Latex > Principal 3u465k

Bioqu´ımica.Net - Objeto de Aprendizagem na Disciplina de Bioqu´ımica Ricardo Signoretti

Projeto Final de Gradua¸c˜ao, apresentado ao Curso de Ciˆencia da Computa¸ca˜o do Centro Universit´ario da Grande Dourados, como parte dos requisitos para obten¸ca˜o do t´ıtulo de Bacharel em Ciˆ encia da Computa¸ c˜ ao.

Orientadora: Prof. M.Sc. Solange Tieko Sakaguti

Dourados 2006

Resumo Este trabalho analisa o desempenho da comunica¸c˜ao pela rede de distribui¸c˜ao el´etrica residencial, chamada de PLC (Power Line Communication), `a alta velocidade. A comunica¸c˜ao de dados atrav´es do canal el´etrico tem as vantagens da ubiq¨ uidade e infraestrutura pr´e-existente, por´em enfrenta obst´aculos importantes como a atenua¸c˜ao e o ru´ıdo de harmˆonicos de interferˆencia. O principal padr˜ao desse tipo de rede domiciliar ´e o HomePlug, que define um protocolo baseado no m´etodo de o m´ ultiplo com preven¸c˜ao de colis˜oes o CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). O HomePlug associa ao CSMA/CA uma t´ecnica inovadora, chamada de contador de adiamentos o DC (Deferral Counter)que adapta a conten¸c˜ao dos n´os no o ao meio de acordo com a carga da rede. O objetivo deste trabalho ´e a an´alise de desempenho do padr˜ao HomePlug1.0. Foi realizado experimentos usando-se um ponte Ethernet/HomePlug comercial. A an´alise experimental buscava testar o comportamento de uma transmiss˜ao PLC em um meio ”livre de ru´ıdo”e avaliar de forma comparativa no desempenho das redes domiciliares com a interferˆencia de harmˆonicos.

Palavras chave: Power Line Communication - PLC, harmˆ onicos, CSMA/CA, HomePlug

Lista de Figuras 2.1

Fluxo para avaliar o investimento por Retrofitting . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2

Topologia da rede el´etrica residencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1

Temporiza¸c˜ao do Protocolo X-10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.1

Comunica¸c˜ao usando o protocolo Ethernet e HomePlug . . . . . . . . . . . 32

4.2

O formato de quadro Ethernet se mant´em o mesmo para o HomePlug . . . 32

4.3

Divis˜ao de canais segundo FDM e OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.4

Formato do quadro f´ısico (PPDU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.5

Formato de quadro HomePlug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.6

L´ogica de transmiss˜ao do HomePlug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.1

Arquitetura de um Sniffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.2

Esquema do Posicionamento do Sniffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Lista de Tabelas 1.1

Cronograma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1

Modelo de Referˆencia OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.1

Classes de Prioridade (CAP - Channel Access Priorities) . . . . . . . . . . 37

4.2

Valores de CW e DC para cada CAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5.1

Tabela de Roteiros Experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Lista de Siglas

ACK

Acknowledgement

ADSL

Asymetrical Digital Subscriber Line

AGC

Automatic Gain Control

AM

Amplitude Modulation

ANATEL

Agˆencia Nacional de Telecomunica¸c˜ ao

ANI

Adaptive Networks Inc.

BPSK

Binary Phase Shift Keying

CAP

Channel Access Priorities

CRC

Cyclic Redundancy Check

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

CSMA/CDCR

CSMA with Colision Detection and Colision Resolution

CW

Contention Window

DBPSK

Differencial Binary Phase Shift Keying

DC

Deferral Counter

DCF

Dual Carrier Frequency

DQPSK

Differencial Quadrature Phase Shift Keying

DSL

Digital Subscriber Line

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum

DVD

Disc Video Digital

EFG

Endof-Frame Gap

EIA

Eletronic Industry Association

FCC

Federal Communications Commission

FCS

Frame Check Sequence

FDDI

Fiber Distributed Data Interface

FDM

Frequency Division Multiple

FSK

Frequency Shift Keying

FTP

File Transfer Protocol

GMSK

Gaussian Minimum Shift Keying

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP

Internet Protocol

ISO

International Organization for Standardization

LAN

Local Area Network

LON

Local Operating Network

MAC

Media Access Control

NACK

Negative ACK

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OSI

Open Systems Interconnection

PCS

Physical Carrier Sense

PCS

Physical Carrier Sense

PCS

Physical Carrier Sense

PHY

Physical

PLC

Power Line Communication

PPDU

Physical Protocol Data Unit

PR

Priority Resolution

PRS

Priority Resolution Signal

PRS

Priority Resolution Signal

PSK

Phase Shift Keying

QoS

Quality of Service

RF

R´adio Frequˆencia

ROBO

Robust OFDM

S

Simple Control Protocol

SS

Spread Spectrum

TM

Tone Maps

TMI

Tone Maps Index

TV

Televis˜ao

UPnP

Universal Plug and Play

VCS

Virtual Carrier Sense

VLAN

Virtula Local Area Network

WLAN

Wireless Local Area Network

v

Conte´ udo

1 Introdu¸c˜ ao

9

1.1

Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2

Justificativa e Motiva¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3

Materiais e M´etodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4

Cronograma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.5

Organiza¸c˜ao do Texto

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2 Fundamenta¸c˜ ao Te´ orica

14

2.1

Considera¸c˜oes Iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2

Redes de Computadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3

Modelo de Referˆencia OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4

Always On . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.5

Retrofitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.6

Redes Domiciliares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.7

Redes Domiciliares atrav´es da Rede El´etrica . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.8

Considera¸c˜oes Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3 Tecnologias PLC Existentes

24

3.1

Considera¸c˜oes Iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2

X-10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.3

LONworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.4

CEBus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.5

Adaptive Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.6

HomePlug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.7

Os Competidores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.8

Considera¸c˜oes Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4 Protocolo HomePlug 1.0

31

4.1

Considera¸c˜oes Iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.2

Protocolos de Camada F´ısica (PHY) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.3

4.4

4.2.1

Sinaliza¸c˜ao e Processamento de Sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.2.2

Quadro f´ısico e endere¸camento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Controle de o ao meio (MAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.3.1

L´ogica de o ao Meio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.3.2

Contador de Aditamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Considera¸c˜oes Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5 Roteiro Experimental

42

5.1

Considera¸c˜oes Iniciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.2

Planejamento dos experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 5.2.1

Considera¸c˜oes sobre os Experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.2.1.1

Tamanho das Mensagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.2.1.2

Ru´ıdos Presentes em Redes El´etricas Domiciliares . . . . . 43

5.2.1.3

Distˆancia m´axima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.2.1.4

Conectividade em Redes Distintas . . . . . . . . . . . . . 44

5.2.2

Local de Teste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.2.3

Ambienta¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.2.4

Sele¸c˜ao de Ferramenta (Sniffer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.2.5

Roteiros para Avalia¸c˜ao de Desempenho em Rede PLC in Home . . 47

vii

5.3

Considera¸c˜oes Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Referˆ encias Bibliogr´ aficas

48

viii

1

Introdu¸c˜ ao

A tecnologia de transmiss˜ao de dados, que permite transporte de sinais por onda portadora de dados em redes de distribui¸c˜ao de energia, ´e conhecida como Power Line Communication (PLC). A tecnologia viabiliza o conceito de retrofitting, basicamente a adapta¸c˜ao de algo previamente existente, j´a que utiliza a malha el´etrica existente como meio de transporte de dados, permitindo a implanta¸c˜ao de uma rede de dados completa sem a quebra de paredes para a instala¸c˜ao de cabeamento dedicado. A PLC transforma a rede el´etrica dom´estica em uma verdadeira rede local (LAN-Local Area Network), convertendo cada tomada de energia em pontos de rede. A topologia usada ser´a a mesma usada para a distribui¸c˜ao el´etrica, portanto pode ser tida como a combina¸c˜ao de estrela, ´arvore, barramento e multiponto. Devido `a natureza da rede el´etrica residencial, que n˜ao foi concebida para transmitir dados e sim otimizada para transmiss˜ao el´etrica em freq¨ uˆencias t´ıpicas de 50 ou 60 Hz, n˜ao tendo seus fios de cobre blindados e nem tran¸cados, nestas redes o meio f´ısico ´e compartilhado com todos os aparelhos eletro-eletrˆonicos da casa aumentando assim a emiss˜ao de sinais de alta freq¨ uˆencia. Deste modo, as redes PLC encontram um meio f´ısico mais hostil do que outras tecnologias de rede. As caracter´ısticas f´ısicas dos condutores, equipamentos conectados, distˆancia entre os pontos de o, descontinuidade de impedˆancia, ondas de r´adio freq¨ uˆencia ou at´e mesmo uma simples tomada sem utiliza¸c˜ao, causa reflex˜ao. Por´em, mesmo com estas dificuldades que as t´ecnicas do PLC trabalham hoje, j´a s˜ao poss´ıveis altas taxas de transmiss˜ao de dados, algo em torno de 14Mbps para redes locais. Para atingir tais taxas, o protocolo HomePlug emprega t´ecnicas de modula¸c˜ao, de codifica¸c˜ao e de processamento de sinais capazes de superar as adversidades do canal. T´opicos importantes foram estudados para melhorar o desempenho do PLC, tais como: uso de v´arias portadoras no processo de transmiss˜ao (SS, DSSS), m´etodos de modula¸c˜ao (DQPSK, DBPSK, OFDM e ROBO) e controle de o ao meio.

10

Esse trabalho apresenta as caracter´ısticas de funcionamento dessa tecnologia e tamb´em os resultados de alguns roteiros experimentais onde demonstraremos o seu funcionamento em condi¸c˜oes normais em ambientes “livre de ru´ıdos”, para assim levantarmos dados sobre a utiliza¸c˜ao do canal de comunica¸c˜ao. Tamb´em ´e importante observar o meio de transmiss˜ao, transformando o em um meio hostil para a transmiss˜ao de dados. Introduziremos ru´ıdos, os quais s˜ao ricos em harmˆonicos 1 , no canal, tendo como objetivo observar o comportamento do protocolo nessas situa¸c˜oes.

1.1

Objetivos O objetivo desse trabalho ´e apresentar as caracter´ısticas de funcionamento do

protocolo HomePlug 1.0 utilizado em transmiss˜oes de dados em redes el´etricas. O trabalho tamb´em visa demonstrar a capacidade do protocolo em transmitir dados em ambientes livres de ru´ıdos harmˆonicos e perante a ambientes com interferˆencia de harmˆonicos, geradas pelos ru´ıdos de arcos voltaicos 2 , provenientes de atrito das escovas com o rotor dos motores el´etrico e osciladores mal blindados em aparelhos el´etricos. Para atrav´es desses resultados, comparar o desempenho dessa mesma rede PLC “livre de ru´ıdos”, e assim mensurar os danos causados pela interferˆencia durante a transmiss˜ao de dados na rede el´etrica dom´estica.

