuenta que la infraestructura está equipada con cámaras de alta

resolución, tal que con los sensores en los cuales se capturan las imágenes.


Las instalaciones de vigilancia tienen, típicamente, una sitio de control central

(control centre), en la cual la señal que viene de las cámaras es transmitida por un

módem. Los grabadores y cintas se pueden utilizar durante la elaboración final de

las señales video.

El funcionamiento del sistema se puede resumir en los pasos siguientes:

- Un (o más) cámaras IP de captura imágenes y las transmite como señal

eléctrica por un módem conectado a la cámara;

- las señales que vienen a partir de uno (o más) módem convergen en un

transformador de bajo voltaje (LV) o medio voltaje (MV);

- las señales que vienen de los transformadores se transmiten a lo largo de la

línea MV;

- las señales pasan a través de un transformador del MV/LV, donde el Head

End está instalado;

- las señales, a fin, se transmiten al centro de control a lo largo de la línea de

LV. Particularmente, una pasarela (Gateway) lleva señales a las

computadoras personales (PC), donde ocurren las elaboraciones

(recepción o grabación de imágenes).

Hasta el centro de control, el software proporcionado permite visualizar en

monitores todas las imágenes que vienen de las cámaras; este software también

se utiliza para el manejo de las cámaras, la envía de controles externos, la

configuración de sistema y el almacenaje de imágenes en un depósito específico.

(Ver Figura 3.7)


Figure 3.7 Tele-vigilancia sobre PLC

Según (ÓPERA, D38_Tele-surveillance) el coste de los componentes se evalúan

en la siguiente tabla 3.1

Tabla 3.1 Valoración de costes de equipo de Tele-vigilancia

Componentes Descripción Precio $Euro

Camera Blanco/Negro cableado 150 - 300

Color, infra red 300 - 560

PTZ Dispositivos Monta para cameras, rota 355

grados, izquierda y derecha, 180

grados vertical, escanear

100 - 600

PLC Modem Transferencia de datos a la red

LV

90 - 125

Gateway 200 - 400

CPE Funciona como un modem o

router

100 - 200


En conclusión, los ejemplos del sistema de vigilancia se evalúan y se comparan en

(ÓPERA, D38_Tele-surveillance). La tarea principal para el futuro es establecer el

PLC de banda ancha en una amplia base y convencer la industria del

funcionamiento y de la confiabilidad de las soluciones basadas PLC de tele-

vigilancia.

PLC puede resumirse en tres aplicaciones importantes:

- Como solución de última milla. (Banda ancha).

- Como solución de red hogareña o red corporativa (HomePlug, X-10, CEBus,

LonWorks). (Banda Estrecha). (Hussain & Zuberi)

- Como solución sobre el sistema de distribución eléctrico-industrial.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 66

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

El estudio técnico revela el funcionamiento de PLC y su versatilidad. Su novedad

radica en la gran capacidad de reutilizar las amplias y extensas redes de energía

eléctrica, además de permitir velocidades muy superiores y sin las limitantes que

condicionan a otras tecnologías. La simplicidad para el usuario final de la

tecnología PLC se ve reflejado en la acción de enchufar un pequeño módem al

toma corriente y tener acceso a Internet, posibilitando de esta forma que cualquier

enchufe de electricidad sea un punto de conexión. Desde el punto de vista legal,

no existiría impedimento en utilizar las redes de energía eléctrica.

El análisis económico, nos permite ver la realidad desde el punto de vista de los

clientes. Si bien es cierto que es una tecnología muy innovadora, versátil y con un

sentido social muy desarrollado, los costos aún son demasiado elevados pues aun

no ha alcanzado la madurez en su desarrollo.

Las redes de electricidad ya se encuentran desplegadas superando en cobertura a

las redes de telefonía, pero el alto costo por equipo requerido actualmente para la

implementación del servicio Powerline Communications (Head End, Home

Gateway y Módem PLC), no hacen viable la implementación de esta tecnología Se

espera que los costos de los equipos PLC, bajen considerablemente, para que las

empresas y instituciones interesadas en utilizar el acceso a la última milla se

concrete.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 67

Para las empresas distribuidoras de energía esta tecnología los dota de un canal

propio que pueden usar sin la necesidad de uno rentado. En un futuro la amplia

gama de aplicaciones que permite PLC extenderá el uso de esta tecnología lo cual

será muy sustancioso para las mismas.

Recomendaciones

Darle continuidad al estudio de PLC como una tecnología que está en proceso de

desarrollo con promesas de altas prestaciones y un amplio uso en otras

aplicaciones como la demótica, lectura de contadores a distancia, VOIP y

televigilancia.

Mantener en observación el desarrollo de nuevas normas y protocolos

relacionados con la tecnología PLC, fundamentalmente aquellas emitidas por

organismos e instituciones de alcance internacional como IEEE y CENELEC.

Realizar pruebas a pequeña escala del uso de esta tecnología.

Incluir en los programas de las carreras de Telecomunicaciones y Electro-

energética contenidos relacionados con Powerline Comunication.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 68

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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ANEXOS 71

ANEXOS

ANEXOS 72

Anexos I Power Line Communication

ANEXOS 73

Anexo II HomePlug 1.0 Specification

ANEXOS 74

Anexos III: Listado de productos de Corinex

ANEXOS 75

*

ANEXOS 76

Anexo IV: Elementos de la red PLC

Figure A.0.1 Transformador

Figure A.0.2 Cable de transmisión ACSR

Figure A.3 Tipos de cable ACAR

“Análisis de la Factibilidad Económico de redes PLC”

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