PLC / TecnologiaPower Line Communications

           Sendo aplicada na camada de enlace do modelo OSI (Open Systems Interconnection), a tecnologia Power Line Communications é compatível com tecnologias já desenvolvidas da mesma camada, podendo também ser utilizada em conjunto com protocolos TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) da camada de rede. A transmissão de dados por meio da fiação elétrica utiliza sinais de rádio (RF) enviados nas redes de corrente alternada de baixa e média tensão. Esse envio é feito através da modulação dos dados, em formato digital, com o sinal de rádio, transmitido, então, para as linhas elétricas em frequências próprias [MALATHI e VANATHI, 2007].
           Uma das principais questões que se coloca sobre a finalidade da tecnologia PLC seria a de continuar transmitindo o sinal da energia elétrica, juntamente com o sinal de comunicação, sem interferências, através das redes de média e baixa tensão já disponibilizadas pela distribuição de energia. A solução para esse problema está em efetuar a superposição de um sinal de baixa energia sobre o sinal da energia elétrica [LITTLE, 2004]. Os sinais PLC para banda estreita utilizam frequências entre 3 e 148,5 kHz, enquanto que aplicações de banda larga fazem uso de frequências entre 1,6 e 30 MHz. Em ambos os casos, os sinais PLC usam intervalos de frequência bem distantes da frequência utilizada pelo sinal de energia elétrica, que é de 50 Hz em diversos países e 60 Hz nas Américas, incluindo o Brasil.
           Por atuar em um meio cujo objetivo principal não é a transmissão de dados, os sistemas PLC estão sujeitos a problemas, como interferências e ruídos, o que exige métodos de modulação capazes de controlar tais obstáculos. As técnicas mais significativas são: Spread Spectrum, OFDM e GMSK.

• Spread Spectrum

           A técnica de Spread Spectrum, também conhecida como espalhamento espectral, visa garantir que a densidade espectral de potência do sinal seja muito baixa, procedendo com a distribuição dessa potência através de uma grande faixa de frequências [TIBALDI e JUNIOR, 2000]. Apesar de reduzir o tempo necessário para a transmissão, exige uma largura de banda maior.


Figura 1. Distribuição Spread Spectrum.

• OFDM

           A técnica de Multiplexação por Divisão de Frequência Ortogonal, cuja sigla OFDM deriva do inglês Orthogonal Frequency Division Multiplexing, representa uma abordagem envolvendo modulação com esquemas de múltiplo acesso, onde cada canal de comunicação pode ser compartilhado por vários usuários. A modulação ortogonal implementada por esta técnica supera alguns inconvenientes presentes em aplicações que utilizam outros métodos, como Acesso Múltiplo por Divisão de Código (CDMA) e Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo (TDMA).
           O esquema utilizado pela OFDM aplica uma modulação de blocos, onde cada bloco de informação é transmitido em paralelo em subportadoras. A largura de banda disponível é dividida em um grande número de subcanais paralelos, sendo que para cada subcanal são destinados bits e recursos, cujo carregamento varia de acordo com a relação sinal/ruído ou atenuação do enlace [MALATHI e VANATHI, 2007]. Com a propagação do ruído através de diferentes frequências, buscando-se a melhor condição para a transmissão dos sinais, estes são modulados em diversas frequências simultaneamente, variando-se também o carregamento dos bits.
           A flexibilidade dessa técnica também pode ser destacada pela capacidade de desconsiderar subportadoras com interferência. O uso de amplificadores lineares torna-se necessário a fim de evitar interferências entre as harmônicas das subportadoras.
           Em situações de muito ruído, utiliza-se uma técnica de maior robustez, com maior redundância. Tal técnica é conhecida como ROBO, de ROBust OFDM. Ela é utilizada quando estações iniciam comunicação, não havendo ainda estimado o canal, bem como os parâmetros de transmissão. Isso é realizado periodicamente nas redes PLC, verificando subportadoras sujeitas a interferências, candidatas a serem suprimidas. Em casos onde a transmissão falha ou quando não é possível determinar parâmetros ideais, como em multicast, a ROBO também é utilizada. Do mesmo modo, essa técnica é implementada quando há mais de dezesseis dispositivos conectados na rede PLC, cuja especificação suporta no máximo dezesseis equipamentos simultâneos em modo normal na rede [FERREIRA, 2005].



Figura 2. Distribuição OFDM.

