PLC: Transmisión de datos a través de líneas eléctricas

PLC: Transmisión de datos a través de líneas eléctricas.

PLC son las siglas que corresponden a Power Line Communications, es decir, la transmisión a alta velocidad de datos a través de las líneas eléctricas existentes (no se debe confundir con el controlador lógico programable o Programmable Logic Controller con el que esta tecnología comparte siglas). Aunque el uso de las líneas eléctricas como un medio de comunicación de banda ancha es un descubrimiento relativamente reciente, éstas han sido largamente usadas por las empresas eléctricas para proporcionar servicios de banda estrecha tales como control de las subestaciones eléctricas y, más recientemente, AMR (Automatic Meter Reading o Lectura Remota de Medidores).

PLC son las siglas que corresponden a Power Line Communications, es decir, la transmisión a alta velocidad de datos a través de las líneas eléctricas existentes.

Los dos segmentos de mercado que existen en la actualidad surgieron inicialmente con el propósito de proporcionar transmisiones de datos con dos finalidades claramente diferenciadas: conocido como “In-Home”, y más orientado al mercado de consumo, pretende convertir las líneas eléctricas domésticas y de las PYMES en redes de datos locales o LANs. El otro, está orientado a la provisión de servicios de acceso o última milla a través de las líneas eléctricas de media y baja tensión, desde las subestaciones eléctricas a la entrada de los hogares y empresas.

 

En qué consiste la tecnología PLC

La tecnología PLC de banda ancha puede transmitir datos a través de la red de suministro eléctrico, y, por lo tanto, extender una red de área local existente o compartir una conexión a Internet existente a través de los enchufes eléctricos mediante la instalación de unidades específicas.

El principio de PLC consiste en superponer una señal de alta frecuencia (de 1,6 a 30 Mhz) en niveles bajos de energía a través de una señal eléctrica de 50 Hz. Esta segunda señal se transmite a través de la infraestructura eléctrica y se puede recibir y decodificar de manera remota. De esta forma, recibirá la señal cualquier receptor PLC que se ubique en la misma red eléctrica.

Para poder explicar la complejidad del problema planteado basta decir que los cables eléctricos fueron originalmente diseñados para transmitir señales eléctricas de baja frecuencia (50 y 60 Hz) y pequeño ancho de banda y nunca señales de banda ancha de varias decenas de MHz.

Un acoplador integrado en los puntos de entrada del receptor PLC elimina los componentes de baja frecuencia antes de que se proceda al tratamiento de la señal.

Aunque el concepto técnico subyacente en PLC no es nuevo, el detonante para la aparición de estos nuevos sistemas se encuentra en los avances tecnológicos de la década de los 90. Durante este periodo hubo dos factores clave que permitieron el surgimiento de PLC: la aparición de nuevas técnicas de modulación digital y la mejor accesibilidad a la fabricación de circuitos integrados.

Aunque el concepto técnico subyacente en PLC no es nuevo, el detonante para la aparición de estos nuevos sistemas se encuentra en los avances tecnológicos de la década de los 90.

Estas herramientas de diseño de silicio permitieron que pequeñas Start-up como DS2 comenzasen a desarrollar la tecnología PLC de banda ancha. Para poder explicar la complejidad del problema planteado basta decir que los cables eléctricos fueron originalmente diseñados para transmitir señales eléctricas de baja frecuencia (50 y 60 Hz) y pequeño ancho de banda y nunca señales de banda ancha de varias decenas de MHz. A esta circunstancia hay que añadir que las líneas de distribución eléctrica están caracterizadas por ser uno de los medios más hostiles para la transmisión de información. Esto se debe principalmente a que las líneas eléctricas:

• Están sujetas a fuertes interferencias provenientes de los dispositivos eléctricos y de radiaciones externas (radio, telefonía, etc.).

• Sufren una importante pérdida de energía debido a la estructura arbórea típica que las líneas eléctricas siguen desde la subestación eléctrica hasta cada uno de los enchufes de la casa y que favorece el “Efecto Multicamino”.

• Presentan una respuesta en frecuencia cambiante en función de cuando se conectan/desconectan los dispositivos a la red. Por tanto la potencia de señal recibida y el nivel de ruido interferente en cada enchufe es diferente para cada frecuencia y cambia en el tiempo.