1.2

Justificativa e Motiva¸ c˜ ao ´ motivo para desenvolvimento deste trabalho demonstrar as caracter´ısticas da E

tecnologia PLC, mas sobre tudo difundir o conceito e os desafios, principalmente, de uma tecnologia de redes pouco conhecida e estudada no meio acadˆemico brasileiro. Tendo em mente que esses estudos e esclarecimentos podem vir a ajudar nas aplica¸c˜oes sociais desta tecnologia que promete aplica¸c˜oes sofisticadas, disponibilizadas por apenas uma simples tomada el´etrica e sem quebra de paredes ou implanta¸c˜ao de cabeamento dedicado. 1

Harmˆonico - Cada uma das ondas m´ ultiplas da freq¨ uˆencia fundamental, diz-se de um fenˆomeno a que se associa uma express˜ ao anal´ıtica que envolve uma fun¸c˜ao harmˆonica do tempo. 2 Arco Voltaico - Diz-se de fenˆ omeno em que ocorrem manifesta¸c˜oes provocadas por diferen¸ca de potencial el´etrico entre dois eletrodos met´alicos.

11

1.3

Materiais e M´ etodos Para o desenvolvimento deste trabalho ser´a necess´ario buscar conhecimento so-

bre as tecnologias j´a existentes no setor, e informa¸c˜ao sobre quais os pontos em que seria melhor investir. Optou-se por um roteiro experimental com pontes que usam o protocolo Ethernet e o HomePlug 1.0, que s˜ao fabricadas pela GigaFast, as quais proporcionam a melhor rela¸c˜ao custo/benef´ıcio existentes no mercado nacional. Para este prop´osito ser´a montado um pequeno laborat´orio, nas dependˆencias da UNIGRAN, com os equipamentos e materiais, tais como computadores, pontes Ethernet/HomePlug, fio, soquetes de lˆampadas, lˆampadas, tomadas el´etricas e equipamentos eletro-eletrˆonicos. A metodologia adotada ser´a a de realizar ciclos de desenvolvimento, primeiro ser´a projetado uma malha el´etrica experimental, onde constar˜ao tomadas e soquetes de lˆampadas, depois haver´a a implementa¸c˜ao e finalmente a experimenta¸c˜ao ser´a feita.

1.4

Cronograma A tabela 1.1 descreve o cronograma de execu¸c˜ao do trabalho de conclus˜ao de

curso aqui est´a relatado.

12

Tabela 1.1: Cronograma

13

1.5

Organiza¸c˜ ao do Texto Este trabalho est´a estruturado em quatro cap´ıtulos, onde: O cap´ıtulo 1 apresenta na introdu¸c˜ao uma vis˜ao geral sobre o assunto que ser´a

tratado neste trabalho e sua importˆancia para a ´area. O cap´ıtulo 2 apresenta um embasamento de conceitos relacionados ao assunto PLC. O cap´ıtulo 3 apresenta os padr˜oes da tecnologia PLC. O cap´ıtulo 4 aborda o protocolo HomePlug 1.0, o qual foi escolhido para os experimentos, por ser o padr˜ao comercial atual. O cap´ıtulo 5 exp˜oe caracter´ısticas que ser˜ao levadas em conta nos roteiros experimentais.

2

Fundamenta¸ c˜ ao Te´ orica

2.1

Considera¸c˜ oes Iniciais Este cap´ıtulo tr´as uma introdu¸c˜ao a tecnologia de transmiss˜ao de dados pela

rede el´etrica e alguns conceitos relacionados. Ele se inicia com conceitos de redes de telecomunica¸c˜ao, depois apresenta o modelo de referˆencia ISO/OSI, demonstra conceitos de Always On e Retrofitting, exp˜oe sobre a ´area da tecnologia PLC, as redes domiciliares e para concluir o cap´ıtulo as redes domiciliares pela fia¸c˜ao el´etrica.

2.2

Redes de Computadores Conjunto de computadores, terminais e demais equipamentos perif´ericos, inter-

conectados por linhas de comunica¸c˜ao. As redes devem conter um padr˜ao para que seus componentes comuniquem se de forma adequada. Cada padr˜ao pode fazer uso de uma ou mais topologias, tipos de cabos e esta¸c˜oes (componentes) diferentes uma das outras. Andrew S. Tanenbaum, em seu livro “Rede de Computadores”, define rede de computadores como sendo um conjunto de computadores ou equipamentos autˆonomos interconectados que possam trocar informa¸c˜oes (TANENBAUM, 1997, p.3). O autor deixa subentendido que esta¸c˜oes autˆonomas s˜ao aquelas que n˜ao se enquadram no sistema mestre/escravo. A primeira rede baseada em pacotes foi proposta em 1960 por Norman Abranson e denominada rede ALOHA 1 . Esta rede tinha como objetivo interconectar computadores localizados em diferentes ilhas do Hava´ı. Precisou-se criar um m´etodo de o m´ ultiplo ao meio f´ısico adaptado `as caracter´ısticas espec´ıficas de tr´afegos de dados gerados pelos computadores. O m´etodo de o proposto foi o mais simples que se pode imaginar, pois uma esta¸c˜ao deve transmitir se assim desejar. Caso duas ou mais esta¸c˜oes transmitam ao mesmo tempo h´a uma colis˜ao de pacotes e as esta¸c˜oes devem retransmiti-los depois 1

ALOHA - Primeira rede de computadores baseada em pacotes, a comunica¸c˜ao era feita atrav´es de um computador central.

15

de realizarem temporiza¸c˜oes aleat´orias. Embora extremamente simples e pr´atico, a rede ALOHA apresentou uma eficiˆencia baixa. Bob Metcalfe e David Boggs da Xerox propam, em 1972, uma rede local que se destina `a interconex˜ao de computadores, denominada rede Ethernet. A IBM, tamb´em nesta mesma ´epoca, propˆos uma rede em anel para a mesma finalidade. Diversas outras propostas de redes locais eram testadas em empresas e universidades. J´a nesta ´epoca, ficava evidente o grande potencial das redes locais. Diante deste cen´ario, o IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) criou o Projeto 802 que tem como objetivo a padroniza¸c˜ao das redes locais e metropolitanas. A arquitetura do modelo de referˆencia do Projeto IEEE 802 ´e baseada no modelo OSI (Open Systems Interconnection) da ISO (International Organization for Standardization), onde apenas as duas camadas mais baixas s˜ao de interesse: a camada f´ısica e a camada enlace.

2.3

Modelo de Referˆ encia OSI O modelo OSI proposto pela ISO n˜ao ´e uma arquitetura de rede, pois n˜ao espe-

cifica os servi¸cos e os protocolos que devem ser usados em cada camada, e sim informa o que cada uma deve ser respons´avel Tanenbaum (1997). O modelo OSI descreve sete camadas, onde cada nova camada ´e criada quando h´a necessidade de outra camada de abstra¸c˜ao. As camadas referenciadas devem executar fun¸c˜oes bem definidas. Este modelo deve ser tido como base das arquiteturas j´a existentes e para o desenvolvimento de novas arquiteturas de redes, sendo que nem sempre todas as camadas que o modelo prop˜oe s˜ao implementas. Em seguida, uma breve descri¸ca˜o das camadas embasado na literatura de Tanenbaum (1997) e Stallings (2005), come¸cando pela camada inferior: • Camada F´ısica Esta camada provˆe a interface com os meios mecˆanicos, el´etricos, funcionais e os procedimentos necess´arios para se ativar, manter e desativar conex˜oes f´ısicas que s˜ao usadas para transmitir bits entre entidades de enlace. Tamb´em controla o tipo de pino que precisar´a e como ser˜ao utilizados. A camada f´ısica ´e interconectada a outra camada f´ısica atrav´es de um meio f´ısico para que haja a comunica¸c˜ao, seja ele, met´alico, de fibra ou eletromagn´etico. • Camada de Enlace

16

Esta camada disp˜oe de fun¸c˜oes e procedimentos necess´arios para transformar um canal de transmiss˜ao em uma linha livre de erros, assim estabelecendo, mantendo e encerrando conex˜oes de enlace entre entidades de rede. Esta camada ainda possibilita a corre¸c˜ao de erros n˜ao detectados na camada de rede. • Camada de Rede Fornece os meios para estabelecer, manter e liberar conex˜oes de rede entre sistemas contendo entidades de aplica¸c˜ao que se comunicam. Esta camada ´e de fundamental importˆancia para os projetos de rede, pois diz respeito ao modo como os pacotes s˜ao roteados. A maneira como tais recursos de rede est˜ao sendo usados para ar uma conex˜ao de rede ´e totalmente transparente `as entidades de transporte. • Camada de Transporte A fun¸c˜ao b´asica desta camada ´e receber dados da camada de sess˜ao, dividi-los em unidades menores em caso de necessidade, ´a-los para a camada de rede, garantir que todas essas unidades cheguem corretamente `a outra extremidade, uma transferˆencia transparente entre as entidades, transporte de forma confi´avel e eficiente. • Camada de Sess˜ao Tem por objetivo fornecer servi¸cos para o estabelecimento de uma conex˜ao de sess˜ao entre duas entidades de apresenta¸c˜ao, al´em daqueles servi¸cos necess´arios `a troca ordenada de dados. Tamb´em ´e respons´avel pela gerencia do tr´afego, tokens 2 e pela sincroniza¸c˜ao. • Camada de Apresenta¸c˜ao Esta camada ´e respons´avel pela ado¸c˜ao de um sistema padronizado de representa¸c˜ao dos dados em alto n´ıvel, compress˜ao e codifica¸c˜ao de dados. • Camada de Aplica¸c˜ao O principal prop´osito ´e o de servir de interface entre os usu´arios e as demais camadas OSI, ´e onde ocorrem todas as trocas de informa¸c˜oes u ´teis ao usu´ario. A tabela 2.1 exemplifica as camadas, servi¸cos e exemplos de utiliza¸c˜ao aplicada do modelo OSI, descrito anteriormente.

2

Tokens - Em computa¸c˜ ao ´e um segmento de texto ou s´ımbolos que podem ser manipulados por um parser, em outras palavras, ´e um conjunto de caracteres (de um alfabeto, por exemplo) com um significado coletivo.

