Abstract— This paper presents the results obtained by

measurement and evaluation performance of the PLC network operating at popular houses in the suburb of Cuiaba city. The key point is to show if the government projects and electric installations used to build popular houses are able to receive Internet signal by power line. This can be a good alternative to the other classical last mile solutions such as ADSL, cable modems or wireless access systems that are not able to be present at residential quarter far from downtown or remote areas. The major advantage offered by power line based home network is the availability of an existing infrastructure of wires and wall outlets.

Keywords— Power line communication, PLC network, PLC channel.

I. INTRODUÇÃO

EXPLOSIVO crescimento do número de usuários da Internet em busca de comunicação multimídia vem

estimulando pesquisas de modo a prover soluções de tráfego de dados em alta velocidade e com qualidade de serviço em todas as regiões geográficas. Uma das possíveis soluções que nos últimos anos tem se destacado embora seja alvo de muita pesquisa, é a aplicação da rede elétrica para a realização de tráfego de dados e acesso à Internet. A tecnologia PLC é capaz de suportar os diversos tipos de tráfego como voz, dados, imagem estática e vídeo. Neste contexto, baseado na estrutura pronta da rede elétrica em todas as localidades a tecnologia PLC surge como uma alternativa para fornecer serviço de banda larga a bairros e regiões onde os demais serviços como ADSL, cabo ou wireless não atendem baseado em custo/beneficio.

A transmissão de dados e o acesso a Internet via rede elétrica não está entrando no mercado brasileiro para competir com as demais tecnologias e sim para somar visando ampliar o número de usuários que poderão ter acesso a rede de banda larga haja vista menos de 5% da população brasileira tem disponível Internet com alta velocidade nas residências.

Neste ano também está sendo implementado o programa nacional, visando ampliar o acesso em banda larga fixa e móvel de todos os cidadãos, inclusive das áreas rurais e remotas, à Internet, bem como ampliar o uso de tecnologias de

H.B.T. Zattar, Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT), Cuiabá,

Mato Grosso, Brasil, zattar@ufmt.br P. H. Correa, Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT), Cuiabá,

Mato Grosso, Brasil, paulohenrique_correa@hotmail.com G. A. Carrijo, Universidade Federal de Uberlândia (UFU), Uberlândia,

Brasil, gilberto@ufu.br

informação e comunicações (TICS) nas áreas de educação e saúde e nos serviços de governo eletrônico. A finalidade é facilitar o uso pela população dos serviços prestados pelo Estado, promover a inclusão social, desenvolver e desconcentrar oportunidades, ampliar a competitividade brasileira, reduzir as desigualdades sociais e regionais, estimular a competição entre as empresas do setor de TICs e aumentar os investimentos, com vistas a criar novas opções de serviços ao consumidor a preços acessíveis e promover a geração de emprego e renda. A tecnologia PLC passa a estar apta a atender todas estas aplicações citadas, pois em agosto de 2009 a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) [1] aprovou a utilização das instalações de distribuição de energia elétrica para a transmissão dos serviços de Internet banda larga-PLC. Em agosto de 2009 a Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL) [2] aprovou a liberação para a comercialização de Internet banda larga via rede elétrica.

A motivação para realizar as medições e avaliação de desempenho do sinal em loco nas casas populares se deve ao fato que num futuro breve muitas residências estarão utilizando PLC para acesso a Internet banda larga. Este artigo visa apresentar os resultados das medições obtidas do sinal PLC com e sem a presença direta de fontes de ruído que ruídos degradam a eficiência da rede. Este trabalho apresenta na seção 2 a tecnologia PLC. Em seguida na seção 3 é mostrada a topologia da rede PLC utilizada para a apresentação dos resultados obtidos. A seção 4 tem por objetivo descrever os resultados obtidos das diversas medições realizadas e a avaliação de desempenho da rede PLC indoor. A seção 5 relata as conclusões obtidas referente ao desempenho da rede PLC.