Estos sistemas han demostrado el potencial para las comunicaciones simétricas y de Full Duplex a velocidades mayores a 1 Gbit/s en cada dirección.

Los sistemas PLC más extendidos se basan en modulaciones del tipo multi-portadora como OFDM (Orthogonal Frequency Digital Multiplexing). Este tipo de modulación se caracteriza por dividir el ancho de banda disponible en un gran número de portadoras, con el fin de poder mejor adaptar mejor la transmisión a las cambiantes características del medio. En cada portadora se mide en tiempo real la potencia y el ruido recibido y en función de estos parámetros se introduce un mayor o menor número de bits. El resultado es una mayor optimización de la transmisión que se puede obtener del cable eléctrico. Entre los sistemas OFDM más conocidos figuran tecnologías como ADSL o Cablemodem.

El principio de PLC consiste en superponer una señal de alta frecuencia (de 1,6 a 30 Mhz) en niveles bajos de energía a través de una señal eléctrica de 50 Hz.

En estos momentos, la modulación más avanzada OFDM en PLC es la desarrollada por DS2, donde se obtienen velocidades de transmisión de más de 200 Mbps y cobertura en todos los enchufes de la casa. A este tipo de modulación DS2 añade la máxima seguridad, usando encriptación dentro del propio chip 3DES y avanzados mecanismos de calidad de servicio (QoS), Clase de Servicio (CoS), Multicast y gestión a través de SNMP (Simple Network Management Protocol). Estas características garantizan, entre otros, la confidencialidad de la información y los avanzados servicios de distribución vídeo de calidad estándar y alta definición dentro del entorno doméstico.

 

Control de Hogar (Banda Estrecha)

La tecnología PLC puede usar el cableado eléctrico doméstico como medio de transmisión de señales. Las tecnologías INSTEON y X10 son los dos estándares de facto más populares empleados para control de hogar. Esta es una técnica usada en la automatización de hogares para el control remoto de iluminación y de equipos sin necesidad de instalar cableado adicional.

La tecnología PLC puede usar el cableado eléctrico doméstico como medio de transmisión de señales.

Típicamente, los dispositivos para control de hogar funcionan mediante la modulación de una onda portadora cuya frecuencia oscila entre los 20 y 200 kHz inyectada en el cableado doméstico de energía eléctrica desde el transmisor. Esta onda portadora es modulada por señales digitales. Cada receptor del sistema de control tiene una dirección única y es gobernado individualmente por las señales enviadas por el transmisor. Estos dispositivos pueden ser enchufados en los tomacorrientes eléctricos convencionales o cableados en forma permanente en su lugar de conexión. Ya que la señal portadora puede propagarse en los hogares o apartamentos vecinos al mismo sistema de distribución, estos sistemas tienen una “dirección doméstica” que designa al propietario. Esto, por supuesto es válido cuando las viviendas vecinas poseen sistemas de este tipo; situación muy común en las zonas residenciales de Estados Unidos.

 

Cableado de redes hogareñas (banda ancha)

La tecnología PLC también puede usarse en la interconexión en red de computadoras caseras y dispositivos periféricos, incluídos aquellos que necesitan conexiones en red, aunque al presente no existen estándares para este tipo de aplicación. Las normas o estándares existentes han sido desarrolladas por diferentes empresas dentro del marco definido por las organizaciones estadounidenses HomePlug Powerline Alliance y la Universal Powerline Association.

 

Acceso a Internet (banda ancha sobre líneas de energía)

La Banda Ancha sobre línea de energía (abreviada BPL por Broadband over Power Lines)) representa el uso de tecnologías PLC que proporcionan acceso de banda ancha a Internet a través de líneas de energía ordinarias. En este caso, una computadora (o cualquier otro dispositivo) necesitaría solo conectarse a un “modem” BPL enchufado en cualquier toma de energía en una edificación equipada para tener acceso de alta velocidad a Internet.

A primera vista, la tecnología BPL parece ofrecer ventajas con respecto a las conexiones regulares de banda ancha basadas en cable coaxial o en DSL: la amplia infraestructura disponible permitiría que la gente en lugares remotos tenga acceso a Internet con una inversión de equipo relativamente pequeña para la compañía de electricidad. También, tal disponibilidad ubicua haría mucho más fácil para otros dispositivos electrónicos, tal como televisiones o sistemas de sonido, el poderse conectar a la red.