17

Camadas Servi¸ cos Exemplos 7. Aplica¸c˜ao Aplica¸c˜ao do Usu´ario FTP, Web, Browser 6. Apresenta¸c˜ao Encripta¸c˜ao, compress˜ao ASCII, UniCode, jpg 5. Sess˜ao Controle, sincronismo RPC, NetBios 4. Transporte Recupera¸c˜ao de erro T, UDP 3. Rede Roteamento, conex˜ao IP, IPX 2. Enlace Controle de erro de fluxo FDDI, Frame Relay, PPP 1. F´ısica Interface de o ao meio Conector, cabo Tabela 2.1: Modelo de Referˆencia OSI

2.4

Always On Always On ´e uma express˜ao que vem da l´ıngua inglesa para expressar sistemas

conectados indefinidamente `a internet ou a um outro equipamento, um imposto pela nova economia mundial. Caio Bolzani, em seu livro “Residˆencias Inteligentes”, ressalta que “Do que me adianta ter um servi¸co m´ovel de celular funcionando nos grandes centros se na hora de pedir socorro numa estrada devido a um pneu furado, o sistema n˜ao reconhece o meu aparelho em roaming?” (BOLZANI, 2004, p. 5). Com a nova gera¸c˜ao da informa¸c˜ao, tudo deve-se encontrar ligado, disponibilizar o, em qualquer circunstˆancia durante vinte e quatro horas por dia. Os sistemas powerline s˜ao tidos como sistemas always on, por servirem como meio para aplica¸c˜oes remotas de contrlole e seguran¸ca em casas de campo ou de praia que, normalmente, s˜ao utilizadas poucas vezes ao ano.

2.5

Retrofitting Nos u ´ltimos anos as redes sem novos fios vem recebendo uma maior aten¸c˜ao. Ela

tem como id´eia b´asica usar os fios de uma infra-estrutura j´a existente, como os fios de Televis˜ao a cabo, do sistema de telefonia ou da rede el´etrica, conforme j´a mencionado o cap´ıtulo 1. Um projeto de redes pode ser melhor dimensionado e projetado quando previsto na fase inicial de um projeto arquitetˆonico de uma constru¸c˜ao. Pois pode se prever um cabeamento dedicado para a rede local de dados, a LAN. No caso de necessidade de implanta¸c˜ao de uma LAN e com o im´ovel j´a constru´ıdo, h´a a op¸c˜ao da reforma no qual a implanta¸c˜ao de WLAN (Wireless Local Area Network) e um bom planejamento permite que v´arias fun¸c˜oes e servi¸cos sejam disponibilizados com o m´ınimo de problemas poss´ıvel.

18

Em casos mais extremos onde a reforma seria invi´avel, usa-se o conceito de Retrofiting para a escolha de uma tecnologia que possa suprir as necessidades da nova rede a ser implantada, ou seja, aproveitar a estrutura j´a existente no local. Conforme Bolzani (2004), “Retroffiting ´e o ato de introduzir modifica¸c˜oes em algo previamente constru´ıdo, basicamente adapta¸c˜oes de residˆencias para receber um sistema eletrˆonico”. Alguns conceitos de Retroffiting para a implanta¸c˜ao de automa¸c˜ao, redes de computadores e sistema de seguran¸ca: • Levantamento: estudo do local, equipamentos j´a existentes, equipamentos a serem instalados, seguran¸ca necess´aria, condi¸c˜oes de qualidade de servi¸co que devem ser satisfeitas e averigua¸c˜ao se haver´a comunica¸c˜ao entre subsistemas; • Documenta¸c˜ao do novo sistema: plantas f´ısicas e l´ogicas, tecnologias e padr˜oes adotados, diagramas, lista de pontos de o e principalmente a descri¸ca˜o de integra¸c˜ao como sistema antigo. A Figura 2.1 apresenta um fluxo para avaliar a viabilidade de um investimento por Retrofitting ou n˜ao. A maior motiva¸c˜ao para a realiza¸c˜ao de um processo de retrofitting ´e, sem d´ uvida, a redu¸ca˜o de custos. Al´em do baixo investimento comparado `a substitui¸c˜ao completa da infra-estrutura e dos equipamentos instalados, est´a a possibilidade de escalonar este investimento no tempo. Isto significa que os equipamentos n˜ao precisam ser trocados de forma simultˆanea, j´a que h´a a possibilidade de realizar um projeto prevendo a substitui¸c˜ao em etapas, de acordo com um plano de investimentos. O investimento em um projeto de reforma depende do projeto e da tecnologia incorporada, mas o custo final do retrofitting busca sempre ser inferior ao de uma nova rede. N˜ao ´e poss´ıvel determinar o valor exato dessa redu¸c˜ao, pois depende da situa¸c˜ao atual da rede e do que se deseja obter, mas essa redu¸c˜ao de custos pode ficar entre 10% e 30%. Outras vantagens do processo de retrofitting s˜ao o aumento na produtividade dos usu´arios pela redu¸c˜ao dos per´ıodos de inatividade (indisponibilidade) da rede devido a problemas de conex˜oes f´ısicas, falhas no cabeamento e nos componentes ativos, a redu¸c˜ao nos riscos de seguran¸ca, garantia de reposi¸c˜ao mais r´apida de componentes defeituosos, maior integra¸c˜ao na rede, alternativas para novos investimentos, entre outras.

19

Figura 2.1: Fluxo para avaliar o investimento por Retrofitting

20

2.6

Redes Domiciliares No final dos anos 90, o termo Redes Domiciliares (Home Networking) surgiu como

um novo conceito que iria revolucionar a forma de os cidad˜aos interagirem e, consequentemente, alterar significativamente as suas vidas. Definir o conceito de redes domiciliares n˜ao ´e uma tarefa simples. A primeira imagem que se pode imaginar ´e a do desenho animado Fam´ılia Jetsons, com uma s´erie de robˆos e dispositivos acionados por voz. Mas entende-se como sendo uma rede domiciliar, `aquela que provˆe a interliga¸c˜ao entre equipamentos do , como computadores, dispositivos inteligentes, sensores, equipamentos de uma mesma classe (telefˆonica) e gateway 3 residencial, como os cable modem ou router ADSL. A rede domiciliar representa a nova onda de servi¸cos. Muitas empresas do setor de telecomunica¸c˜ao, automa¸c˜ao, el´etrica, computadores e eletrodom´esticos est˜ao se organizando para poderem oferecer os servi¸cos que uma rede residencial necessita (BOLZANI, 2004). As propostas de servi¸cos mais discutidas para permitir um produto final satisfat´orio ao usu´ario tem sido: • Permitir o compartilhamento de rede de o (conex˜ao ADSL, telefone,...); • Permitir a utiliza¸c˜ao de m´ ultiplos equipamentos (computadores, alarme,...); • Implantar o conceito de interface homem-m´aquina de forma usual e simples; • Isolar, com seguran¸ca, o tr´afego interno `a residˆencia da rede de o; • Oferecer e `a integra¸c˜ao de tecnologias e a diferentes aplica¸c˜oes; • Permitir o o aos diferentes provedores de servi¸cos; • O meio deve fornecer uma taxa de transmiss˜ao satisfat´oria, para as diferentes aplica¸c˜oes; • Complexidade de instala¸c˜ao e gest˜ao de um novo equipamento deve ser reduzida ao m´aximo (plug and play). Segundo Velloso et al. (2004), uma defini¸c˜ao um pouco mais geral para rede domiciliar seria de um sistema de comunica¸c˜ao que visa a interconex˜ao de dispositivos 3

Gateway - Qualquer equipamento que tenha o ao exterior por meio de linhas de transmiss˜ao de maior d´ebito, para que n˜ ao constitua um estrangulamento entre a rede exterior e a rede local. E, neste ponto de vista, estar´ a dotado tamb´em de medidas de seguran¸ca contra invas˜oes externas, como a utiliza¸c˜ao de protocolos codificados.

21

encontrados em residˆencias, normalmente s a uma distˆancia de 300 metros, e que tem como objetivo a comunica¸c˜ao, o conforto, a economia de energia, a seguran¸ca, a assistˆencia e o lazer. Portanto, o conceito de rede domiciliar engloba o trabalho domiciliar (home office), o lazer (TV, DVD, aparelhagem de som, home theatre e a comunica¸c˜ao (telefone, interfone etc.), assim como a tradicional automa¸c˜ao residencial. ´ importante ressaltar que a tecnologia de redes domiciliares est´a diretamente E ligada ao consumidor final e tem como objetivo criar uma plataforma de comunica¸c˜ao que permita ao ser humano melhorar a sua capacidade de trabalhar e agir, melhorar sua qualidade de vida e seguran¸ca, aumentar o seu tempo de lazer e minimizar os seus custos. Esta tecnologia compreende diversos mercados como, por exemplo, de dispositivos eletrˆonicos, de eletrodom´esticos, das operadoras de telecomunica¸c˜oes, dos provedores de servi¸cos Internet, dos provedores de servi¸cos de energia el´etrica, dos produtores de software e hardware, de conte´ udos de ´audio/v´ıdeo, etc.

2.7

Redes Domiciliares atrav´ es da Rede El´ etrica As redes domiciliares, atrav´es da fia¸c˜ao el´etrica, por usarem o cabeamento j´a exis-

tente, a comunica¸c˜ao atrav´es destas linhas ´e mais dif´ıcil se comparada aos pares tran¸cados da rede Ethernet ou da rede telefˆonica, os quais utilizam um cabeamento dedicado. Redes de transmiss˜ao de dados, pelo mesmo meio f´ısico da distribui¸c˜ao de energia el´etrica s˜ao comumente conhecidas como redes Power Line Communication (PLC). Elas permitem que se utilize a fia¸c˜ao el´etrica existente na residˆencia como meio de transporte de pacotes de dados, viabilizando, por exemplo, os projetos de retrofitting. O sistema consiste em injetar um sinal modulado no cabeamento compartilhado com a energia el´etrica. Assim, permite-se a implanta¸c˜ao de v´arios servi¸cos sem a necessidade de quebra de paredes para a coloca¸c˜ao do novo cabeamento. Durante anos, v´arios desenvolvedores tentaram ´ meio l´ogico tentar enviar dados pelos mesmos fios utilizar a fia¸c˜ao el´etrica para este fim. E que alimentam os equipamentos, uma vez que a maioria est´a ligada na tomada. Por´em, varia¸c˜oes imprevis´ıveis dos n´ıveis de impedˆancia, atenua¸c˜ao do sinal e incidˆencia de ru´ıdo desestimularam e at´e impediram o seu progresso. Entretanto, hoje j´a se conhece t´ecnicas capazes de melhorar a transmiss˜ao neste meio in´ospito que ´e o da rede el´etrica (CAMPISTA et al., 2004).

