Monday, 20 August 2018
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EQUIPAMIENTO TECNOLÓGICO - Redes
Written by Tomás Simal   
Monday, 22 October 2012 09:45
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MONOGRÁFICO: PLC en entornos escolares
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Limitaciones y problemas

La comunicación por el par de cables del suministro eléctrico es posible, ya que en definitiva se trata de un conductor orientado a la transmisión de señales eléctricas. Sin embargo, originalmente fue diseñado para la transmisión de suministro eléctrico en corriente alterna, esto es, altos voltajes y frecuencias bajas (50 Hz en Europa y 60 Hz en Estados Unidos). Esto provoca que no se puedan transmitir señales de muy alta frecuencia por ellos con garantías de calidad, lo que limita severamente la velocidad de transmisión.

Metáfora de conectar

Imagen cortesía de Salvatore Vuono / FreeDigitalPhotos.net

Por otro lado, el cableado de suministro eléctrico no tiene en consideración la aparición de diferentes interferencias. Para un sistema a él conectado, no le es relevante la presencia de inferencias que pueda modificar ligeramente al forma, amplitud o frecuencia de la señal, siempre que no sean tan elevadas que puedan provocar averías como el sobrecalentamiento o quema del sistema o fuente de alimentación, pues estar variaciones serán filtradas por los diversos componentes electrónicos del equipo y típicamente por la etapa transformadora / rectificadora de la fuente de alimentación. Es por ello que no se ha considerado en su tendido la necesidad de un trazado, trenzado o blindaje que aislé o amortigüe las interferencias externas, ni una metodología de empalmes que no provoquen ruido o atenuaciones, ni normativa orientada a los equipos enchufados a dicha red para que no inyecten perturbaciones.

Son estas dos características de las líneas de suministro eléctrico, lo que condiciona el funcionamiento de los sistemas PLC, Puesto que para alcanzar altas velocidades es necesaria la transmisión a frecuencias mayores de aquellas para las que fue pensado el cableado. Conjuntamente se utilizan complejos sistemas de modulación de la señal para alcanzar cada vez mayores velocidades. Sin embargo estas modulaciones hacen la señal más sensible a interferencias lo cual puede afectar negativamente en entornos muy hostiles.

En general existen unos cuantos puntos a tener en cuenta que se detallarán en los apartados siguientes.

Colisiones y medio compartido

Los PLC operan sobre un medio compartido. En el cable se permite tanto la transmisión como la recepción de información, pero todos los PLC conectados han de competir por el acceso al medio cuando tengan información a transmitir.

La primera consecuencia de esto es que la velocidad ofrecida por el sistema no es aplicable a cada usuario, si no al total de información transmitida por ellos. Así pues, si tenemos un sistema HomePlug AV, que sin extensiones propietarias ofrece 200 Mb/s, tendríamos disponible para los usuarios disponibles 100 Mb/s aproximadamente (típicamente un máximo de 80 Mb/s y una media de 40 – 45 Mb/s ). Este ancho de banda deberá ser repartido entre todos ellos. Dicho reparto no se realiza de forma equitativa, si no que aquel terminal que desea transmitir esperara a que el medio este libre y pueda hacerlo, pudiendo utilizar todo el ancho de banda si no hubiera otro equipo que transmitiera.

La segunda consecuencia es que resulta necesario implementar un método de arbitraje en el acceso al medio. Los sistemas PLC utilizan el mismo medio que las redes WiFi: CSMA/CA. El mecanismo definido en el CSMA/CA es una adaptación del CSMA/CD utilizado en las redes Ethernet, pero modificado para tener en cuenta la limitación de las comunicaciones cableado de distribución eléctrica, según la cual una estación transmitiendo no puede detectar una colisión con otra transmisión simultánea. El algoritmo dicta que un equipo que desea transmitir, antes de hacerlo ha de escuchar para comprobar si ya existe otra estación enviando datos. En caso de no ser así podrá transmitir, pero si ya hubiera algún equipo transmitiendo deberá esperar un tiempo aleatorio y transcurrido este, volver a comprobar si el medio está ocupado por otra transmisión. Este algoritmo presenta varios problemas. Uno es que existe la posibilidad de que dos o más equipos comprueben a la vez si se está transmitiendo y al detectar que el canal esta libre, empiecen a emitir de forma simultánea. Este problema deberá ser solucionado por protocolos superiores como TCP que se encargarán de detectar pérdidas de información y pedir la retransmisión de esta. Así mismo, al ser el tiempo de espera, cuando se detecta el canal ocupado, tomado de forma aleatoria se consigue paliar en parte el problema de la concurrencia de equipos al comprobar el uso del canal.

Viendo cómo funciona el protocolo CSMA/CA, vemos que el rendimiento de la comunicación decaerá con el número de terminales, pues mayor será la probabilidad de colisiones, y por tanto de esperas para la retransmisión de la información, y también se incrementará en número de colisiones no detectadas.

Por tanto el PLC no es un sistema que escale bien para un número elevado de terminales.

Seguridad

Hay que tener en cuenta que en las redes basadas en PLC la señal se transmite por el tendido eléctrico existente, por lo que en cualquier enchufe se dispone de una toma de red en la que podrán extraerse los datos transmitidos. Así mismo es fácil realizar un empalme en cualquier punto del cableado y obtener por tanto acceso a los datos. Lo más importante es que el acceso a los datos no es detectable ni localizable, por lo que no es posible controlar los accesos no autorizados.

