Tecnología Powerline - Área de Ingeniería de Sistemas y Automática

TECNOLOGÍA
POWERLINE
DANIEL MÉNDEZ PÉREZ
CURSO DE DOCTORADO 2.001-2.002
ÍNDICE
Curso de Doctorado 2.001/02
ÍNDICE.
I.
ANTECEDENTES. ............................................................................1
1. INTRODUCCIÓN. ...............................................................................................1
2. ESCENARIO.......................................................................................................1
II. POWERLINE.....................................................................................3
3. DIFICULTADES DE TRANSMISIÓN. ................................................................3
4. SOLUCIÓN POWERLINE. .................................................................................5
4.1. MULTIPLEXACIÓN OFDM. ............................................................................................. 5
4.2. ADECUACIÓN DE LA SEÑAL AL MEDIO (FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA). ............ 8
4.3. MECANISMO DE TRANSMISIÓN.................................................................................... 9
4.4. INTERFERENCIAS, RUIDOS. ....................................................................................... 11
4.5. FUNCIONAMIENTO DE POWERLINE SOBRE LAN. ................................................... 12
4.6. SEGURIDAD. ................................................................................................................. 13
III. ANEXO I .........................................................................................15
HOMEPLUG SPECIFICATION 1.0. .....................................................................15
IV. ANEXO II ........................................................................................16
GLOSARIO DE TÉRMINOS.................................................................................16
V. BIBLIOGRAFÍA. .............................................................................17
Daniel Méndez Pérez
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Antecedentes
I.
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ANTECEDENTES.
1. INTRODUCCIÓN.
En los últimos años se ha producido un gran avance en las comunicaciones, fomentado
principalmente por el gran éxito de INTERNET, que ha calado rápidamente en la sociedad
occidental.
Pero este auge lleva parejo un deseo por parte de los usuarios de unas mayores prestaciones,
quedando, lejos por tanto, aquella simple y primitiva idea de comunicación entre súper
computadoras con fines puramente científicos para convertirse en estos últimos años en uno de
los pilares de crecimiento económico de las sociedades occidentales. Pero se ha de recordar
que el acceso a esta red siempre ha tenido como base las redes telefónicas, las cuales han
sufrido grandes cambios en los últimos años, unos cambios que han ido parejos a la evolución
de la red, precisamente desde que esa gran red de redes en la que se ha convertido Internet,
comenzó a ser usada como el mayor medio de comunicación de los últimos tiempos.
2. ESCENARIO.
Para cubrir los accesos a esa telaraña mundial en la que se ha convertido Internet, siempre se
han usado líneas telefónicas, de mayor o menor ancho de banda, pero redes telefónicas al fin y
al cabo. Por ello se han ido buscando diversas alternativas que pudieran permitir accesos de
calidad, y que llegaran fácilmente al usuario final, si necesidad de grandes inversiones de capital,
como requiere el caso de los tendidos de fibra óptica utilizados por las compañías operadoras de
cable, que llevan asociados unos costes muy elevados, no ya sólo por el propio tendido de la
fibra óptica, ya cara de por si, sino por toda la ingeniería civil que conlleva el tendido de la misma
por una ciudad de tamaño medio.
Surge por tanto la necesidad de encontrar otros caminos que permitan anchos de banda
razonables a la vez que no necesiten de unas infraestructuras muy complejas.
Así y basándose en el mundo de la automatización (domótica) donde se utilizan las propias
redes eléctricas de los edificios para mandar señales moduladas sobre portadoras de alta
frecuencia, que pueden ser interpretadas por los autómatas y/o receptores, surge la idea de
utilizar las redes eléctricas como soporte para el acceso tanto telefónico de tipo convencional
(Voz) como de datos (Internet).
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Antecedentes
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Esta nueva tecnología que ha sido bautizada con el nombre de "Powerline" y desarrollada
principalmente por dos compañías alemanas Veba y RWE, tras la retirada de la también
alemana Siemens, y que fue mostrada internacionalmente en la feria alemana Cebit 2000,
celebrada en Hannover.