Em uma residˆencia, a maioria dos equipamentos que sempre pretende se conectar para estabelecer uma rede j´a est˜ao conectados a uma tomada. Por esta raz˜ao, o

22

PLC se apresenta como uma das tecnologias mais promissoras do mercado de redes e automa¸c˜ao residencial. Segundo Bolzani (2004), dentre os in´ umeros benef´ıcios deste sistema destacam-se: • Alta velocidade em transmiss˜ao de dados em qualquer tomada da casa (cerca de 14Mbps); • Permite a conex˜ao com a internet; • Compatibilidade com outras relevantes solu¸c˜oes de redes; • Instala¸c˜ao sem cabeamento adicional; • Instala¸c˜ao r´apida e segura; • Baixo custo; • Confiabilidade; • Qualidade do servi¸co. O cabeamento da rede el´etrica residencial possui uma topologia que ´e uma combina¸c˜ao de barramento, estrela e ´arvore, conforme Figura 2.2. Esse tipo de topologia favorece o problema das reflex˜oes de sinais devido ao descasamento de impedˆancias. Al´em disso, o uso de dois fios, uma fase e um neutro, compartilhados entre todos os dispositivos conectados `a rede dificulta o emprego do modo full-duplex. Adicionalmente, a distribui¸c˜ao das fases dentro de uma residˆencia deve ser considerada, pois n˜ao segue um padr˜ao definido.

2.8

Considera¸c˜ oes Finais Este cap´ıtulo teve por objetivo esclarecer um conjunto de conceitos relacionados

a tecnologia PLC, tais como rede de computadores, modelo de referˆencia OSI, sistemas Always On e Retrofitting, para ai ent˜ao apresentar as redes domiciliares e a redes domiciliares atrav´es da rede el´etrica, as quais s˜ao a base do estudo proposto por este trabalho de conclus˜ao de curso.

23

Figura 2.2: Topologia da rede el´etrica residencial Fonte: (CAMPISTA, 2005)

3

Tecnologias PLC Existentes

3.1

Considera¸c˜ oes Iniciais As primeiras tecnologias PLC come¸caram a surgir h´a mais de trinta anos e al-

gumas existem at´e hoje. Inicialmente foram solu¸c˜oes simples, destinadas ao controle de dispositivos dom´esticos e apresentavam bastantes restri¸c˜oes de taxas de transferˆencias, custos, etc. As pr´oximas se¸c˜oes ir˜ao apresentar algumas dessas tecnologias.

3.2

X-10 ´ um protocolo de comando remoto designado para comunica¸c˜oes entre transE

missores e receptores X-10 atrav´es da fia¸c˜ao el´etrica. Segundo Vargas (2004), o protocolo existe a quase 30 anos, iniciado em 1978 pela Sears Home Control System e pela Radio Shack Plug and Power System, para integrar baixo custo e controle de equipamentos. Devido ao grande sucesso e robustez, v´arias outras empresas como General Electric, Philips, RCA e Leviton come¸caram a produzir vers˜oes compat´ıveis. Para manter o padr˜ao entre todos os sistemas denominados X-10, alguns m´odulos do protocolo foram patenteados e suas licen¸cas foram oferecidas a custos razo´aveis. A modula¸c˜ao utilizada ´e por amplitude (AM - Amplitude Modulation). A portadora utiliza agem por zero volt

1

da onda senoidal (60 ou 50 Hz 2 ) da linha el´etrica

de corrente alternada (AC), tanto no ciclo positivo quanto no negativo. A ´area ada ´ a Unidade SI de tens˜ Volt - E ao el´etrica (tamb´em diferen¸ca de potencial el´etrico), derivada a partir do amp`ere do watt. Foi baptizada em honra do f´ısico italiano Alessandro Volta. O s´ımbolo do volt ´e V. Um volt ´e igual ` a diferen¸ca de potencial existente entre duas se¸c˜oes transversais de um condutor percorrido por uma corrente el´etrica vari´ avel de 1 Amp`ere, quando a potˆencia dissipada entre as duas se¸c˜oes ´e igual a um watt. 2 Hz - S´ımbolo para hertz, que ´e a unidade derivada do Sistema Internacional para freq¨ uˆencia, a qual ´e expressada em termos de oscila¸c˜ oes por segundo (s-1 ou 1/s). A unidade ´e nomeada em homenagem ao f´ısico alem˜ ao Heinrich Rudolf Hertz, que fez algumas importantes contribui¸c˜oes para a ciˆencia no campo do electromagnetismo. 1

25

para uma transmiss˜ao X-10 ´e de 185m2 . Segundo Bolzani (2004), o protocolo de automa¸c˜ao mais utilizado no momento est´a bem desenvolvido. Por´em devido sua arquitetura, ´e muito limitado em velocidade e inteligˆencia (recursos). Segundo Duque (2001), no protocolo X-10, os s´ımbolos s˜ao representados por “carries” de 120 KHz, sobrepostos `a fundamental (60 Hz), como mostrado na Figura 3.1.

Figura 3.1: Temporiza¸c˜ao do Protocolo X-10 Fonte: (GEHM, 2004)

3.3

LONworks ´ uma tecnologia da empresa Echelon (2006), a qual tem como objetivo oferecer E

uma infra-estrutura para a opera¸c˜ao de rede local denominada LON (Local Operating Network ). Este sistema pode ter como meio de transmiss˜ao cabo coaxial, par tran¸cado, RF, fibra ´otica, infravermelho e rede el´etrica. O padr˜ao LONworks baseia-se no uso de modula¸c˜ao por freq¨ uˆencia u ´nica para a transmiss˜ao de pacotes pela rede el´etrica, e utiliza a tecnologia de Dual Carrier Frequency (DCF), a qual permite o “chaveamento” entre duas freq¨ uˆencias, escolhidas de acordo com a menor atenua¸c˜ao provocada pela rede el´etrica, de acordo com Duque (2001). O sistema PLC apresenta comunica¸c˜ao peer-to-peer, adotando o protocolo de o ao meio CSMA

26

e a tecnologia de modula¸c˜ao Spread Spectrum. Al´em disso, funciona numa taxa de 10 Kbps.

3.4

CEBus O Consumer Eletronics Bus (CEBus) ´e um padr˜ao aberto, desenvolvido pela

Intellon (2006), a qual especifica uma arquitetura de rede baseada no modelo OSI e tem como principal objetivo `a interconex˜ao em rede de dispositivos utilizando a rede el´etrica. ´ desenvolvido pela Associa¸c˜ao da Industrias de Eletrˆonica (EIA - Eletronic Industry E Association), desde 1984. Por´em, a primeira especifica¸c˜ao s´o saiu em 1992, oito anos ap´os o in´ıcio do seu desenvolvimento. A especifica¸c˜ao do protocolo prevˆe caracter´ısticas da camada f´ısica para a comunica¸c˜ao por linhas de potˆencia, par tran¸cado, cabo coaxial, infravermelho, RF e fibra o´tica. Foi desenvolvido para a comunica¸c˜ao de produtos eletro-eletrˆonicos em redes el´etricas residˆencias e comerciais, adota a comunica¸c˜ao peer-to-peer e usa a t´ecnica CSMA/CDCR (Carrier Sense Multiple Access with Colision Detection and Colision Resolution) para evitar colis˜oes. Cada pacote transmitido cont´em o endere¸co do remetente e do detestinat´ario. O tamanho m´ınimo do quadro ´e de 64bits. O CEBus Industry Council (CIC), um f´orum que desenvolve o protocolo CEBus, oferece dois padr˜oes de protocolo: o primeiro fornece controle a baixas velocidades, aproximadamente 10Kbps enquanto que o segundo ´e utilizado para sistemas que requerem altas taxas de transmiss˜ao de dados tais como v´ıdeo e som, (BOLZANI, 2004). O CIC tamb´em desenvolve o S (Simple Control Protocol) para o padr˜ao UPnP (Universal Plug and Play), adotado pela Microsoft.

3.5

Adaptive Networks A Adaptive Networks Inc. (ANI) foi fundada em 1993 com o objetivo de de-

senvolver tecnologia para a transmiss˜ao de dados via rede el´etrica predial. Em 1996, a companhia lan¸cou o AN 192, um kit powerline que utilizava um modem de espelhamento espectral operando `a taxas de 19,2kbps. Em 1991, a ISO escolheu a tecnologia da ANI como padr˜ao ISO 10368 para monitoramento de contˆeineres. Em 1998, surge uma vers˜ao do sistema AN 192 com velocidade de 100kbps. Ambas as vers˜oes AN 192 e AN 1000 a freq¨ uˆencia de 450kHz no meio powerline adotado pelo FCC (NETWORKS, 2006).

27

Para operar na Europa, seguindo as normas da CENELEC (Comit´e Europ´een de ´ Normalisation Electrotechnique), foi desenvolvido o AN 48 que utiliza a faixa de freq¨ uˆencia de 9kHz a 95kHz. No ano 2000, surgiu o primeiro prot´otipo powerstream, um sistema de transmiss˜ao de conte´ udo multim´ıdia via PLC. O sistema alcan¸ca taxas de 20Mbps operando na faixa de freq¨ uˆencia de 5 a 35 MHz e com modula¸c˜ao BPSK (Binary Phase Shifting Keying), permitindo a comunica¸c˜ao multicast e broadcast de conte´ udo multim´ıdia (VARGAS, 2004).

3.6

HomePlug Atualmente, existem diversas tecnologias para redes domiciliares de energia el´etrica.

Contudo, a grande parte destas tecnologias s˜ao propriet´arias e n˜ao proporcionam uma interoperabilidade, isto ´e, dispositivos de diferentes tecnologias n˜ao conseguem se comunicar. Em mar¸co de 2000 foi formada uma alian¸ca com diversas empresas com o objetivo de criar um novo padr˜ao para as redes domiciliares atrav´es da fia¸c˜ao el´etrica. Este protocolo foi denominado HomePlug 1.0. A norma HomePlug especifica a subcamada de o ao meio e a camada f´ısica para redes de baixa tens˜ao. Haviam duas tecnologias de PLC competindo para a escolha do padr˜ao. A tecnologia original ´e denominada port, criada pela Intelogis, a outra tecnologia denominada PowerPacket, desenvolvida pela Intellon, sendo essa a escolhida pela HomePlug PoweLine Alliance como o padr˜ao de redes PLC. A nova tecnologia PowerPacket provˆe taxas avaliada em 14Mbps, considerada r´apida para sistemas de rede local (indoor 3 ). Esta velocidade permite aplica¸c˜oes novas, como fluir ´audio e v´ıdeo e estar disponibilizando para toda casa. H´a algumas desvantagens da tecnologia de port: • O desempenho pode ser alterado se a energia for utilizada; • S´o trabalha com computadores baseados no Sistema Operacional Windows; • Usa grandes dispositivos de parede para ar uma sa´ıda el´etrica; • Pode usar s´o 110V como linha de for¸ca padr˜ao; • Requer que todos os dados sejam codificados para uma rede segura; • Instala¸c˜oes el´etricas mais antigas podem afetar o desempenho; 3

Indoor - Express˜ ao de origem da l´ıngua inglesa para expressar espa¸co interno.