II. TECNOLOGIA PLC

PLC é uma tecnologia de comunicação pela rede de energia elétrica. O PLC funciona a partir de um equipamento chamado de Master PLC, instalado em um ponto próximo ao transformador de energia elétrica onde o sinal PLC é injetado nos cabos de energia elétrica [3], [4]. Assim, todos os consumidores que estiverem ligados no circuito elétrico deste transformador estarão recebendo o sinal PLC em todas as tomadas da rede local ou da residência. Outro equipamento chamado de modem ou adaptador PLC é instalado em qualquer tomada elétrica na residência do usuário para receber o sinal transmitido pelo Master PLC e disponibilizá-lo para ligar na placa de rede do computador via cabo UTP, no

H. Zattar, P. Corrêa, and G. Carrijo

Analysis, Measurement and Evaluation of Power Line Communication Network Applied

for Popular Houses

O

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telefone ou no vídeo, dependendo do serviço solicitado. A Fig. 1 ilustra o principio de instalação da rede PLC.

Figura 1. Funcionamento do acesso a Internet via rede elétrica.

Como vantagem da tecnologia PLC, pode ser citada a

ampla infra-estrutura elétrica disponível, a facilidade de transmissão ao longo de toda a malha de energia elétrica, transmissão em alta velocidade de dados, vídeo e voz simultaneamente e a grande mobilidade na conexão. Devido à alta velocidade de transmissão, que atualmente é de 200 Mbps, podendo num futuro breve graças as pesquisas alcançar 1 Gbps. Esta tecnologia tem capacidade de fornecer uma ampla gama de serviços como Internet em banda larga, voz sobre IP, vídeo Conferência, vídeo segurança, telemedicina, educação à distancia, automação residencial e comercial, gerenciamento do fornecimento de energia e água.

Como qualquer tecnologia, a rede PLC apresenta problemas que devem ser superados mediante realizações de pesquisas com relação a incidência de alto nível de ruído, atenuação nos cabos, desvanecimento seletivo, atrasos, múltiplos caminhos, compatibilidade eletromagnética e outros [5], [6]](FERREIRA;GROVE, 1996; PHILIPPS, 1998). O efeito do ruído é o problema mais significante para a transmissão de dados numa rede PLC conforme será demonstrado na seção 4.

III. TOPOLOGIA DA REDE PLC

De modo a avaliar o desempenho da rede PLC nas 3 casas populares avaliadas num mesmo bairro, utilizou-se uma rede local conforme ilustrado na Fig. 2(a) sem a utilização de filtro. A Fig. 2(b) representa a instalação da rede PLC utilizando o filtro PLC que bloqueia os ruídos externos provenientes de eletrodomésticos para dentro da rede PLC.

Figura2. Topologia da rede PLC: (a) sem filtro (b) com filtro.

Para a analise do desempenho da rede PLC foi utilizado 2 computadores configurado com 2.6 GHz e memória de 2 GB de RAM. A distância utilizada entre os adaptadores PLC foi de aproximadamente 4 m. A distância entre cada computador e o adaptador PLC foi de 2 m. Todos os equipamentos estão ligados na rede elétrica de 127 V AC 60 Hz. O tamanho da janela TCP (CWND) utilizada foi de 512 KB. Os computadores utilizaram o sistema operacional Windows 7. Os adaptadores PLC possuem interface fast ethernet 100 Mbps, taxa de transmissão de 200 Mbps a distância máxima de 300 m, faixa de operação de 2 MHz até 34 MHz e de operação entre 13.3 MHz até 33.3 MHz, modulação OFDM, arquitetura TCP/IP. Todas as medições foram realizadas com a temperatura ambiente variando de 34º C até 40º C e com umidade relativa do ar menor que 20%.

Para realizar as medidas de desempenho na rede PLC foram utilizados três arquivos do tipo FTP (File Transfer Protocol) de 3 GB cada. Os três arquivos foram utilizados para transmissão simultânea de um computador para o outro. Para medir a eficiência da rede PLC foram utilizados dois softwares analisadores de rede simultaneamente. O primeiro software é o analisador de rede da Agilent [7] (AGILENT 2008) e o segundo analisador é o Commtraffic [8] (TAMOS, 2008). O motivo da utilização de dois analisadores simultaneamente foi garantir que a resposta das medidas efetuadas estivessem corretas durante a transferência dos arquivos e também para validar os analisadores.