• GMSK

           A técnica GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), conhecida como Chaveamento por Deslocamento Mínimo Gaussiano, é tido como um sistema OFDM banda larga. Ele realiza modulação de faixa estreita, transmitindo dados na fase da portadora, o que resulta em um envelope constante. O uso de amplificadores se torna menos complexo, sem resultar em distúrbio harmônicos. A origem do nome da técnica GMSK tem relação no fato de que o espectro do sinal tem um formato semelhante a uma Gaussiana [TIBALDI e JUNIOR, 2000].


Figura 3. Distribuição GMSK.

           A tecnologia Power Line Communications apresenta dois tipos de padrão, diferenciados quanto à localização da aplicação, que são descritos a seguir:

• PLIC

           Visando tornar todas as tomadas da rede elétrica interna de um ambiente, como uma casa, em pontos de acesso para conexão de redes de transmissão de dados, o padrão Power Line Indoor Communication (PLIC) pode, através de uma caixa comutadora, interligar qualquer rede de dados, como uma rede de banda larga, com a rede de energia elétrica interna de um local.

• PLOC

           O padrão Power Line Outdoor Communication (PLOC) tem em sua configuração um Master que, interligado à distribuição secundária ou primária, responsabiliza-se pela repetição e pelo controle. Caso este Master seja instalado na distribuição primária, todas as tomadas do ambiente do usuário também poderiam funcionar como pontos de acesso, de modo semelhante ao que ocorre com o padrão PLIC. Como característica própria, o padrão PLOC apresenta a possibilidade de estipular taxas de transmissão, da mesma maneira como acontece em serviços de banda larga.

           Visando fornecer serviços de qualidade em redes domiciliares, o padrão de rede HomePlug faz uso da fiação elétrica já presente no ambiente de sua implementação. O padrão HomePlug 1.0 teve sua especificação detalhada pela HomePlug Powerline Alliance e sua camada física utiliza a técnica OFDM em uma banda de aproximadamente 4.49 a 20.7 MHz [LEE et al., 2003].

           A camada de acesso do padrão HomePlug utiliza o método de múltiplo acesso CSMA/CA, de Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, que não busca detectar colisão, uma vez que tal objetivo seria de grande dificuldade em um meio como as redes elétricas, com presença de ruído e atenuação. Juntamente com essa técnica, são definidos quatro níveis de acesso ao meio, seguindo uma prioridade que varia de acordo com o tipo de tráfego, sendo esta prioridade conhecida como CAP (Channel Access Priority). As prioridades são definidas através de classes, variando desde a classe CA0 até a classe CA3, sendo esta última a de maior prioridade.
           Antes de iniciar uma transmissão, cada estação precisa verificar se o meio está ocupado. A estação aplica a detecção física PCS (Physical Carrier Sense), buscando reconhecer sinais de prioridade em outras transmissões, além da detecção virtual da portadora VCS (Virtual Carrier Sense), que tenta determinar um vetor de alocação através do quadro “escutado” no meio, o que possibilitaria conhecer o período de transmissão do quadro atual [CAMPISTA et al., 2005].
           A estação passa a determinar a prioridade ao verificar que o meio permanece livre por um período de 35,84 µs, conhecido pela sigla CIFS, de Contention Distributed Interframe Space. Se o meio não estiver livre, a estação espera novamente um intervalo de tempo CIFS. A determinação de prioridade PR (Priority Resolution) usa dois intervalos PR0 e PR1, ambos de mesma duração 35,84 µs, para permitir que só estações com fluxo de maior prioridade disputem o canal durante o intervalo de concorrência. Através de um sinal PRS (Priority Resolution Signal), realiza-se a indicação da classe de prioridade, a cada quadro. O sinal que determina a prioridade baseia-se sobre uma modulação on-off, onde será transmitido em binário a numeração da classe [FERREIRA, 2005].
           Ao constatar que nenhuma estação possui um tráfego cuja prioridade é maior do que seu próprio tráfego, cada estação deve, após transmitir seu PRS, inicializar seu contador de backoff BC (Backoff Counter) e aguardar seu fim para transmitir. A extensão do BC é estabelecida durante o período de contenção, onde a estação escolhe aleatoriamente um valor entre zero e o tamanho dessa janela de contenção CW (Contention Window). Cria-se um temporizador multiplicando-se, então, o número sorteado de BC pelo intervalo 35,84 µs. Toda vez que o canal ficar ocioso durante o período de tempo de 35,84 µs, decrementa-se o contador em uma unidade [CAMPISTA et al., 2005].
           Visando evitar colisões no meio, emprega-se um contador de adiamentos DC (Deferral Counter), que depende de quantas vezes a função de backoff é chamada para a transmissão de um quadro. Decrementa-se este contador toda vez que outra estação toma posse do meio para efetuar sua transmissão. Através desse mecanismo, verifica-se que há alta probabilidade de ocorrer colisão quando o DC chega à zero, que significa que várias estações com a mesma prioridade querem transmitir seus quadros.
           Quando uma estação decrementa seu DC, ela irá pausar seu backoff e irá reinicia-lo assim que o meio ficar livre por CIFS, além de precisar ter prioridade suficiente para transmitir [CAMPISTA et al., 2005]. Nos casos onde DC encontra-se nulo, a estação em questão chamará novamente a função de backoff, sendo necessário aguardar o meio tornar-se ocioso mais uma vez a fim de iniciar nova disputa.
           Após transmitir um quadro de dados, a estação aguarda uma resposta, utilizando uma solicitação de repetição automática, conhecida pela sigla ARQ (Automatic Repeat Request), cujo tipo empregado é o stop and wait. A estação receptora, por sua vez, deve enviar um sinal de reconhecimento ACK (Acknowledgement), quando recebeu corretamente um quadro. Caso a entrega do quadro seja mal sucedida, o sinal a ser enviado pela estação receptora é um NACK (Negative Acknowledgement), representando um reconhecimento negativo. Também há a resposta do tipo FAIL, quando a estação não pode armazenar o quadro. Todos os tipos de respostas são enviados pela estação receptora quando o meio encontrar-se livre por um período conhecido como RIFS (Response Distributed Interframe Space), um tempo de resposta entre quadros. A prioridade das repostas frente ao envio de quadros se dá pelo valor do RIFS, de 26,0 µs [FERREIRA, 2005].           