28

Produtos novos est˜ao se baseando no padr˜ao HomePlug, o qual utiliza a tecnologia PowerPacket da Intellon. A tecnologia de PowerPacket serve como a base para o HomePlug Powerline Alliance padr˜ao que usa uma forma aumentada de multiplexa¸c˜ao de divis˜ao freq¨ uˆencial ortogonal (OFDM) com corre¸c˜ao de erro, semelhante `a tecnologia achada em modems de DSL. OFDM ´e uma varia¸c˜ao da multiplexa¸c˜ao de divis˜ao freq¨ uˆencial (FDM) usado em redes de linha telefˆonica. FDM insere dados de computador em freq¨ uˆencias separadas de sinais de voz levados pela linha telefˆonica. A mais recente gera¸c˜ao de tecnologia de PowerPacket ´e avaliada a 14 Mbps que s˜ao mais r´apidos que a linha telefˆonica existente e solu¸c˜oes sem fios. Por´em, como o o `a banda larga e o conte´ udo baseado na Internet como ´audio, v´ıdeo e voz por IP tornam-se cada vez comuns, exigˆencias de velocidade continuar˜ao aumentando. Ao longo destas linhas, o OFDM da Intellon se aproxima de um e em redes PLCs em alta escala, permitindo que a eventual tecnologia possa ultraar 100 Mbps (sem previs˜ao comercial). A tecnologia de linha de for¸ca mais antiga usada pela Intelogis confia `a troca de chave de freq¨ uˆencia (FSK) enviar dados em cima dos fios el´etricos em sua casa. FSK usa duas freq¨ uˆencias, um para 1s e 0 outra para 0s, para enviar informa¸c˜ao digital entre os computadores na rede. Qualquer ru´ıdo que aconte¸ca na freq¨ uˆencia utilizada, pode romper os dados que s˜ao transmitidos, isto ´e, enquanto o computador transmitir e receber os dados, afetando assim o desempenho da rede. Por exemplo: quando vocˆe estava usando mais eletricidade em sua casa, como ligar a lavadora ou o secador, o que faz reduzir a velocidade na rede. Intelogis inclui prote¸c˜ao na linha de for¸ca e em seu equipamento de rede for¸cando que vocˆe os insira entre a sa´ıda da parede e seu equipamento ajudando a reduzir a quantidade de barulho na linha el´etrica. Especifica¸c˜ ao t´ ecnica do Protocolo HomePlug 1.0: • Especifica¸c˜ao sobre a camada f´ısica (PHY) e sobre a camada de controle de o ao meio (MAC); • Taxa de dados: de at´e 14 Mbps; • Faixa de frequˆencia: 4,3 MHz a 20,9 MHz; • Modula¸c˜ao do tipo OFDM; • 84 portadoras;

29

• Sele¸c˜ao autom´atica de portadora; • M´etodos de modula¸c˜ao ados: DQPSK, DBPSK, ROBO; • Protocolo de o ao meio: CSMA/CA; • Emiss˜ao da reuni˜ao do grupo 15 do FCC;

3.7

Os Competidores Apesar de v´arios padr˜oes abertos e alguns propriet´arios, ´e dif´ıcil escolher o padr˜ao

a adotar, pois ainda n˜ao h´a legisla¸c˜ao e regulamenta¸c˜oes para a ado¸c˜ao de um u ´nico padr˜ao, que venha garantir a interoperabilidade dos produtos oferecidos por diversas f´abricas de hardwares. Mesmo existindo padr˜oes totalmente aberto, alguns se encontram desatualizados em muitos pontos, inclusive por terem surgido quando a Internet n˜ao tinha importˆancia, e cobre tamb´em a camada de aplica¸c˜ao, coisa que n˜ao ´e interessante a nenhum protocolo aberto, n˜ao deixando espa¸cos para novas aplica¸c˜oes ou inova¸c˜oes. Isto ocasionou forma¸c˜ao de v´arias associa¸c˜oes que visam regulamentar este campo, tais como: Power Line Communications Association, United Power Line Council, PLC Forum, HomePlug PowerLine Alliance. No Brasil, apesar de n˜ao haver nada t˜ao espec´ıfico, existem associa¸c˜oes que discutem automa¸c˜ao predial e residencial em geral, como a Aureside (Associa¸c˜ao Brasileira de Automa¸c˜ao Residencial). Segundo Gehm (2004), o fato de que a transmiss˜ao via rede el´etrica ´e um campo aberto, tanto em termos de mercado quanto em termos legais e normativos, fez com que os principais nomes da ind´ ustria mundial desenvolvessem seus pr´oprios padr˜oes e produtos, entre eles: Intel, Cisco, Phillips, Microsoft, Mistsubishi, Motorola, Samsung, Texas Instruments e Shell. Cada um com uma arquitetura, produto e solu¸c˜oes diferentes, como aconteceu nas redes wireless antes de serem padronizadas pelo WorkGroup 11 do IEEE como 802.11. Apesar de diversos padr˜oes e produtos propriet´arios, os equipamentos desenvolvidos atualmente vem seguindo padr˜oes das alian¸cas e f´oruns, buscando uma maior interoperabilidade. O protocolo de maior destaque comercial hoje ´e o HomePlug 1.0 da HomePlug PowerLine Alliance. O Brasil come¸cou a discutir oficialmente a possibilidade de utilizar a rede el´etrica

30

como meio de transmiss˜ao apenas quando companhias estrangeiras da ´area aram a prestar seus servi¸cos no pa´ıs. O primeiro encontro visando regulamentar esse tipo de transmiss˜ao de dados foi realizado pela ANATEL (Agˆencia Nacional de Telecomunica¸c˜oes) com o apoio da Comiss˜ao Brasileira de Telecomunica¸c˜oes 7 (CBC-7), em 4 de novembro de 2003 (ANATEL, 2006). Conforme informado por Gabriel Alan Gehm (2004), os resultados atuais deste encontro e outras reuni˜oes n˜ao est˜ao dispon´ıveis ao p´ ublico em geral, e foi necess´ario realizar uma pesquisa mais aprofundada. Mensagens enviadas a participantes do encontro n˜ao foram respondidas, e ent˜ao solicitou se `a ANATEL a abertura de um processo de requisi¸ca˜o de informa¸c˜oes sobre o assunto “Regulamenta¸c˜ao da Transmiss˜ao de Dados via Rede El´etrica”. A resposta fornecida pela agencia sobre a requisi¸c˜ao 303159.2004 realizada foi: “A tecnologia de Transmiss˜ao de Dados Via Rede El´etrica ´e considerada apenas uma tecnologia e de outros meios de comunica¸c˜ao, e sendo assim n˜ao existe regulamenta¸c˜ao espec´ıfica a respeito”. Nenhuma informa¸c˜ao sobre planos de regulamenta¸c˜ao futura foi citada.

3.8

Considera¸c˜ oes Finais Foi visto neste cap´ıtulo que existem diversos padr˜oes para a tecnologia PLC.

Ap´os analisado os diversos protocolos que fazem uso da tecnologia PLC, optou-se por usar o protocolo HomePlug. A op¸c˜ao pelo HomePlug deve se pelo fato de se econtrar equipamentos comercias de mais f´acil o que os demais padr˜oes, sendo assim temos um protocolo que oferece aplica¸c˜oes mais usuais para serem implementadas em residˆencias.

4

Protocolo HomePlug 1.0

4.1

Considera¸c˜ oes Iniciais Com a tecnologia atual, ´e poss´ıvel transmitir tr´afego de dados e multim´ıdia `a taxa

de 14 Mbps e com os novos estudos na ´area, ´e sabido que em breve se possa comercializar produtos com taxas que alcan¸caram 200 Mbps. Uma grande vantagem desta tecnologia de rede, ´e a utiliza¸c˜ao da infra-estrutura da fia¸c˜ao el´etrica j´a existente. Atualmente, existem diversas tecnologias para redes domiciliares com energia el´etrica. Contudo, a grande parte destas tecnologias s˜ao propriet´arias e n˜ao proporcionam uma interoperabilidade, isto ´e, dispositivos de diferentes tecnologias n˜ao conseguem se comunicar. Em mar¸co de 2000 foi formada uma alian¸ca, denominada HomePlug PowerLine Alliance, com diversas empresas com o objetivo de criar um novo padr˜ao para as redes domiciliares atrav´es da fia¸c˜ao el´etrica. Este padr˜ao foi denominado HomePlug 1.0. A norma HomePlug especifica a tecnologia PLC para redes de baixa tens˜ao, referenciada no modelo OSI, por´em n˜ao define claramente as fronteiras entre as camada f´ısica e de enlace, usando o mesmo formato do quadro da MAC na PHY a fim de tornar o protocolo mais eficiente (VELLOSO et al., 2004). O formato do quadro da camada MAC do HomePlug ´e idˆentico ao Ethernet, como mostra as figuras 4.1 e 4.2. A camada f´ısica utiliza informa¸c˜oes contidas no delimitador de in´ıcio de quadro, relativas `a codifica¸c˜ao e modula¸c˜ao do campo de dados. Entretanto, tanto a camada f´ısica quanto a subcamada MAC usam informa¸c˜oes relativas ao comprimento do campo de dados para funcionalidades espec´ıficas. Essas informa¸c˜oes est˜ao contidas no campo de controle de quadro e ambas as camadas, f´ısica e enlace, podem ´a-las. O protocolo HomePlug tem como principal preocupa¸c˜ao a robustez durante a transmiss˜ao de dados e confirma¸c˜ao de entrega de quadros.