Fig. 2.1 Esquema de funcionamiento de Powerline.
Es lo que se ha dado en llamar PLT (PowerLine Telecomunications) que permite unos accesos
de calidad (hasta 14 Mbps) sobre cableado eléctrico de potencia, dotando así a cualquier edificio
existente de una potente red de comunicaciones, de tal manera que las bases de enchufes,
dejan de ser simplemente tomas de tensión para la alimentación de aparatos para convertirse a
la vez en tomas de datos.
En un principio fueron muchos los expertos y profesionales que dudaron de esta tecnología al
tacharla de inviable técnicamente, sobre todo debido principalmente a los problemas asociados
intrínsecamente a las redes de distribución eléctrica tales como las caídas de tensión, las
perturbaciones de alta frecuencia provocadas por caídas de rayos así como los daños físicos
que pueden causar las ondas electromagnéticas en los equipos electrónicos necesarios para el
desarrollo de esta técnica.
Sin embargo, ha sido a lo largo de este año 2.001, cuando se ha comenzado a comercializar
Powerline con bastante éxito en Alemania.
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II.
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POWERLINE.
3. DIFICULTADES DE TRANSMISIÓN.
A fin de poder entender correctamente el funcionamiento de la tecnología Powerline, se ha de
ver en primer lugar que la red eléctrica es un medio “hostil”, ya que la comunicación a través de
una línea eléctrica conlleva la convivencia de “nuestra” señal con otro conjunto de ellas que viaja
por la misma base y que son provocadas por ruidos e interferencias generadas por diversas
fuentes, y más hoy en día con la existencia de multitud de equipos electrónicos que generan una
cantidad importante de armónicos que son “inyectados” a la red.
A su vez estas líneas no están sometidas a una carga constante y controlada, ya que pueden
existir un sin fin de cargas conectadas a esa línea y que pueden ser conectadas y desconectas
en cualquier momento (lámparas que se encienden y se apagan, etc... ) hacen que la línea vaya
variando sus “características” de funcionamiento a lo largo del tiempo, cosa que no sucede en
una línea Ethernet, que tiene unas características fijas e invariables en el tiempo.
Por tanto la transmisión de datos sobre este canal “variable” es lo que ha retrasado la viabilidad
de la tecnología Powerline y ha hecho que muchas compañías abandonaran su estudio.
Para ver esta problemática, basta con mirar la función de transferencia de una línea de potencia
que alimenta un circuito cualquiera de una vivienda.
Fig. 3.1 Función de transferencia para una línea eléctrica.
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Como se puede comprobar la atenuación es una característica del medio por el que viaja la
señal y que va a limitar la correcta transmisión de la misma, así pues un medio con una escasa
atenuación va a permitir que la señal viaje fácilmente permitiendo que el receptor y el emisor
establezcan un buen canal de comunicación sin que la misma se debilite excesivamente, por su
parte si la atenuación es elevada, la señal va a debilitarse rápidamente, lo que va a provocar que
no se cree un buen canal de comunicación entre emisor y receptor.
De tal manera, y como se puede apreciar en la Fig. 3.1, el medio de transmisión que es una línea
eléctrica, va a tener una atenuación variable por lo que dependiendo de la frecuencia con la que
estemos modulando la portadora para llevar los datos, la línea se comportará como un buen o
mal medio de transmisión.
Pero aún hay más, ya que no sólo la función de transferencia a ser variable en el dominio de la
frecuencia, sino que es también variable en el tiempo, ya que se está trabajando con un medio
de transmisión “vivo” y sometido a variaciones por la conexión y desconexión de cargas de
manera independiente de la transmisión de datos que se pueda estar produciendo en ese
momento.
Pero más aún ya que esta función es variable a su vez dependiendo de la línea que sea y los
puntos que esté uniendo físicamente, ya que va a tener cargas diferentes así como posiblemente
propiedades físico-químicas diferentes, que hacen que esa función sea también diferente.
Fig. 3.2 Distintas funciones de transferencia de líneas eléctricas de un mismo edificio.