As casas populares são de 36 m2 possuindo sala e cozinha conjugada, 2 quartos e banheiro. As casas estão situadas num bairro da periferia localizado a 25 Km do centro da cidade. A rede elétrica é bifásica sendo que uma das fases é exclusiva para o ponto de chuveiro e de ar condicionado. A Fig. 3 apresenta a instalação elétrica da casa.

Figura 3. Instalação elétrica da casa popular.

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IV. ANÁLISE, MEDIÇÕES E AVALIAÇÃO DA REDE

PLC

Esta seção tem por objetivo realizar análises das medições efetuadas na rede PLC indoor e avaliar o desempenho obtido nas casas populares.

A primeira análise foi baseada na configuração da Fig. 2(a) para avaliação do desempenho da rede PLC considerando a transmissão de dados sem a utilização de filtros e apenas com a geladeira ligada nas casas. O resultado obtido é mostrado na Fig. 4. Pela observação da Fig. 4 constata-se que a eficiência média da rede PLC foi de 65% durante 10 minutos de medição e os resultados obtidos foram bastante semelhantes nas 3 casas populares avaliadas.

Figura 4. Eficiência da rede PLC na transmissão de dados sem filtro.

A segunda análise foi realizada com a transmissão de dados utilizando filtro PLC sem a presença direta de ruído na rede PLC baseado na configuração da Fig. 2(b) e o resultado obtido mostrado na Fig. 5.

Figura 5. Eficiência da rede PLC na transmissão de dados com a presença de filtro.

O filtro PLC tem a função de bloquear os ruídos na rede elétrica sem alterar as características de freqüência do sinal de entrada atuando na faixa de freqüência de 100 KHz até 100 MHz, com nível de atenuação de ruído acima de 50 dB. Pela análise da Fig. 5 verifica-se que a eficiência média na rede PLC foi de aproximadamente 75%.

A terceira avaliação baseado na configuração da Fig. 2(b) foi feita aplicando sinal de ruído proveniente de diversos eletrodomésticos como barbeador, secador de cabelo, liquidificador, lâmpada halogena, dimmer com lâmpada, fonte chaveada e televisão em conjunto com ventilador. O resultado obtido da comparação do desempenho da rede PLC em função do ruído provocado por cada eletrodoméstico é mostrado na Fig. 6.

Figura 6. Eficiência da rede PLC na transmissão de dados com a presença de ruído.

Analisando o gráfico da Fig. 6 é possível verificar que a TV em conjunto com o ventilador pouco prejudica o desempenho da rede PLC obtendo a eficiência média aproximada de 78%. Em segundo lugar ficou a lâmpada halógena que proporcionou uma eficiência de 75% para a rede PLC. Em seguida ficou a batedeira com eficiência média de 70%. O dimmer e secador atuando na rede PLC causaram uma eficiência média de 50%. Os piores resultados foram obtidos pelos ruídos produzidos pelo barbeador, fonte chaveada e pelo liquidificador que causaram uma queda na eficiência na rede PLC para valores inferiores a 30%. Dando sequência a avaliação da rede PLC foi realizada a medição da qualidade da energia elétrica nas casas populares medindo diretamente no padrão de energia elétrica. Para a condição onde apenas a geladeira estava ligada na casa

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a forma de onda de corrente obtida é mostrada na Fig. 7 enquanto a curva de tensão esta ilustrada na Fig. 8.

Figura 7. Forma de onda de corrente.

Figura 8. Forma de onda de tensão.

Pode-se ver pela Fig. 8 que a tensão na rede elétrica está limpa sem distorções alcançando uma tensão de pico aproximada de 178 V que corresponde a aproximadamente 126 Vef, freqüência de 60 Hz e desse modo favorece a transmissão de dados numa rede PLC indoor.

As medidas na rede PLC foram realizadas diretamente no mesmo ponto da tomada de tensão do lado do receptor utilizando um acoplador capacitivo que atua na faixa de 1 MHz até 40 MHz, 100 a 400 V, 0,1 A para interligar aos instrumentos de medição de modo a deixar passar apenas o sinal PLC e os ruídos em alta frequência.