A primera vista, la tecnología BPL parece ofrecer ventajas con respecto a las conexiones regulares de banda ancha basadas en cable coaxial o en DSL.

Sin embargo, las variaciones en las características físicas de la red eléctrica y la carencia actual de estándares por parte de IEEE significan que el suministro del servicio está lejos de ser un proceso estandarizado y repetible, y que el ancho de banda que un sistema BPL puede proporcionar comparado con sistemas de cable e inalámbricos está en duda. Algunos observadores de la industria creen que la perspectiva de BPL motivará a las empresas operadoras de DSL y de cable a suministrar más rápidamente el servicio de acceso a banda ancha a las comunidades rurales.

Los módems PLC transmiten en las gamas de media y alta frecuencia (señal portadora de 1,6 a 30 MHz). La velocidad asimétrica en el módem va generalmente desde 256 kbit/s a 2,7 Mbit/s. En el repetidor situado en el cuarto de medidores (cuando se trata del suministro en un edificio) la velocidad es hasta 45 Mbit/s y se puede conectar con 256 módems PLC. En las estaciones de voltaje medio, la velocidad desde los centros de control de red (“head end”) hacia Internet es de hasta 135 Mbit/s. Para conectarse con Internet, las empresas de electricidad pueden utilizar una “espina dorsal” de fibra óptica o enlaces inalámbricos.

Los módems PLC transmiten en las gamas de media y alta frecuencia (señal portadora de 1,6 a 30 MHz). La velocidad asimétrica en el módem va generalmente desde 256 kbit/s a 2,7 Mbit/s.

Las diferencias en los sistemas de distribución de energía eléctrica en América y Europa afectan la puesta en práctica de la tecnología BPL. En el caso de Norteamérica, relativamente pocos hogares están conectados con cada transformador de distribución, mientras que en la práctica europea puede haber centenares de hogares conectados con cada subestación. Puesto que las señales de BPL no se propagan a través de los transformadores de distribución eléctrica, solo se necesita equipo adicional en el caso norteamericano. Sin embargo, ya que la anchura de banda es limitada, esto puede aumentar la velocidad a la cual cada casa puede conectarse, debido a los pocos usuarios que comparten la misma línea.

El sistema tiene un número de problemas complejos, siendo el primero que las líneas de energía intrínsecamente constituyen ambientes muy ruidosos. Cada vez que un dispositivo se enciende o apaga, introduce voltajes transitorios en la línea. Los dispositivos ahorradores de energía introducen a menudo armónicos ruidosos en la línea. El sistema se debe diseñar para ocuparse de estas interrupciones naturales de las señales y de trabajar con ellas.

 

Desarrollo irregular

Las tecnologías de banda ancha sobre líneas eléctricas se han desarrollado más rápidamente en Europa que en Estados Unidos debido a una diferencia histórica en las filosofías de diseño de sistemas de energía. Casi todas las grandes redes eléctricas transmiten energía a altos voltajes para reducir las pérdidas de transmisión, después en el lado de los usuarios se usan transformadores reductores para disminuir el voltaje. Puesto que las señales de BPL no pueden pasar fácilmente a través de los transformadores (su alta inductancia los hace actuar como filtros de paso bajo, bloqueando las señales de alta frecuencia) los repetidores se deben unir a los transformadores.

En Estados Unidos, es común colocar un transformador pequeño en un poste para uso de una sola casa, mientras que en Europa, es más común para un transformador algo más grande servir a 10 o 100 viviendas.

En Estados Unidos, es común colocar un transformador pequeño en un poste para uso de una sola casa, mientras que en Europa, es más común para un transformador algo más grande servir a 10 o 100 viviendas. Para suministrar energía a los clientes, esta diferencia en diseño es pequeña, pero significa que suministrar el servicio BPL sobre la red de energía de una ciudad típica de los Estados Unidos requerirá más repetidores en esa misma propoción, que los necesarios en una ciudad europea comparable. Un alternativa posible es utilizar los sistemas BPL como redes de retorno para las comunicaciones inalámbricas, por ejemplo colocando puntos de acceso Wi-Fi o radio bases de telefonía celular en los postes de energía, permitiendo así que los usuarios finales dentro de cierta área se conecten con los equipos que ya poseen. En un futuro próximo, los BPL se pudieran utilizar también como redes de retorno para las redes de WiMAX.