Así pues como se puede comprobar, intentar modular una señal de datos sobre una portadora
puede dar lugar a que esa portadora, de una determinada frecuencia, sea buena en unos casos
pero mala en otros.
Por lo tanto, una tecnología fiable debe asegurar una buena transmisión independientemente de
esta variación de la atenuación.
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4. SOLUCIÓN POWERLINE.
Por tanto la solución parte de la necesidad de encontrar algún mecanismo que posibilite la
correcta transmisión de los datos a través de un medio de características variables. Esto se
consigue mediante la división ortogonal y multiplexación en frecuencias1 que permite varias
señales sean combinadas en una única para su transmisión por un solo canal, esta es una
técnica similar a la utilizada en la tecnología DSL, y que ha sido adoptada como estándar de
transmisión Wireless LAN de alta velocidad por el IEEE2.
Fig. 4.1 Técnica OFDM utilizada en PLT.
4.1. MULTIPLEXACIÓN OFDM.
El principio de funcionamiento es simple, antes de proceder a la combinación de cada una de las
señales individuales, cada una de esas señales es previamente desfasada para poder
representar cada uno de los bits de señal, de esta manera, mediante la modulación de cada uno
de los bits de la señal sobre señales individuales, permite que puedan transmitirse una gran
cantidad de bits de información en una pequeña fracción de tiempo.
Así pues, mediante esta técnica se consigue maximizar la transmisión de bits, a la vez que se
minimiza el tiempo necesario para su transmisión, es decir se consigue incrementar la tasa de
transferencia.
Este proceso de modulación de cada uno de los bits de la señal está representado en la Fig. 4.2
Esta tecnología es conocida por sus siglas OFDM, y que será la notación utilizada de aquí en adelante para
referirse a ella.
2 Standard IEEE for High Rate Wireless LAN 802.11a
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Fig. 4.2 Representación de bits.
Una vez que cada una de las señales es modulada según una variación de fase, éstas en su
conjunto son combinadas mediante la técnica OFDM de tal manera que cada una de las señales
que representan cada bit quedan embebidas en una única que representa el conjunto de bits que
van a ser transmitidos, proceso que queda representado en la Fig. 4.3.
Fig. 4.3 Modulación de los bits de la señal.
Así pues, la tecnología Powerline permite modular bits sobre 84 señales individuales dentro de
diferentes frecuencias que abarcan un rango que va desde los 4 a los 21 MHz, lo que hace de
esta tecnología una de la soluciones más rápidas del mercado.
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Pero gracias a la utilización de la técnica de multiplexación OFDM, vemos como se puede dar
solución al tema de envío de elevadas tasas de datos, pero quedaría por solventar el problema
de cómo conseguir que sea posible esta transmisión de alta velocidad en un entorno tan hostil
como es el de las líneas eléctricas.
Para comenzar, queda claro que cada una de las señales moduladas, representa, en el domino
de la frecuencia una única posición, es lo por tanto lo que comúnmente se denomina carrier.
Fig. 4.4 Modulación de 84 bits.
Las formas multiplexadas mediante OFDM, son generadas habitualmente mediante la utilización
de IFFT3. Así pues la salida de la IFFT es una señal en el dominio del tiempo denominada OFDM
symbol. Este proceso de conversión entre el dominio de la frecuencia y el del tiempo queda
reflejado en la Fig. 4.5.
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Siglas de Inverse Fast Fourier Transform.
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Fig. 4.5 Conversión entre dominio frecuencia y tiempo.
4.2. ADECUACIÓN DE LA SEÑAL AL MEDIO (FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA).
No obstante, si atendemos a la función de transferencia4, se puede observar como unas
frecuencias van a estar altamente atenuadas, mientras que otras prácticamente lo van a estar, o
lo que es lo mismo, que frecuencias van a presentar problemas para su transmisión y cuales no
lo van a tener.
Fig. 4.6 Función de transferencia.
Por lo tanto lo ideal, sería poder adaptar la transmisión a la función de transferencia que se
tuviera en cada momento, para ello, la solución pasa por fijar un umbral para el que se asegure
la correcta transmisión de la señal, de tal manera que si la atenuación fuera muy alta para la
correcta transmisión de la misma, este fuera suprimida por el sistema.
