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Práctica de Domótica
Aspectos electrónicos en la transmisión de datos vía la red de distribución eléctrica
Introducción
De todos es sabido que el acceso red eléctrica está mas extendido que el acceso a la red telefónica, no importa el nivel de desarrollo del país. Asi pues, como en la trasmisión de voz y datos se utiliza un cable de cobre, pronto surgió la idea de trasmitir voz y datos por el mismo cable que daba suministro eléctrico.
Las pioneras en el uso de esta tecnología fueron, como era de esperar, las propias compañias electricas, que desarrollaron los PLC (Power Line Communications) para cuestiones de mantenimiento y gestión de sus propias redes eléctricas, mediante transmisiones unidireccionales (hacia la compañía). Emplearon modems PLC para recoger datos a cerca del consumo y de la facturacion. Son lentos (9600 bps), pero esta velocidad es suficiente para estudiar las cargas en las lineas y generar las facturas de los clientes, que era la principal necesidad.
Debido a la explosión de las tecnologías de la información las compañias eléctricas, deseosas de ampliar su ambito de negocio, están desarrollado proyectos de transmisión de datos a alta velocidad a través del tendido eléctrico. La razón para esto se puede ver en varios aspectos fundamentales:
Primeramente se encontraban con que el tendido de las líneas ya estaba efectuado, lo que reducía los gastos de implantación de la tecnología y permitiría aplicar tarifas más ventajosas para los clientes.
La capilaridad de la red eléctrica no la alcanza ninguna red telefónica. Cualquiera que tenga cerca un enchufe es un cliente potencial. Además, la compañía eléctrica en muchos casos dispone de redes de fibra óptica que aprovechan el tendido de su red principal, y que serían usables en la PLC.
Por otro lado la poca efectividad de la liberalización del último tramo de conexión a la red telefónica, el bucle local o de abonado, lo que situaba a las compañías eléctricas en una posición firme para competir frente a las telefónicas.
En estas condiciones las compañías eléctricas empezaron a desarrollar proyectos para implementar las PLC y hacerlas una realidad. En estos proyectos se lleva trabajando desde hace casi cuatro años y actualmente ya hay consumidores conectados en Brasil, Alemania y Korea. En España las pruebas comenzaron por parte de Endesa e Iberdrola.
Funcionamiento
La red eléctrica, Estructura
La red eléctrica consta de tres partes bien diferenciadas: los tramos de baja tensión, los de media y los de alta tensión. Los de baja tensión - equivalentes a la "última milla" o bucle de abonado en las redes telefónicas - conectan los hogares con las subestaciones de distribución local. Estas subestaciones proporcionan electricidad a un centenar de viviendas como mucho. Es precisamente este tramo el único que se utiliza en PLC.
PLC, Bases
Para trabajar con las PLC se utiliza una red conocida como High Frequency Conditioned Power Network (HFCPN), para transmitir simultáneamente energía e información. Las señales de baja frecuencia (50 ó 60 Hz, según la red) son las encargadas de la transmisión de la energía, mientras que las señales de más alta frecuencia pueden utilizarse para la transmisión de datos, circulando ambas simultáneamente a través del hilo de cobre. Una serie de unidades acondicionadoras son las que se encargan del filtrado y separación de ambas señales y propagarlas bien hacia los usuarios finales, bien hacia las estaciones base. En las estaciones base se recogen los datos de los tramos de baja tensión y se transmiten a una conexión a internet a través de fibra óptica u otros medios.
Estaciones Base
Las estaciones base de PLC tienen una estructura tópica de rack. Una localización puede llegar a contener unas doce unidades emisoras del tipo estación base, cada una capaz de comunicar un canal. Los datos llegan a estas estaciones que las incorporan a la señal eléctrica. Una estación estándar sirve a unos cincuenta usuarios, ofreciéndoles un espectro cercano a los 20 MHz en el caso de clientes próximos, o entre 6 y 10 MHz para clientes lejanos. Esta bajada de espectro se debe al posible uso de un nodo intermedio que evite la degradación de la señal. En las subestaciones eléctricas locales hay servidores de estación base que se conectan a Internet generalmente a través de fibra óptica. El servidor opera con un sistema basado en IP para crear redes LAN en cada área de servicio.