32

Figura 4.1: Comunica¸c˜ao usando o protocolo Ethernet e HomePlug Fonte: (VELLOSO

et al.,

2004)

Figura 4.2: O formato de quadro Ethernet se mant´em o mesmo para o HomePlug Fonte: (VELLOSO

et al.,

2004)

33

4.2

Protocolos de Camada F´ısica (PHY) O uso eficaz da largura de banda do powerline requer um tratamento especial na

especifica¸c˜ao da camada f´ısica. O padr˜ao HomePlug 1.0 viabiliza transmiss˜oes em altas taxas pela fia¸c˜ao el´etrica domiciliar, em parte devido `as suas especifica¸c˜oes de camada f´ısica, o que o deixa mais robusto. O emprego de novas t´ecnicas como multiplexa¸c˜ao usando OFDM com prefixo c´ıclico, c´odigos corretores de erro concatenados, trˆes variantes do PSK (Phase Shift Keying) para modula¸c˜ao, preˆambulos de in´ıcio e final de quadro e detec¸c˜ao f´ısica de portadora (Physical Carrier Sense - PCS) garantem a sua eficiˆencia (LEE et al., 2002).

A t´ecnica de multiplexa¸c˜ao OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) foi criada visando minimizar a interferˆencia entre canais de freq¨ uˆencia pr´oximos uns aos outros e est´a baseada na propriedade da ortogonalidade entre sinais. Dois sinais s˜ao ditos ortogonais, quando a multiplica¸c˜ao de um pelo outro resulta em zero. A tecnologia ´e complexa e exige processamento digital de sinais m´ ultiplos. Consiste na divis˜ao do canal em v´arios canais de banda estreita de diferentes freq¨ uˆencias (Figura 4.3) (VARGAS, 2004).

Figura 4.3: Divis˜ao de canais segundo FDM e OFDM Fonte: (VARGAS, 2004)

34

4.2.1

Sinaliza¸ c˜ ao e Processamento de Sinais A t´ecnica de multiplexa¸c˜ao OFDM ´e utilizada por possuir uma alta eficiˆencia

espectral ao dividir a banda dispon´ıvel em muitas subportadoras estreitas, de menor taxa. Cada sub-banda possui uma subportadora que pode ser modulada de diferentes formas e independentemente. As modula¸c˜oes que podem ser empregadas s˜ao: BPSK (Binary Phase Shift Keying), DBPSK (Differencial Binary Phase Shift Keying) e DQPSK (Differencial Quadrature Phase Shift Keying) (HOMEPLUG, 2006). Essa flexibilidade ´e importante, pois possibilita que o HomePlug adapte-se ao meio. A sele¸c˜ao das melhores subportadoras em conjunto com a modula¸c˜ao e a taxa do c´odigo corretor de erro apropriado tornam-se importante para adapta¸c˜ao ao meio. O padr˜ao HomePlug 1.0 utiliza a faixa espectral de 4,49 a 20,7 MHz. O OFDM divide a banda de 0 a 25 MHz em 128 subportadoras igualmente espa¸cadas, das quais s˜ao utilizadas apenas 84. Outras 8 subportadoras podem ser desabilitadas para evitar interferˆencia com as freq¨ uˆencias de r´adios-amadores, restando 76 subportadoras (CAMPISTA, 2005). Cada s´ımbolo OFDM ´e composto por 256 amostras do sinal. Para evitar interferˆencias inter-simb´olicas, as u ´ltimas 172 amostras das 256 obtidas durante o intervalo utilizado pela transformada inversa s˜ao usadas como prefixo c´ıclico. Essas 172 amostras s˜ao repetidas e anexadas ao final das 256 originais formando um s´ımbolo OFDM de 428 amostras. Cada s´ımbolo OFDM tem dura¸c˜ao de 8,4 micro segundos, sendo 5,12 micro segundos correspondentes ao s´ımbolo OFDM propriamente dito e 3,28µs ao prefixo c´ıclico (LEE et al., 2002). Para garantir e `a qualidade de servi¸co (QoS - Quality of Service), o padr˜ao utiliza sinais de prioridade (PRS - Priority Resolution Signal) antes da transmiss˜ao dos quadros f´ısicos. Os PRSs determinam quais os fluxos que ter˜ao prioridade de o ao meio. Para resolver a prioridade s˜ao transmitidos 2 sinais OFDM (PRS0 e PRS1). Cada sinal ´e composto por 6 s´ımbolos OFDM especiais, a fim de permitir que apenas as esta¸c˜oes com fluxos de maior prioridade disputem o meio no per´ıodo de disputa (CAMPISTA et al., 2004). Um quadro f´ısico do HomePlug (PPDU - Physical Protocol Data Unit), ´e composto pelos dados recebidos da subcamada MAC cercados por delimitadores, um de in´ıcio e outro de final de quadro. O preˆambulo ´e utilizado para controle autom´atico de ganho (AGC Automatic Gain Control), sincroniza¸c˜ao, referˆencia de fase para a decodifica¸c˜ao do campo

35

de controle de quadro, detec¸c˜ao f´ısica de portadora (PCS - Physical Carrier Sense) e ajuda na determina¸c˜ao do tamanho do intervalo de tempo usado pela subcamada MAC (CAMPISTA, 2005). Os dados do campo de controle de quadro al´em de serem codificados e intercalados de forma diferente do campo de dados do PPDU, s˜ao transmitidos em 4 s´ımbolos OFDM modulados em BPSK. J´a o campo de dados ´e formado por 20 a 160 s´ımbolos OFDM e s˜ao modulados e codificados de acordo com as condi¸c˜oes do meio. A PCS ´e usada pelas esta¸c˜oes para conhecimento de uma transmiss˜ao corrente. A figura 4.4 ilustra os campos de dados do PPDU.

Figura 4.4: Formato do quadro f´ısico (PPDU) Fonte: (CAMPISTA, 2005)

4.2.2

Quadro f´ısico e endere¸ camento Como o HomePlug viola a independˆencia entre camadas com o intuito de aumen-

tar a eficiˆencia. O campo de controle de quadro de todos os tipos de delimitadores possui informa¸c˜oes utilizadas tanto pela camada f´ısica quanto pela subcamada MAC. O campo de comprimento do quadro, por exemplo, ´e utilizado por ambas as camadas. Conforme Duque (2001), o quadro f´ısico longo do HomePlug ´e formado por um

36

delimitador de in´ıcio de quadro, pelo campo de dados, por um intervalo de tempo (EndofFrame Gap - EFG) e pelo delimitador de final de quadro. Tamb´em possui informa¸c˜oes usadas na subcamada MAC. Todos os delimitadores consistem de 1 bit para controle de conten¸ca˜o, seguido por 3 bits do tipo de delimitador, de 13 bits do campo vari´avel e mais 8 bits para detec¸c˜ao de erros (Frame Check Sequence - FCS) do campo de controle ´e um CRC (Cyclic Redundancy Check). O HomePlug define 3 tipos de delimitadores de resposta: ACK, NACK e FAIL. O ACK (Acknowledgement) ´e enviado pelo destino para a origem quando o quadro foi corretamente recebido, o NACK (Negative ACK) e o FAIL caso contr´ario. O campo de controle de conten¸c˜ao ´e utilizado durante per´ıodos de rajadas quando uma determinada esta¸c˜ao faz transmiss˜oes seguidas. Quando o controle de conten¸c˜ao ´e 1, a preemp¸c˜ao s´o pode ser realizada por uma esta¸c˜ao com prioridade superior. O tipo de delimitador define se o delimitador ´e de in´ıcio, final ou resposta. Esse campo ainda define se uma resposta ´e esperada ou n˜ao pelo transmissor.

4.3

Controle de o ao meio (MAC) Embora o m´etodo de o CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Col-

lision Detection) seja utilizado nas redes IEEE 802.3, a mais usada comercialmente, n˜ao ´e empregado nas redes de energia el´etrica devido principalmente `a atenua¸c˜ao e ao ru´ıdo (LEE et al., 2002).

Da mesma forma que o IEEE 802.11, o HomePlug 1.0 utiliza o m´etodo de o m´ ultiplo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) devido `a incapacidade de garantir a detec¸c˜ao de colis˜ao na fia¸c˜ao el´etrica (CAMPISTA et al., 2004) Em ambos os casos podem gerar varia¸c˜oes na potˆencia do sinal recebido e com isso a detec¸c˜ao de colis˜ao atrav´es da diferen¸ca de potˆencia entre os sinais transmitido e recebido n˜ao pode ser garantida. De modo a dar e `a qualidade de servi¸co, o padr˜ao utiliza quatro n´ıveis de prioridade (CA0, CA1, CA2 e CA3) no o ao meio, atribu´ıdos em fun¸c˜ao do tipo de tr´afego, de acordo com a norma IEEE 802.1D (IEEE, 2006). As prioridades (CAP - Channel Access Priorities) est˜ao associadas `as classes CA0 a CA3, sendo a classe CA3 a de maior prioridade. A classe CA3 ´e usada para as prioridades 6 e 7 de r´otulo de VLAN (controle da rede e tr´afego extremamente sens´ıvel ao tempo, como a voz, VoIP) e a CA2 est´a associada `as prioridades 4 e 5 (tr´afego sens´ıvel ao tempo, como ´audio e v´ıdeo). A classe padr˜ao ´e a CA1 e a CA0 est´a associada a tr´afego

37

de redes locais e tr´afego de fundo (CORREA, 2004), como pode ser observado na tabela 4.1. CAP CA3 CA2 CA1 CA0

Tipo de Tr´ afego sens´ıvel ao tempo (VoIP) sens´ıvel ao tempo (V´ıdeo) classe padr˜ao tr´afego de fundo

Tabela 4.1: Classes de Prioridade (CAP - Channel Access Priorities)

Nativamente, tanto o HomePlug 1.0 quanto o IEEE 802.11 fazem um tipo de o n˜ao persistente para evitar que diferentes esta¸c˜oes transmitam no mesmo instante de tempo. Assim, uma esta¸c˜ao a o meio ap´os um intervalo de tempo aleat´orio chamado de backoff. Al´em da transmiss˜ao n˜ao-persistente, o HomePlug introduz um outro mecanismo conhecido por contador de adiamentos (DC - Deferral Counter) a fim de reduzir ainda mais as colis˜oes (CAMPISTA, 2005). Esse mecanismo complementa o backoff acelerando a resolu¸c˜ao das colis˜oes ao aumentar mais rapidamente o tempo m´edio de o `a cada esta¸c˜ao ao meio em per´ıodos de alto tr´afego. O emprego em conjunto de mecanismos que evitam colis˜oes em redes cujo meio de transmiss˜ao oferece alta atenua¸c˜ao, como ´e o caso do meio el´etrico, s˜ao importantes para a melhora do desempenho do o ao meio e conseq¨ uentemente do protocolo MAC. Caso haja ru´ıdo preponderante em algumas portadoras, elas podem ser eliminadas na comunica¸c˜ao entre dois n´os. Assim, o HomePlug prevˆe a negocia¸c˜ao entre os n´os comunicantes antes ou durante as transmiss˜oes de um fluxo de dados para que eles se adaptem `as condi¸c˜oes do meio. A estima¸c˜ao do canal define quais as subportadoras s˜ao utilizadas, qual a modula¸c˜ao e qual a taxa do c´odigo corretor de erro s˜ao empregadas. Essas informa¸c˜oes definem o mapa de tons (TM - Tone Maps) utilizado no campo de dados do quadro transmitido e s˜ao enviadas para o conhecimento das outras esta¸c˜oes atrav´es do ´ındice do mapa de tons (TMI - Tone Maps Index) (DUQUE, 2001). Todos os n´os devem ter conhecimento da situa¸c˜ao do canal e dos TMIs referentes aos n´os presentes na rede. Os mapas de tons n˜ao s˜ao utilizados em delimitadores, preˆambulos ou s´ımbolos de resolu¸c˜ao de prioridade, pois esses utilizam um mapa conhecido a priori por todos os n´os. Antes da transmiss˜ao de um quadro, quando nenhum mapa de tons ´e definido para os dados, as transmiss˜oes s˜ao realizadas num modo especial usando modula¸c˜ao e codifica¸c˜ao conhecidas