Seguridad en PLC

Es por esta naturaleza del medio de transmisión, por lo que en la norma HomePlug AV se incluyó el cifrado de la información transmitida mediante una codificación AES de 128 bits. Así mismo se instauro un mecanismo de distribución de claves, de forma que esta cambiara dinámicamente y se evita el peligro de que pudiera ser interceptada y conocida por un observador ajeno a la red, pues su validez será efímera.

Velocidad vs. número de flujos

Una de las consecuencias que normalmente sorprenden al usuario es que el rendimiento de una red PLC aumenta con el número de flujos presentes en la comunicación. En un documento publicado por la propia HomePlug Alliance, sobre la versión HomePlug AV2, se expresan los siguientes valores de rendimiento obtenidos en mediciones reales efectuadas en pruebas pilotos en hogares de Estados Unidos:

 

Rendimiento UDP (Mb/s)

Porcentaje de clientes

99%

98%

96%

75%

5%

Max. Físico

1 Flujo

59

67

82

138

493

1256

3 Flujos iguales

90

93

99

141

367

1256

En la tabla se muestra el porcentaje de clientes que reciben al menos el ancho de banda especificado. Para la prueba de tres flujos, se configuro un escenario en el que un punto emite a tres clientes diferentes.

Homeplug OK

Como se puede ver el rendimiento obtenido puede ser muy variable, dependiendo del cableado, ruido, etc. De hecho se observa que sobre una velocidad de nivel físico máxima de 1256 Mb/s, el rendimiento máximo obtenido solo llego a 493 Mb/s para el 5% de los clientes, habiendo algunos que obtuvieron tan solo una velocidad de 59 Mb/s.

También se observa que el aumento del número de flujos mejora el rendimiento del sistema para la mayoría de los clientes. En una situación real lo más normal no es enviar un solo flujo de información, si no que el servidor, o internet estará ofreciendo diversos flujos a los diferentes clientes que así lo estén demandando. Sin embargo en un sistema de distribución de video, si es posible que se produzcan casos de un solo flujo o un número reducido de estos.

Las pruebas aportadas por la alianza ilustran un ejemplo de distribución de video, un solo flujo, de la fuente de video al cliente que lo visualiza, o tres flujos, desde un mismo servidor de video a tres clientes que lo estén visualizando. Hay que ser cauto al evaluar los resultados, puesto que si la red se utiliza para transmisión de datos y no de video, los flujos serán múltiples, con origen no concentrado en un solo punto, y emisión y carga aleatoria. Eso hará que se optimice la carga en cuanto al número de flujos, pero también se produzcan congestiones y colisiones en el acceso simultáneo al medio.

Elementos bloqueantes

En las instalaciones eléctricas existen varios elementos que siempre están presentes, y que en su diseño no se consideró la posibilidad de que por ellos atravesaran datos, si no tan solo el suministro eléctrico. Estos son los margnetotérmicos y los diferenciales.

Los magnetotérmicos son trasparentes a los PLC por lo que podrá efectuarse al comunicación a través de ellos. En cualquier caso su influencia no debería ser mayor que la de añadir una ligera atenuación o ruido dependiendo del estado y calidad de este.

Los diferenciales bloquean la comunicación de los PLC y así se indica en los manuales de éstos equipos. Sin embargo existen pruebas de campo en las que la señal los ha atravesado y han llegado a una vivienda colindante. La señal podría llegar a otras viviendas en caso de que ambos diferenciales compartan fase.

En algunos casos podría ser deseado que la señal atravesara los diferenciales, llegando así a puntos remotos, pero en general es un efecto nocivo, pues equipos externos podrían interaccionar con los nuestros, degradando el rendimiento de nuestra red, introduciendo interferencias y posibilitando fugas de información.

No obstante no suele ser el caso y un diferencial en la mayoría de los casos aísla la señal de nuestros PLC del exterior.

Interferencias

La causa más importante de la reducción del rendimiento de las redes basadas en PLC está causada por el ruido presente en la red. La red no está pensada para la transmisión de información, si no para el suministro de potencia eléctrica, función para la que no es necesario tener en cuenta el ruido presente en la instalación.

Dicho ruido tiene dos fuentes principales: la topología y  naturaleza del cableado y los elementos conectados a la red eléctrica.

Ambos elementos pueden introducir perturbaciones en la señal. El primero en forma de pérdidas y reflexiones de señal, y el segundo en forma de perturbaciones de la señal. De ambos el más significativo es el introducido por elementos conectados a la red de suministro eléctrico. Principalmente los transformadores y cargadores de baja calidad, basados en fuentes conmutadas o tiristores de bajo coste, introducen perturbaciones en la línea que pueden tener una gran influencia en la transmisión de datos. El tipo de ruido más importante es el llamado ruido impulsivo, especialmente el referido como REIN ( Repetative Electrical Impulse Noise ), provocado por cargadores de móviles, teléfonos inalámbricos, luces de navidad, etc.

En un entorno con muchos ordenadores y monitores (más de 20), y distintos cargadores/transformadores de móviles y routers ADSL, se ha comprobado experimentalmente que el rendimiento de un PCL puede caer al orden de los Kb/s.



 

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