Unidades Acondicionadoras
Separarán la electricidad, que alimenta a los electrodomésticos, de las señales de alta frecuencia, que van a un módulo o unidad de servicio, donde se reconvierten en canales de vídeo, datos, voz, etc... Como ya se dijo, no se usa toda la red eléctrica para la transmisión de datos, sólamente los tramos de baja tensión, lo que hace que la señal sólo pueda viajar cerca de 100m antes de que el ruido la degrade demasiado. Por esta razón se han de instalar repetidores de unidades acondicionadoras, para que la señal pueda viajar más lejos. Generalmente no hará falta el uso de los repetidores, puesto que las subestaciones de distribución local no están alejadas de sus usuarios directos.
Las unidades acondicionadoras situadas en los hogares de los abonados, que también pueden recibir el nombre de módem eléctricos, tienen en su interior dos filtros. El primero de ellos, el de baja banda, libera la corriente eléctrica de 50 Hz para su distribución a todos los enchufes de la casa. Este filtro además sirve para limpiar los ruidos generados en la red por los electrodomésticos conectados en casa del usuario. Si se dejaran pasar esos ruidos, al unirse a los procedentes de otros usuarios de la red, acabarán por introducir distorsiones muy significativas. En segundo lugar, el filtro de alta banda es el que libera los datos y facilita el tráfico bidireccional entre el cliente y la red.
En las estaciones acondicionadoras es donde se efectúa también el mecanismo que posibilita la alta velocidad de transmisión de los datos. Básicamente se trata de algo muy similar a lo que se hace en el ADSL. En caso de encontrar un error de transferencia, rápidamente se efectúa un cambio de frecuencia de transmisión de datos, de tal modo que se juega con el espectro de frecuencias disponible para aumentar la velocidad de la transmisión en un medio bastante hostil, por otra parte, para ser usado como una red de datos.
El enfoque para lograr esto se basa en una remodelación de los niveles inferiores de la arquitectura OSI, principalmente el nivel de acceso físico. Este nivel se tiene que ajustar a un medio con unos niveles de ruido muy elevados y cambiantes, de forma dinámica y rápida. En estas condiciones se sabe que tras una cantidad determinada de datos estos estarán corruptos, por lo que se transmiten paquetes cortos, con avanzados sistemas de detección y predicción de errores. En caso de detección de error se retransmite el dato tras acordar otro canal de comunicación en otra frecuencia. El envío de paquetes se realiza mediante un método de paso de testigo, de forma que solo un elemento pudiese estar transmitiendo a la vez (el poseedor del testigo). De esta forma se soluciona también el que otro nodo empezase a transmitir en medio mitad de la transferencia de otro nodo (por malinterpretación de lo que viaja por la red -datos que parecen ruido o viceversa-) dado que si no tiene el testigo no puede transmitir.
Funcionamiento de las PLC
La fibra óptica llega hasta los transformadores desde los centros de servicio o proveedores de acceso. El transformador actúa como cabecera de la red, proporcionando conectividad a través de las líneas de baja tensión a todos los usuarios. El ancho de banda del que pueden disfrutar los clientes alcanza en las pruebas entre 2 y 10 Mbps según la tecnología empleada, suficiente para transmitir voz, información multimedia o crear redes privadas virtuales.
En casa, los electrodomésticos podrán ser controlados a través de Internet, e incluso se podrían detectar sus averías de forma remota. La nevera inteligente estará un poco más cerca. Las instalaciones de domótica, hoy prohibitivas, serán algo común. La radio, la televisión y los juegos a la carta llegarán a cualquier enchufe.