           Em termos de formatos de quadro utilizados ao longo das transmissões, o padrão HomePlug versão 1.0 define dois tipos: um destinado ao transporte dos dados, referenciado como quadro longo, e outro responsável por transmitir a resposta, com o reconhecimento do envio de quadros, conhecido como quadro curto.
           O quadro longo, ilustrado na Figura 4, é formado por três estruturas básicas: um delimitador de início SOF (Start of Frame), um espaço destinado à carga útil, indicado por payload, um campo conhecido como EFG, cuja sigla significa End of Frame Gap, além de um delimitador de fim de quadro EOF (End of Frame). O quadro curto (Figura 5), por sua vez, possui apenas um delimitador de resposta em seu formato.

Figura 4. Quadro Longo.



Figura 5. Quadro Curto.

           É importante destacar melhor características específicas de cada estrutura básica. Os delimitadores, tanto os de início e de fim como os de resposta, compartilham do mesmo tipo de esquematização. Cada delimitador possui outros dois campos, conhecidos como preâmbulo e controle de quadro FC (Frame Control).
           O preâmbulo é destinado para fins de sincronismo, detecção de portadora e controle automático de ganho. Seu campo é preenchido com símbolos OFDM e sua duração é de 38,4 ms. Já o controle de quadro é formado por vinte e cinco bits, onde: o controle de disputa é identificado por um bit, cujo valor é 1 até o último segmento durante uma rajada de quadros; o tipo de delimitador é conhecido por três bits, diferenciando entre SOF, EOF e delimitador de resposta; o campo variante ocupa treze bits, que possui organização diferente dependendo do tipo de delimitador; e oito bits são destinados à sequência de verificação, conhecida como CRC (Cyclic Redundant Check), que realiza cálculo sobre os outros dezessete bits [FERREIRA, 2005].
           No que diz respeito ao campo variante, quando se trata de um delimitador de início, oito bits são destinados ao comprimento do quadro e cinco bits ao índice de mapa de tons. No caso de ser um delimitador de fim de quadro, dois bits são voltados para a prioridade de acesso ao meio, importantes para transmissões em rajadas. Para enviar uma mensagem de reconhecimento ACK, dois bits copiam a prioridade do quadro reconhecido e os demais onze bits repetem os onze bits menos significativos da sequência de verificação do quadro que originou a resposta. Quando ocorrer um NACK, dois bits identificam a prioridade de acesso, um bit reconhece como sendo um NACK, cujo valor é 0, e dez bits voltados para a verificação. No caso de um FAIL, dois bits continuam identificando a prioridade, um bit reconhece como sendo um FAIL, cujo valor passa a ser 1, e dez bits destinados à sequência de verificação.
           O campo de carga útil do quadro longo também conta com espaços para cabeçalho, os dados em si, enchimento de bloco, usado no último segmento de um quadro, preenchendo o bloco físico com zeros, e sequência de verificação de quadro, ocupando dezesseis bits, calculado a partir de todos os demais campos do espaço de carga útil. Cabe ressaltar também que o espaço de fim de quadro EFG tem um período de duração de 1,5 µs.
           O campo de cabeçalho, conhecido como Frame Header, contém três estruturas principais, como controle de segmento, além dos endereços de quarenta e oito bits de origem e de destino. O campo de controle de segmento conta com três bits para controle de versão, dois bits são reservados, um campo de sinalização para multicast, a prioridade de acesso conta com dois bits, o comprimento de segmento utiliza quinze bits, um bit reservado para indicar caso de último segmento, seis bits são destinados para contagem de segmento, que juntamente com os que dez bits para números de sequência, são utilizados para remontagem e segmentação [FERREIRA, 2005].