Os equipamentos utilizados foram um osciloscópio de 60 MHz modelo DSO3062A da marca Agilent, um analisador de espectro modelo NS30A da marca lig nex e um analisador de sinais vetoriais em tempo real modelo FS-K96 marca Rohde & Schwarz. A Fig. 9 apresenta o mecanismo utilizado para a realização das medições no domínio do tempo e no domínio da frequência.

A avaliação da qualidade da transmissão de sinais é realizada a partir dos valores obtidos de modo direto nas medições, com a análise da perda de desempenho e decaimento da taxa de transmissão e em função do tipo de equipamento que provoca o ruído na rede PLC. Para uma rede

PLC uma transmissão com potência até 50 dBm é bastante satisfatório.

S

Transmissor

CANAL PLCH(t) H(f) N

R

Analisador de Espectro(Dominio da Frequência)

Osciloscópio(Dominio do Tempo)

Receptor

S(t) r(t)

Ruídon(t)

Figura 9. Mecanismo de medição do sinal PLC.

A seguir são apresentados os resultados da medida realizada sem transmissão de dados entre os 2 computadores que fazem parte da rede, com filtro PLC e sem a presença de qualquer tipo de ruído atuando na rede PLC. A Fig. 10 ilustra a medida realizada com o osciloscópio digital enquanto a Fig. 11 mediu a potência do sinal em dBm com o analisador de sinais vetoriais fazendo leitura do espectro em tempo real. A tensão máxima de pico do sinal PLC obtida foi de 0,72 V.

Figura 10. Sinal PLC sem transmissão e sem ruído medido com osciloscópio.

Figura 11. Sinal PLC sem transmissão e sem ruído medido com analisador.

1286 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 10, NO. 1, JAN. 2012

Pela visualização da Fig. 11 facilmente observa-se o espectro do sinal vaiando de 1,5 MHz até próximo de 40 MHz com uma potência em torno de 0 dBm o que corresponde a potência de 1 mW que é a de operação do adaptador PLC. As Figs. 12 e 13 apresentam os resultados obtidos das medições do sinal realizadas respectivamente pelo osciloscópio e pelo analisador de sinais vetoriais durante uma transmissão de dados utilizando o filtro PLC e sem a presença de ruídos.

Figura 12. Sinal PLC com transmissão de dados, com filtro e sem ruído medido com osciloscópio. A tensão de pico máxima medida foi de 0,94 V que é superior ao valor obtido do sinal PLC sem a transmissão de dados. A potência medida ficou em 0 dBm.

Figura 13. Sinal PLC com transmissão de dados, com filtro e sem ruído medido com analisador. Baseado na pesquisa realizada, as Figs. 14, 15 e 16 são apresentados os resultados das medições do sinal PLC durante a transmissão de dados com a utilização de filtro e com ruído proveniente do liquidificador que produziu o menor desempenho para a rede PLC entre todos os eletrodomésticos avaliados. A tensão máxima de pico do sinal PLC obtida foi de 0,84 V, potência medida do sinal foi de aproximadamente – 20 dB e a corrente máxima alcançou quase 6A.

Figura 14. Sinal PLC com transmissão de dados, com filtro e com ruído proveniente do liquidificador medido com osciloscópio.

Figura 15. Sinal PLC com transmissão de dados, com filtro e com ruído proveniente do liquidificador medido com analisador.

Figura 16. Forma de onda de corrente com atuação do liquidificador.

Outro estudo realizado foi a avaliação do canal PLC indoor por meio da função de transferência considerando 1 ramificação na rede PLC conforme mostrado na Fig. 17.

ZATTAR et al.: ANALYSIS, MEASUREMENT AND EVALUATION 1287

Figura 17. Rede PLC indoor.

Para esta condição ZL = Zc = 50 Ω, L’ = 6.10-7 H e C’ = 8.10-11 F, o fator de atenuação k = 0.75, a0 = 3.11. 10-4 m-1 e a1 = 1.76. 10-8 S/m. A avaliação da rede PLC indoor consistiu em verificar o que ocorre com a função de transferência em função do aumento da distância entre o transmissor e o receptor considerando o equipamento máster PLC instalado ao lado de um transformador na rua. A distância do ponto da ramificação foi de 5 m. O resultado apresentado na Fig. 18 foi realizado através de simulação no Matlab.