El segundo problema principal de BPL tiene que ver con la intensidad de la señal junto con la frecuencia de operación. Se espera que el sistema utilice frecuencias en la banda de 10 a 30 MHz, que ha sido utilizada por décadas por los radio aficionados, así como por emisoras radiales internacionales en onda corta y por diversos sistemas de comunicaciones (militar, aeronáutico, etc.). Las líneas de energía carecen de blindaje y pueden actuar como antenas para las señales que transportan, y tienen el potencial de eliminar la utilidad de la banda de 10 a 30 MHz para los propósitos de las comunicaciones en onda corta.

Los sistemas modernos de BPL utilizan la modulación OFDM que permite minimizar la interferencia con los servicios de radio mediante la remoción de las frecuencias específicas usadas.

Los sistemas modernos de BPL utilizan la modulación OFDM que permite minimizar la interferencia con los servicios de radio mediante la remoción de las frecuencias específicas usadas. Un estudio de 2001 conjuntamente realizado por la ARRL (American Radio Relay League) y HomePlug demostró que los módems usando esta técnica “en general eso con la separación moderada de la antena de la estructura que contenía la señal de HomePlug que interferencia era apenas perceptible” y sucedió interferencia solamente cuando la “antena estaba físicamente cerca de las líneas de energía”.

A esta circunstancia hay que añadir que las líneas de distribución eléctrica están caracterizadas por ser uno de los medios más hostiles para la transmisión de información.

Las transmisiones de datos a velocidades mucho más altas usan las frecuencias de microondas transmitidas mediante un mecanismo recientemente descubierto de propagación superficial de ondas, denominado E-Line el cual ha sido demostrado usando solamente una sola línea de energía. Estos sistemas han demostrado el potencial para las comunicaciones simétricas y de Full Duplex a velocidades mayores a 1 Gbit/s en cada dirección. Múltiples canales de WiFi con señales simultáneas de televisión analógica en las bandas sin licencia de 2,4 y 5,3 GHz han sido demostrados operando sobre una línea sencilla de voltaje medio. Además, debido a que puede funcionar en la banda de 100 MHz a 10 GHz, esta tecnología puede evitar completamente los problemas de interferencias asociados con el uso de un espectro compartido mientras ofrece la mayor flexibilidad para la modulación y los protocolos encontrados para cualquier otro tipo de sistemas de microondas.

 

El mercado PLC de acceso

El segmento de mercado PLC acceso o BPL (Broad Band Powerline) está orientado a la provisión de servicios de acceso o última milla a través de las líneas eléctricas de media y baja tensión, desde las subestaciones eléctricas a la entrada de los hogares y empresas. En este segmento el elemento tractor viene determinado por las empresas de distribución eléctrica que, poniendo ciertos equipos PLC a lo largo de sus líneas de distribución de electricidad, las convierten en redes de comunicaciones de banda ancha. Estas nuevas redes de comunicaciones son explotadas directamente por las propias Eléctricas, aunque en la mayoría de los casos el modelo preferido consiste en poner estas redes al servicio de operadores alternativos que no disponen de infraestructura propia. De esta forma se evitan todas las labores de promoción, marketing, operación y fidelización de los clientes finales en un mercado, el de las telecomunicaciones, de características diferentes al tradicional de las Eléctricas.

En España se encuentran dos de los referentes más importantes en el ámbito mundial dentro de este segmento, tanto por sus aportaciones en los procesos de I+D y de diseminación de la tecnología, como por el efecto tractor que han tenido en el mercado.

En España se encuentran dos de los referentes más importantes en el ámbito mundial dentro de este segmento, tanto por sus aportaciones en los procesos de I+D y de diseminación de la tecnología, como por el efecto tractor que han tenido en el mercado. Estamos hablando de Endesa y de Iberdrola que están comercializando la tecnología PLC en Madrid, Barcelona, Valencia, Zaragoza, Castellón y otras ciudades y zonas rurales de España y cuya aportación ha sido y continúa siendo vital para lo que es hoy en día PLC.