           Como as redes elétricas foram originalmente propostas e desenvolvidas apenas para a transmissão de energia elétrica, torna-se importante verificar as características da topologia das redes de geração, transmissão e distribuição do sistema elétrico, a fim de viabilizar serviços de qualidade na transmissão de dados a partir das redes PLC [FERREIRA, 2005].
           Em termos de geração da energia, deve-se considerar de forma geral o processo de transformação de energia mecânica em energia elétrica, traço marcante que caracteriza a fonte de geração de energia do tipo hídrica, bem difundida no Brasil. Além desse tipo, há fontes de energia do tipo nuclear e térmica, além das chamadas fontes de energia alternativas, como eólica e solar.
           Direcionando-se a visão para o meio de transmissão, verificam-se dados interessantes quanto à forma como a energia elétrica é enviada das estações de distribuição até o ambiente do consumidor final. Buscando-se uma maneira eficiente de se transmitir a energia a partir das usinas de geração, toda a energia gerada é destinada a subestações que elevarão a sua tensão a patamares entre 69 kV e 750 kV. Após essa etapa, a energia é transmitida por meio das linhas de transmissão até alcançar subestações nos centros consumidores, que serão responsáveis por reduzir a tensão a níveis de 13,8 kV a fim de transmiti-las aos consumidores. Essa etapa da transmissão é conhecida como distribuição primária, onde a energia é enviada das subestações até os transformadores em postes, que reduzirão novamente a tensão, nesse caso para 127/220 V, configurando a distribuição secundária, onde a energia finalmente alcança as casas e edifícios, onde será consumida [FERREIRA, 2005]. A Figura 6 ilustra o esquema da topologia do sistema elétrico.

Figura 6. Sistema Elétrico.           

           A organização da rede que incorpora a tecnologia PLC de transmissão de dados sobre a fiação elétrica segue uma topologia que distingue quatro níveis principais, sendo: Rede Interna, Rede de Acesso, Rede de Distribuição e Rede de Transporte. Cada um dispõe de especificidades e conta com características importantes na interligação com os demais níveis. A Figura 7 ilustra o esquema da topologia das redes PLC.

Figura 7. Topologia PLC.            

           A Rede Interna corresponde à rede de distribuição de energia elétrica já instalada no local de acesso do usuário final. Os modems que ligam os equipamentos à rede também fazem parte da Rede Interna, podendo ser interconectados às tomadas existentes no ambiente. Já a Rede de Acesso é estruturada sobre a rede de baixa tensão, iniciada a partir do medidor de energia localizado no ambiente do usuário e tendo como extremidade final o equipamento transformador, na transição entre as redes de baixa e média tensão. A Rede de Distribuição, por sua vez, interconecta subestações de média tensão, até ligar-se com a Rede de Transporte da operadora de telecomunicações. Nesse nível da topologia ocorre a junção entre a transmissão de energia elétrica e a transmissão de dados [FERREIRA, 2005]. Por fim, a Rede de Transporte representa a conexão da rede PLC com as redes dos provedores de serviço, onde são estabelecidas ligações com pontos de acesso à Internet e serviços de telefonia [LITTLE, 2004].