38

a priori para que todas as esta¸c˜oes compreendam os dados enviados. Segundo (LEE et al., 2002), esse modo ´e conhecido como modo ROBO (Robust OFDM) e ´e utilizado tamb´em para transmiss˜oes em broadcast e multicast. O modo ROBO foi desenvolvido para operar em condi¸c˜oes de alto ru´ıdo utilizando sempre todas as subportadoras e um intercalador diferente dos outros modos. Em resumo, o modo ROBO ´e utilizado sempre que nenhum mapa de tons foi definido ou n˜ao pˆode ser estabelecido. A carga u ´til do quadro HomePlug consiste de um n´ umero de blocos de 20 ou 40 s´ımbolos OFDM, codificados a partir de c´odigos de erro convolucionais e Reed-Solomon concatenados. A divis˜ao em blocos desse tamanho ´e feita para combater o ru´ıdo impulsivo, que pode danificar uma seq¨ uˆencia de s´ımbolos, principalmente quando se utiliza modula¸c˜ao diferencial, onde pelo menos dois s´ımbolos s˜ao perdidos por vez (VARGAS, 2004). A figura 4.5 exibe o quadro HomePlug, define os campos e seus respectivos tamanhos em octetos 1 .

Figura 4.5: Formato de quadro HomePlug Fonte: (VARGAS, 2004)

4.3.1

L´ ogica de o ao Meio A l´ogica de transmiss˜ao do HomePlug para evitar colis˜oes, uma esta¸c˜ao que deseja

transmitir um quadro de dados deve inicialmente escutar o meio. Para determinar se o ´ uma unidade de medida que serve para mensurar o tamanho dos campos dentro de um Octeto - E quadro. 1 octeto = 1 byte = 8 bits. 1

39

meio est´a ocupado, as esta¸c˜oes usam detec¸c˜ao f´ısica (PCS - Physical Carrier Sense) e detec¸c˜ao virtual (VCS - Virtual Carrier Sense) de portadora. A detec¸c˜ao f´ısica somente n˜ao ´e suficiente devido `as atenua¸c˜oes e ru´ıdos. A detec¸c˜ao f´ısica funciona atrav´es do reconhecimento de preˆambulos e transmiss˜oes de sinais de prioridade. A detec¸c˜ao virtual de portadora usa informa¸c˜oes do quadro escutado para conhecer a dura¸c˜ao da transmiss˜ao e assim estabelecer um vetor de aloca¸c˜ao. Caso o meio permane¸ca livre por um determinado intervalo de tempo, CIFS (Contention Distributed Interframe Space), cujo valor ´e 35,84µs, a esta¸c˜ao entra na fase de determina¸c˜ao de prioridade. S˜ao utilizados dois intervalos de tempo para determina¸c˜ao de prioridade (PR - Priority Resolution), a fim de permitir que apenas as esta¸c˜oes com fluxos de maior prioridade disputem o meio no per´ıodo de conten¸c˜ao. Cada um dos intervalos de tempo (PR0 e PR1) tem a mesma dura¸c˜ao do intervalo CIFS. A sinaliza¸c˜ao da classe de prioridade ´e feita quadro a quadro atrav´es de sinais chamados PRS (Priority Resolution Signal), enviados nos per´ıodos PR0 e PR1. Os sinais de determina¸c˜ao de prioridade usam uma modula¸c˜ao on-off, na qual o n´ umero de cada classe representa o sinal a ser transmitido em bin´ario conforme Gardner, Markwalter e Yonge (2000). Assim, ao escutar o bit 1 em PR0, todas as esta¸c˜oes com quadros de classes inferiores a CA2 adiam suas transmiss˜oes, voltando a esperar o meio ficar livre por CIFS, conforme ilustrado na Figura 4.6.

Figura 4.6: L´ogica de transmiss˜ao do HomePlug Fonte: (CAMPISTA, 2005)

40

4.3.2

Contador de Aditamentos Segundo Lee et al. (2002), no per´ıodo de conten¸c˜ao, a esta¸c˜ao escolhe um n´ umero

aleat´orio uniformemente distribu´ıdo entre zero e o tamanho da janela de conten¸c˜ao (CW - Contention Window) e cria um contador de backoff que ser´a iniciado com o n´ umero sorteado vezes um intervalo de tempo igual a 35,84µs. O valor da janela de conten¸c˜ao depende do n´ umero de vezes que a fun¸c˜ao de backoff foi chamada para o quadro a ser transmitido. Assim, nos per´ıodos de conten¸c˜ao, uma esta¸c˜ao que deseja fazer uma transmiss˜ao deve aguardar o meio ficar ocioso por um intervalo de tempo CIFS. Ap´os este intervalo, transmitir seu sinal de prioridade nos intervalos de resolu¸c˜ao. Caso n˜ao haja nenhuma esta¸c˜ao com prioridade superior ao seu tr´afego, deve esperar ainda o tempo de expira¸c˜ao do contador de backoff para fazer sua transmiss˜ao.Para as classes CA3 e CA2, os valores da janela de conten¸c˜ao s˜ao 7, 15, 15 e 31, para zero, uma, duas e mais do que duas chamadas da fun¸c˜ao de backoff, respectivamente. Para as classes CA1 e CA0, os valores s˜ao 7, 15, 31 e 63, como apresentado na Tabela 4.2.

CFB 0 1 2 >3

CAP: CA3, CA2 CAP: CA1, CA0 CW DC CW DC 7 0 7 0 15 1 15 1 15 3 31 3 31 15 63 15

Tabela 4.2: Valores de CW e DC para cada CAP

Durante a transmiss˜ao de um quadro, uma esta¸c˜ao deve esperar um intervalo de tempo CIFS e ap´os o per´ıodo de resolu¸c˜ao de prioridade, esperar mais um intervalo de tempo aleat´orio (backoff). Durante o per´ıodo de disputa, uma esta¸c˜ao transmissora deve escutar o meio, se o meio permanecer ocioso at´e o t´ermino dobackoff, a esta¸c˜ao transmite seu quadro. Se o meio for ocupado por uma outra transmiss˜ao, a esta¸c˜ao verifica seu DC e o decrementa se esse n˜ao estiver nulo. Em seguida, pausa o seu backoff e o reinicia do ponto onde pausou quando houver uma nova oportunidade de transmiss˜ao, ou seja, quando o meio ficar livre por CIFS e a sua prioridade permitir a transmiss˜ao. Se o DC estava nulo, a esta¸c˜ao faz uma nova chamada `a fun¸c˜ao de backoff e aguarda o meio ficar ocioso novamente para iniciar um novo per´ıodo de disputa (DUQUE, 2001).

41

4.4

Considera¸c˜ oes Finais Este cap´ıtulo teve por objetivo apresntar o protocolo HomePlug, mostrando suas

semelhan¸cas de quadro com o protocolo Ethernet, sua semelhan¸ca de o ao meio com o protocolo 802.11 e tamb´em apresentou caracter´ısticas que deixam o protocolo mais robusto para transmiss˜oes em meios in´ospitos, as quais garantem que ocorra transmiss˜ao de dados na rede el´etrica.

5

Roteiro Experimental

5.1

Considera¸c˜ oes Iniciais Neste cap´ıtulo ser˜ao descritos os testes realizados com pontes que usam o proto-

colo Ethernet e o HomePlug 1.0, que s˜ao fabricadas pela GigaFast. Conforme demonstrado no Cap´ıtulo 1 na se¸c˜ao Materiais e M´etodos, esta ponte representa uma das alternativas com melhor rela¸c˜ao custo/benef´ıcio existentes no mercado brasileiro. O objetivo dos testes ser´a a medi¸c˜ao de desempenho das redes PLC domiciliar. Ser˜ao realizados ciclos de transmiss˜ao e medi¸c˜ao na malha el´etrica experimental.

5.2

Planejamento dos experimentos O roteiro experimental tem por objetivo extrair informa¸c˜oes reais referentes `a

transmiss˜ao de dados em uma rede PLC demonstrando o seu funcionamento e seu comportamento em rela¸c˜ao `a transmiss˜ao como v´ıdeo, voz e dados. Os parˆametros listados abaixo ser˜ao observados durante as transmiss˜oes, para extrair informa¸c˜oes referente ao funcionamento da rede: • Tamanho das mensagens transmitidas; • Ru´ıdo eletromagn´etico gerado por outros dispositivos conectados a rede; • Distˆancia m´axima; • Conectividade em redes distintas (127V ou 230V); O planejamento do experimento ser´a composto por uma combina¸c˜ao dos parˆametros listados anteriormente. As medidas ir˜ao variar de acordo com a combina¸c˜ao de cada experimento. As unidades de medidas usadas ser˜ao:

43

• Vaz˜ao (banda); • Atraso (latˆencia); • Varia¸c˜ao de atraso (jitter); • Taxa de perda de pacotes (conex˜oes UDP); Assim, algumas considera¸c˜oes foram feitas de forma que os testes que ser˜ao realizados possam levar os resultados que retratassem claramente as qualidades e problemas encontrados com as condi¸c˜oes citadas acima. As se¸c˜oes seguintes explicam as decis˜oes tomadas com rela¸c˜ao aos roteiros.