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Véase la Fig. 4.6.
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Entonces, el sistema Powerline, lo que hace es que va a estar continuamente monitorizando la
línea de transmisión a fin de poder detectar las posibles variaciones que se pudieran dar y que
lógicamente van a afectar a la función de transferencia, de tal manera que envíe y suprima
señales según el momento.
De esta manera se consigue que una línea de potencia se convierta en un medio de transmisión
de alta velocidad pero también seguro en cuanto a la correcta transmisión de la información.
Fig. 4.7 Utilización del valor umbral para la emisión.
Pero más allá, ya que esto permite una gran flexibilidad a la hora de poder utilizar la red eléctrica
compartida con otras señales, ya que bastará una regulación en materia de fijar rangos de
frecuencia para la emisión de distintas señales, con lo que podrán convivir en el mismo medio sin
ningún problema.
4.3. MECANISMO DE TRANSMISIÓN.
El sistema Powerline utiliza dos portadoras, una física y otra virtual, de tal manera que la física
es la encargada de la transmisión propiamente dicha mientras que la virtual no es más que una
señal de sincronización que permite conocer si el medio está ocupado.
En cuanto a la trama de transmisión utilizada en Powerline, ésta consiste en un delimitador
inicial, un núcleo y delimitador final de la trama, tal y como aparece reflejado en la Fig. 4.8.
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Fig. 4.8 Trama Powerline.
Así pues, la información colocada en el campo de la trama de control5 de cada uno de los
delimitadores, es la que permite al receptor determinar por cuanto tiempo va a esta ocupado ese
canal para esa transmisión, incluso si el receptor perdiera la sincronización (portadora física) de
la trama.
De esta manera las colisiones no van a poder ser detectadas durante la transmisión debido al
amplio rango de frecuencias del sistema, por lo que las colisiones del sistema serían detectadas
únicamente como la ausencia de una señal esperada por parte del destinatario.
En cuanto al acceso al medio éste está basado en un método aleatorio similar al utilizado por la
tecnología Ethernet, implementado con la técnica de paso de testigo6 y complementado por la
existencia de un bit de nivel de prioridad, que permite una gestión, en principio, bastante eficaz
del problema de las colas.
Así mismo se ha implementado la función de segmentación de las tramas de tal manera que se
segmentan aquellas tramas que excedan una determinada duración y que pudieran hacer que
las tramas de alta prioridad se vieran obligadas a esperar en cola hasta que otras de menor
importancia y elevada longitud se terminaran de transmitir, con lo que las tramas de alta prioridad
pueden enviarse entre la transmisión de una trama segmentada de menor importancia.
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Control Frame en la Fig. 4.8.
La implementación es similar a la utilizado en las redes LAN.
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4.4. INTERFERENCIAS, RUIDOS.
Una vez que se puede adaptar la emisión de la señal a la función de transferencia que se tiene,
se ha de poder afrontar con éxito otro problema muy común en las líneas de transmisión
eléctrica como son la existencia de fuentes generadoras de ruidos en la red, que van y vienen a
elevada velocidad y que no podrían ser detectadas con la suficiente velocidad por el sistema, a
fin de variar los parámetros de emisión.
Se está hablando de señales que pueden generarse en cualquier momento, y de duración por lo
menos de 1 µs. y dado que la transmisión de datos se produce a 14 Mbps, una interferencia de 1
µs. puede convertir la señal de datos en un conjunto de bits “basura” rápidamente.
Estas fuentes, pueden ser equipos tan corrientes como lámparas halógenas7 en el momento de
encendido y apagado, por lo que es éste un punto muy delicado, ya que se está frente a equipos
que pueden encontrarse fácilmente conectados a la red eléctrica de cualquier edificio/vivienda.
Fig. 4.9 Ejemplo de las interferencias con las que ha de convivir una señal Powerline.