Figura 18. Função de transferência da rede PLC.

V. CONCLUSÃO

Diante do exposto, conclui-se que com a utilização de filtros PLC a tecnologia PLC pode ser aplicada nas casas populares levando sinal de Internet sendo assim mais uma opção para atender o plano de inclusão social onde o Governo planeja fornecer serviço de banda larga a baixo custo para comunidades de baixa renda social localizadas em bairros onde as demais tecnologias ainda não estão com atendimento disponível. As medições foram realizadas num bairro novo com casas novas entregues a população com menos de 30 dias. A rede elétrica é toda nova e a instalação elétrica das casas foi realizada de modo correto. O motivo da necessidade do uso de filtros se justifica porque os eletrodomésticos que possuem motores em escova são bastante prejudiciais para a comunicação PLC, pelo fato de gerarem interferências eletromagnéticas na faixa de operação da transmissão de dados na rede PLC na qual foi constatado com as medições

realizadas com o osciloscópio e com o analisador de sinais vetoriais.

REFERÊNCIAS [1] ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, Resolução número

375, 25 de agosto de 2009. [2] ANATEL – Agência Nacional de Telecomunicações, Resolução número

527, 8 de abril 2009. [3] FERREIRA, H. C., GROVÉ H. M., et al, Power Line Communications:

an overview, Department of Electrical and Electronic Engineering, Rand Afrikans University, South África and Institut fur Experimentelle Mathemstik, University GHS Essen, Germany. IEEE 1996.

[4] DOSTERT, K., Powerline Communications, Prentice Hall, 2001. [5] TRULL, B., An Overview of Broadband Over Power Line (BPL), Rivier

College on-line Academic Journal, volume 2, numver1, springer 2006. [6] PHILIPPS, H., Performance measurements of power line channels at

high Frequencies, International Symposium on Power Line Communications and its Applications. 1998.

[7] Agilent Analyzer Fast Ethernet Network. Disponivel em www.agilent.com,. 2008.

[8] COMMTRAFFIC version 3.1. Disponivel em www.tamos.com. 2008. [9] A. L. P. d. S. Campos, L. M. de Araújo, R. C. d. O. Moreira,

"Peformance Analyses of Computer Network That Uses The Homeplug 1.0 Standard", IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, Vol. 5, No. 5, pp. 360-366, Sept. 2007

[10] A. B. Vallejo-Mora, F. J. Cañete, J. A. Cortés, J. J. Sanchez-Martinez, L. Diez, "Analysis of In-vehicle Power Line Channel Response", IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, Vol. 9, No. 4, pp. 445-450, July 2011.

Haroldo Benedito Tadeu Zattar, é graduado em engenharia elétrica pela Universidade Gama Filho (UGF- RJ), Brasil. Recebeu o título de mestre e de doutor pela Universidade Federal de Uberlândia (UFU- MG), Brasil em 2001 e 2011, respectivamente. Atualmente é professor de

engenharia elétrica na Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT), Brasil. Área de pesquisa em Redes de computadores.

Gilberto Arantes Carrijo, é graduado em engenharia elétrica pela Universidade de Brasília (UnB), Brasil. Recebeu o título de mestre e doutor pelo Instituto Tecnológico da Aeronáutica (ITA), Brasil, em 1976 e 1983, respectivamente. Pósdoutorado pela University of Western Australia em 1990. Atualmente é professor de engenharia elétrica na Universidade Federal de Uberlândia (UFU),

Brasil. Suas áreas de pesquisas são em processamento digital de sinais, processamento digital de imagens, propagação e comunicações móveis.

Paulo Henrique Correa de Morais, é estudante do terceiro ano do curso de graduação em engenharia elétrica na Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT). Atualmente é bolsista do PET (Programa de Educação Tutorial) e participante de trabalho de pesquisa no laboratório de Sistemas de Comunicações do curso de

engenharia elétrica da UFMT.

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