 

El futuro tecnológico del PLC 

En la actualidad las tasas de transferencia que se están obteniendo con PLC son más que suficientes para poder desplegar servicios avanzados de telecomunicación hasta el usuario final. La limitación a la hora de ofrecer nuevos y avanzados servicios no se encuentra en la tasa de transferencia o velocidad. Por este motivo las empresas líderes en este mercado, más que incrementar la densidad de portadores con el fin de aumentar las tasas de transferencia, se están centrando en añadir valor a la solución final, con la incorporación de nuevas funcionalidades como son la encriptación de la comunicación a nivel físico, la mejora de la gestionabilidad, el control de latencia, el soporte de multicast, etc.

Este tipo de modulación se caracteriza por dividir el ancho de banda disponible en un gran número de portadoras, con el fin de poder mejor adaptar mejor la transmisión a las cambiantes características del medio.

El motivo es claro: PLC ofrece prestaciones similares o incluso superiores usando infraestructura ya existente. Los nuevos operadores o alternativos al “incumbent” deben instalar nueva infraestructura, mientras que las redes eléctricas ya existen en la mayoría de los casos. De forma resumida, se puede decir que PLC proporciona:

• Grandes despliegues metropolitanos en cortos periodos de tiempo.

• Un mejor ROI (Retorno de Inversión) comparado con otras tecnologías.

• Instalación Plug & Play, rápida y flexible.

• Fácil integración con otras tecnologías.

• Coexistencia con otros servicios y redes PLC.

• Cobertura total con calidad de servicio y multicasting.

• Ausencia de interferencia entre segmentos de Acceso e In-Home.

La tecnología PLC de DS2 proporciona la solución, pues disfruta de las tasas de transferencia adecuadas para poder ofrecer servicios de distribución de vídeo y especialmente de televisión IP de alta definición. Además, ofrece controlabilidad en la Red manteniendo acotados parámetros tales como la latencia y la tasa de transferencia dentro de los límites adecuados y evitando la degradación de la imagen (pixelado) y de la señal de voz (ecos, glitches, desvanecimientos, etc.). Esta ventaja ha sido ya detectada por las empresas del sector de la electrónica de consumo que ya han empezado a evaluar la tecnología e integrarla en sus productos (Set Top Boxes, Home Media Centers, Consolas, DVDs, etc.).

Operadores de ADSL también han visto en la tecnología PLC de DS2 la solución a sus problemas de conectividad dentro del hogar y en estos momentos se encuentran desplegando las primeras unidades.

Operadores de ADSL también han visto en la tecnología PLC de DS2 la solución a sus problemas de conectividad dentro del hogar y en estos momentos se encuentran desplegando las primeras unidades. Estos operadores ven en esta tecnología la solución ideal, en el momento que el usuario final contrata, además de los servicios de voz y datos, otros servicios más avanzados de vídeo bajo demanda o de televisión. En estos casos el operador debe de enlazar el punto de acceso, generalmente el módem ADSL, con el resto de dispositivos del hogar y entre los que figuran el ordenador personal, los teléfonos, el Set Top Box (STB) que se conecta al televisor, etc.

 

La prehistoria de la tecnología PLC

La comunicación a través de la red eléctrica no es nueva, aunque sólo se ha utilizado para aplicaciones de control remoto de repetidores de banda estrecha, alumbrado público y automatización de hogares. La banda ancha a través de PLC se comenzó a utilizar a finales de la década de 1990:

1950: con una frecuencia de 10 Hz, una alimentación de 10 kW, y una vía de un solo sentido: alumbrado de ciudades, control remoto de repetidor.

Mediados de la década del 80: inicio de las investigaciones relacionadas con el uso de la red eléctrica para permitir la transmisión de datos, en bandas de entre 5 y 500 Khz, siempre en una sola dirección.

1997: primeras pruebas para la transmisión de señales bidireccionales de datos a través de la red de suministro eléctrico, inicio de las investigaciones por parte de Ascom (Suiza) y Norweb (Reino Unido)

2000: primeras pruebas llevadas a cabo en Francia por EDF R&D y Ascom.

En la actualidad las tasas de transferencia que se están obteniendo con PLC son más que suficientes para poder desplegar servicios avanzados de telecomunicación hasta el usuario final.

 

Fuentes: Wikipedia – DS2

 

 

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Fecha de publicación del artículo original: 26/3/2008

 

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