A fin de evitar estos problemas, esta tecnología se la ha dotado de un robusto “Forward Error
Correction” similar al que se puede encontrar en la telefonía móvil o en los reproductores de
CD’s entre otras, ya que en general cualquier aplicación donde los datos puedan corromperse
por efecto del ruido u otras interferencias, integran este tipo de tecnología.
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Este tipo de lámparas, puede originar altas tensiones que pueden causar graves problemas de interferencias.
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Así se pueden encontrar implementados métodos de corrección de errores tales como
codificadores/decodificadores Reed Solomon o Viterbi que por separado o bien juntos
combinados en serie son capaces de “reconstruir” la cadena de bits dañada; todos estos
sistemas, están basados en la emisión de bits de protección de manera aleatoria de tal manera
que cualquier señal que pudiera interferir en la señal de datos tenga una probabilidad de dañar
precisamente uno de esos bits de protección que haría imposible la reconstrucción de la señal.
Estos principios son los utilizados en el caso de la tecnología Powerline, adaptados lógicamente
para el medio que son las líneas de potencia para asegurar de este modo que los bits de
protección llegan correctamente.
4.5. FUNCIONAMIENTO DE POWERLINE SOBRE LAN.
Hasta ahora, se ha analizado la transmisión de datos entre dos nodos (A y B) aprovechando el
soporte que proporciona la red eléctrica, pero esto es algo que raramente va a ocurrir ya que lo
más lógico es que se esté ante sistemas donde múltiples sistemas basados en Powerline van a
querer comunicarse a la vez, por lo que este sistema ha de ser capaz de poder maximizar la
transferencia de datos entre varios nodos a la vez, por lo que han de desarrollarse reglas para
gestionar estas transmisiones, esto es, ha de adoptarse un protocolo.
La elección del protocolo a utilizar por Powerline ha sido el protocolo de acceso Ethernet, ya que
es un protocolo bien conocido y ampliamente utilizado en la industria de tal manera que ha
llegado a convertirse en un estándar mundial.
Fig. 4.10 Bridge Powerline-10BaseT Ethernet.
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No obstante y dado el creciente aumento de aplicaciones tal como la transmisión de voz sobre
Internet (VoIP) que rápidamente va calando en la sociedad y que por tanto es demandada por
los consumidores, el estándar Powerline queda abierto en este sentido de manera que pueda dar
cabida a estas nuevas aplicaciones. Así por ejemplo el protocolo Ethernet utilizado por
Powerline, introduce el campo para bits de prioridad, de tal manera que se puedan asignar
paquetes de datos de distinta prioridad para su transmisión sobre la red eléctrica.
Fig. 4.11 Configuración LAN.
4.6. SEGURIDAD.
Como en cualquier medio de transmisión de datos público, siempre va a existir el problema de la
seguridad en la transmisión, así va a suceder con las redes eléctricas.
Se parte de la base que múltiples viviendas van a compartir un mismo centro de transformación,
esto es, van a compartir una misma línea eléctrica, y según la propia estructura de la red
eléctrica la propia transmisión de datos de un propietario va a circular por la vivienda de otro, no
obstante la tecnología Powerline ha sido pensada de tal manera que se minimice la cantidad de
información que pueda transmitirse por las líneas de otros propietarios.
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No obstante el propio hardware para la implementación física de la tecnología Powerline, incluye
mecanismos de encriptación8, de tal manera que todos y cada uno de los paquetes son
encriptados antes de su transmisión a la red eléctrica; de esta manera cada uno de los usuarios
vería la señal del otro como mero ruido.
Esto se logra al tener cada usuario una “llave” única para la decodificación de sus señales, de tal
manera que todo lo que se transmita en su propia LAN9 será visible para él mientras que no lo
será para el resto de los usuarios.
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En cuanto a la encriptación se utiliza un algoritmo de 56-bit.
Del inglés Local Area Network.
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Anexo I
III.
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ANEXO I
HOMEPLUG SPECIFICATION 1.0.
A continuación se explicita la especificación HomePlug 1.0 que es la que da origen a la
tecnología Powerline, tal y como ha sido redactada por los fabricantes.