En la oficina, montar una red local es tan sencillo como conectar el módem PLC al tendido eléctrico, sin necesidad de nuevos cables o redes inalámbricas. Del mismo modo se pueden instalar redes privadas virtuales y hacer más sencillo el teletrabajo.
Ventajas de PLC
· En primer lugar, no necesita obras ni cableados, porque utiliza los cables el?ctricos que ya tenemos instalados.
· Podemos conectarnos a internet o hablar por teléfono desde cualquier enchufe de nuestra casa.
· Velocidades de vértigo para internet y posibilidad de enviar y recibir datos a la vez.
· No tiene las limitaciones del ADSL o Cable. Al ser la red eléctrica la más extendida del planeta, puede llegar a pueblos o localidades que otras tecnologías no pueden abastecer, ya que no les sale económicamente rentable.
Problemas: la suciedad electromagnética de los cables
Si piensa que el famoso espacio radioeléctrico está lleno de ondas de radio en constante peligro de interferencia, el tendido eléctrico no lo está menos.
Es un problema de aislamiento. Comparemos un cable eléctrico con un cable de antena de televisión. El primero sólo está recubierto de plástico. El cable de antena tiene varias capas de plástico y una malla metálica intermedia que lo aísla de posibles interferencias.
Cualquier línea conductora es, por definición, una antena. Eso quiere decir que la instalación eléctrica de una casa actúa como tal, y es muy sensible a las interferencias que se produzcan en las frecuencias de transmisión de datos, alrededor de los 30 MHz.
La red eléctrica no está protegida contra las ondas de radio, pero tampoco contra el ruido electromagnético que puede introducir una afeitadora, la televisión o el propio PC. Todos estos aparatos se protegen a sí mismos de lo que pueda venir de la línea eléctrica (como una subida de tensión) con filtros y fusibles, pero nadie se preocupa de lo que vierten en ella.
Pero esa antena oculta en las paredes de la casa también funciona a la inversa: como antena radiante. La transmisión de datos podrá interferir con las frecuencias de los radioaficionados, por ejemplo. Aunque el verdadero problema es la seguridad. Los datos serán literalmente retransmitidos hacia el exterior, a través de la línea y a través del aire; un regalo para los espías.
Los problemas técnicos se traducen en dinero: para filtrar y limpiar las líneas hacen falta equipos costosos, y aún así siempre hay un equilibrio entre la velocidad y el aislamiento: cuanto más se filtre la línea, más difícil es transmitir a altas velocidades.
Los sistemas empleados son similares a los empleados por ADSL. Las frecuencias de transmisión se asignan dinámicamente y los sistemas de corrección de errores están muy desarrollados. La suiza ASCOM y la española DS2 (que firmó acuerdo al respecto con Cisco) son algunas de las compañías que fabrican los equipos PCS más avanzados.
Otras desventajas:
· El estado de las líneas eléctricas. Si las redes están deterioradas, hay cables en mal estado o con empalmes mal hechos, seguramente no será posible usar esta tecnología.
· Las interferencias que puedan producir otros aparatos conectados a la red eléctrica también puede ser un inconveniente, en ese caso hay que detectarlos para aislarlos mediante un filtro.
· La distancia óptima de transmisión es de 100 metros, por lo que a mayores distancias hay que ir instalando repetidores.
Pruebas en España
La matriz de Chilectra, Endesa España, ya realizó pruebas inicialmente en 50 hogares españoles -25 en Sevilla y otros 25 en Barcelona- prestando servicios de telefonía por medio de protocolo de Internet (IP); acceso de alta velocidad a Internet; servicios multimedia (video y audio a la carta) y videoconferencias; cumpliendo la expectativas creadas con un alto nivel de satisfacción por parte de los usuarios , según señala en su sitio web (www.plcendesa.com).
En las pruebas realizadas en Barcelona y Sevilla se ha lograron transmitir en ambas direcciones y a velocidades entre 2 y 12 Mbps.
avega@wol.es
victor@bermudas.ls.fi.upm.es