HomePlug 1.0
Proponent: HomePlug Powerline Alliance, 40+ members. Formed in April by 13 companies, including:
3Com, Cisco, Compaq, Diamond Multimedia, Intellon, Motorola, Panasonic, RadioShack.
Type: Power-line-based standard for distributing broadband Internet access throughout home and sharing data, voice, audio,
video among products within home. Final spec due by year's end, based on Intellon PowerPacket technology.
Target markets: Initially SOHO and multi-PC households, with A/V product potentially at later date. Home automation (such as
lighting, air conditioning control) not a primary target because multiple, lower-cost, lower-speed power-line technologies such as
X-10 are already in use.
Applications: Initial driving app will be broadband Internet gateways that let multiple PCs share Internet access while sharing files
and peripherals, said HomePlug secretary Dave Martella, also RadioShack's VP of emerging technologies. In-house networked
gaming and wide-area-networked gaming via Internet also possible.
Next generation could include set-top boxes for TV-based Web surfing and home audio components that connect to the Internet
gateway to download/stream Web-based audio. Such audio devices could connect via power lines to remote amplified speakers.
Later-generation home security systems could distribute security-camera video throughout house or via Internet to remote PC.
Due to initial cost, last products to get technology will be Internet-accessing appliances such as microwave ovens and
refrigerators. (Intellon estimates initial $100 cost at retail to add technology to products, based on volume shipments of enabling
chipsets.) Proponents envision refrigerator-based Web pads and home phones that check e-mail, microwaves that download
recipes.
Capabilities: Proprietary power-line technologies have been available for years, but average data rates of about 7.5 Kbps limit
primarily to issuing simple function commands such as on/off. Some remotely monitor product's status and, for air conditioning, a
room's temperature.
HomePlug specifies minimum gross data rate of 10 Mbps for an effective throughput of 5 Mbps or more.
Intellon's PowerPacket technology, however, already delivers 13.75 Mbps data rate and throughput of about 7.5 Mbps; it's
scalable to higher rates, and though Intellon hasn't announced a time frame for implementation, the company said it's confident of
a 100 Mbps rate.
With net throughput of about 5 Mbps, Intellon said, first-generation products would allow broadband modem sharing; multiplayer
network gaming; and dozens of simultaneous streams of 128 Kbps MP3 audio served up from a PC's hard drive or hard-drivebased audio component.
Also supported: multiple streams of uncompressed 1.2 Mbps CD audio to HomePlug-compliant amplified speakers, and one
compressed video program with MPEG1 (VCR-like) quality at about 4 Mbps.
Intellon has tested the technology in homes up to 7,000 square feet in size with limited data rate dropoffs; will share power lines
with existing technologies such as X-10 without interference as it operates in a different frequency band.
Product availability: Intellon plans production-level chip quantities in Q3, allowing for first PC-oriented products in early 2001.
The first products will probably be home Internet gateways.
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Anexo II
IV.
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ANEXO II
GLOSARIO DE TÉRMINOS.
ACRÓNIMO
ATM
CDMA
DSL
FFT
GHz
HSCSD
Hz
IBSP
IFFF
ILEC
IP
ISDN
ISP
KHz
Kbps
LAN
MHz
PLC
PLT
PSTN
SMPS
TDM
Mbps
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DESCRIPCIÓN
Asynchronous Transfer Mode
Collision Detection Multiple Access
Digital Subscriber Loop
Fast Fourier Transform
Giga Hercio (109 c/s)
High Speed Circuit Switched Data
Hercio (1 c/s)
Internet Business Solutions Provider
Inverse Fast Fourier Transform
Independent Local Exchange Carrier
Internet Protocol
Integrated Services Digital Network
Internet Service Provider
Kilo Hercio (103 c/s)
Kilo bits per second
Local Area Network
Mega Hercio (106 c/s)
Power Line Communications
Power Line Telecommunications
Public Switched Telephone Network
Switch Mode Power Supply
Time Division Multiplexing
Mega bits per second
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Bibliografía
V.
Curso de Doctorado 2.001/02
BIBLIOGRAFÍA.
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