5.2.1

Considera¸ c˜ oes sobre os Experimentos

5.2.1.1

Tamanho das Mensagens Uma vez que o objetivo principal deste trabalho foi a avalia¸c˜ao da tecnologia de

comunica¸c˜ao PLC para aplica¸c˜oes em automa¸c˜ao residencial, cuja comunica¸c˜ao de dados se d´a atrav´es de troca de mensagens curtas, os testes que ser˜ao realizados ficar˜ao focados na transmiss˜ao e recep¸c˜ao de mensagens. Particularmente, esses testes permitiriam ver a influˆencia de caracter´ısticas dos protocolos de comunica¸c˜ao utilizados pelas camadas de enlace de dados (por exemplo, tamanho m´ınimo de mensagens em estrat´egias de o CSMA/CA), rede e transporte. Adicionalmente, tamb´em ser˜ao planejados experimentos que permitiram an´alise do comportamento da ponte em uma poss´ıvel rede local de computadores usando tecnologia PLC, atrav´es do envio de arquivos de diferentes tamanhos. 5.2.1.2

Ru´ıdos Presentes em Redes El´ etricas Domiciliares Conforme abordamos ao longo desse trabalho, a maior preocupa¸c˜ao da trans-

miss˜ao de dados pela rede el´etrica vem sendo a imunidade a ru´ıdos eletromagn´eticos gerados por outros dispositivos conectados a rede. Nesse sentido, os experimentos foram realizados em diferentes ambientes, com diferentes n´ıveis de ru´ıdo. A id´eia foi utilizar equipamentos geradores de ru´ıdos provenientes de atrito das escovas com o rotor dos motores el´etrico e osciladores mal blindados em aparelhos el´etricos. Para atrav´es desses resultados, comparar o desempenho dessa mesma rede PLC “livre de ru´ıdos”, e assim mensurar os danos causados pela interferˆencia durante a transmiss˜ao de dados na rede el´etrica dom´estica.

44

5.2.1.3

Distˆ ancia m´ axima Um fator importante na avalia¸c˜ao de um sistema de comunica¸c˜ao de dados ´e a

distˆancia m´axima em que se garante a qualidade da comunica¸c˜ao do sistema. No caso deste trabalho, a distˆancia ser´a limita em duas distˆancias preestabelecidas de 50m e 100m de distˆancia. 5.2.1.4

Conectividade em Redes Distintas Por se tratar de comunica¸c˜ao pela rede el´etrica, n˜ao se poderia deixar de lado as

diferen¸cas entre as redes (monof´asica, bif´asica ou trif´asica). Apesar deste assunto n˜ao ser mencionado pelo fabricante da ponte, foram anexados nos planejamento dos experimentos, a operabilidade das pontes PLC em redes diferentes.

5.2.2

Local de Teste Para o prop´osito da realiza¸c˜ao dos experimentos dos roteiros ser´a utilizado o

Laborat´orio de Redes, do Curso de Ciˆencia da Computa¸c˜ao, nas dependˆencias da UNIGRAN - Centro Universit´ario da Grande, onde ser´a criado o ambiente necess´ario para os experimentos.

5.2.3

Ambienta¸ c˜ ao Os experimentos ser˜ao realizados em ambiente dom´estico simulado. A variedade

de equipamentos e softwares utilizados ser´a pequena Entre os fatores que mais podem influenciar nos resultados dos testes, podemos citar os microcomputadores utilizados e o hardware das interfaces e a capacidade da rede, assim como os softwares envolvidos na captura e gera¸c˜ao de tr´afego na rede, o Sniffer. Os equipamentos empregados nos experimentos est˜ao listados abaixo: • Microcomputador Pentium III 1GHz, 256MB RAM - Esta¸c˜ao A; • Microcomputador Pentium III 1GHz, 256MB RAM - Esta¸c˜ao B; • Microcomputador Pentium III 1GHz, 256MB RAM - Esta¸c˜ao Sniffer; • 4 interfaces de rede PCI 100Mbps gen´ericas; • 2 pontes Ethernet/HomePlug 1.0;

45

• 2 HUB 100Mbps gen´erico; • Cabo padr˜ao RJ45; • Fio el´etrico (para malha el´etrica simulada); • Tomadas el´etricas; • Soquetes de lˆampadas; • Lˆampadas el´etricas; • Equipamentos eletro-eletrˆonicos variados.

5.2.4

Sele¸ c˜ ao de Ferramenta (Sniffer) Sniffers s˜ao ferramentas utilizadas para capturar e opcionalmente analisar o

tr´afego de uma rede. Estes s˜ao t˜ao antigos quanto `as redes de computadores e sua fun¸c˜ao originalmente foi a de ajudar desenvolvedores de protocolos e es de rede a solucionar problemas, diagnosticar falhas e levantar dados estat´ısticos. Em atividades de an´alise e pesquisas, simples ou sofisticada, o sniffer ´e importante na concep¸c˜ao e efetiva¸c˜ao, pois ´e atrav´es dele que os dados s˜ao levantados. Um sniffer pode ser utilizado de diversas maneiras e com diversos prop´ositos, mas seu princ´ıpio de funcionamento continua sendo o mesmo: capturar e analisar tr´afego de rede sem inferir no funcionamento desta. A arquitetura de um sniffer pode ser vista na Figura 5.1. No caso deste trabalho, adotou como ferramenta Ethereal, por ser uma ferramenta p´ ublica de an´alise de tr´afego de redes (Linux e Windows). Permite a observa¸ca˜o de dados capturados da rede em tempo real ou previamente capturados e salvos em arquivos, o software tamb´em gera gr´aficos e ´ındices de tr´afego da rede. O Ethereal permite a visualiza¸c˜ao gr´afica dos pacotes, dissecando os protocolos campo a campo e mostrando o seu valor (MENDO, 2005). A aplica¸c˜ao ter´a como objetivo, capturar e facilitar a an´alise do tr´afego na rede durante a execu¸c˜ao dos roteiros experimentais, assim obtendo os dados necess´arios para calcular a eficiˆencia nas transa¸c˜oes PLC. Como a malha el´etrica experimental estar´a disposta em uma topologia de barramento, a esta¸c˜ao sniffer se encontrar´a ligada as duas esta¸c˜oes de transmiss˜ao, conforme exemplificado na Figura 5.2.

46

Figura 5.1: Arquitetura de um Sniffer Fonte: (MENDO, 2005)

Figura 5.2: Esquema do Posicionamento do Sniffer

47

5.2.5

Roteiros para Avalia¸ c˜ ao de Desempenho em Rede PLC in Home Este projeto visa criar um ambiente para avalia¸c˜ao da tecnologia “PLC in Home”1

atrav´es da varia¸c˜ao de diferentes parˆametros como distˆancia, perturba¸c˜ao, tamanho e tipo de mensagem e conectividade (127V ou 230V), para avaliar a qualidade, a taxa de transmiss˜ao, o atraso e o jitter. Conforme dispostas as combina¸c˜oes na tabela 5.1. Roteiro no PC Rot 1 Rot 2 Rot 3 Rot 4 Rot 5 Rot 6 Rot 7 Rot 8 Rot 9 Rot 10

50m x x

x x x

100m V´ıdeo Som Dados x x x x x x x x x x x x x x x

127V 230V s/ ru´ıdo c/ ru´ıdo x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Tabela 5.1: Tabela de Roteiros Experimentais

5.3

Considera¸c˜ oes Finais Neste cap´ıtulo foram apresentadas as m´etricas e parˆametros que ser˜ao levados

em considera¸c˜ao na execu¸c˜ao dos roteiros experimentais. Importante frizar que h´a n possibilidades de combina¸c˜oes entre os parˆametros para se obter os roteiros, e ser´a optado executar os roteiros que mais se contraporem uns dos outros.

1

PLC in Home - Termo inglˆes que serve para expressar redes PLC dom´esticas.

48

Referˆ encias Bibliogr´ aficas ANATEL, Minist´erio das Comunica¸c˜oes e. Anatel - Agˆencia Nacional de Telecomunica¸c˜ao. 2006. Dispon´ıvel em: . o em: 27 mar. 2006. BOLZANI, Caio Augustus Morais. Residˆencias Inteligentes: Dom´ otica, Redes Dom´esticas e Automa¸c˜ao Residencial. S˜ao Paulo: F´ısica, 2004. ˆ ´ CAMPISTA, Miguel Elias Mitre. AUMENTANDO A EFICIENCIA DO METODO DE ´ O MULTIPLO EM REDES DOMICILIARES. Disserta¸c˜ao (P´os-Gradua¸c˜ao) — Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ, 2005. CAMPISTA, Miguel Elias Mitre et al. Uma an´alise da capacidade de transmiss˜ao na rede de energia el´etrica domiciliar. XXI Simp´ osio Brasileiro de Telecomnunica¸c˜ ao, v. 1, p. 6, Setembro 2004. CORREA, Josias Rodrigues. PLC - Power Line Communication. Disserta¸c˜ao (Diserta¸c˜ao) — Uni˜ao Educaional de Minas Gerais - UNIMINAS, 2004. DUQUE, Carlos Augusto. Transmiss˜ ao de dados em redes el´etricas. Disserta¸c˜ao (Disserta¸c˜ao) — Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF, 2001. ECHELON. Echelon Home Page. 2006. Dispon´ıvel em: . o em: 30 mar. 2006. GARDNER, S.; MARKWALTER, B.; YONGE, L. Homeplug standard brings networking to the home. 2000. Dispon´ıvel em: . o em: 25 fev. 2006. GEHM, Gabriel Alan. Transmiss˜ao de dados em redes el´etricas. Disserta¸c˜ao (Mestrado) — Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC, 2004. HOMEPLUG, Alian¸ca. HomePlug Power Alliance. 2006. Dispon´ıvel em: . o em: 23 mar. 2006. IEEE. IEEE Home Page. 2006. Dispon´ıvel em: . o em: 30 mar. 2006. INTELLON. Intellon Home Page. 2006. Dispon´ıvel em: . o em: 29 mar. 2006. LEE, M. K. et al. Homeplug 1.0 powerline communication lans -protocol description and performance results. INTERNATIONAL JOURNAL OF COMMUNICATION SYSTEMS, v. 1, n. 5.4, p. 25, Setembro 2002.

49

MENDO, Tiago Gomes da Silva. Captura e An´ alise de Transac¸c˜ oes Aplicacionais e Detec¸c˜ ao e An´alise de Vulnerabilidades de Rede. Disserta¸c˜ao (Relat´orio de Projeto) — Universidade de Lisboa, 2005. NETWORKS, Adaptive. Adaptive Networks Home Page. 2006. Dispon´ıvel em: . o em: 29 mar. 2006. STALLINGS, William. Redes e Sistemas de Comunica¸c˜ ao de Dados. Rio de Janeiro: Campus, 2005. TANENBAUM, Andrew S. Redes de Computadores. Rio de Janeiro: Campus, 1997. VARGAS, Alessandra Antunes. Estudo sobre Comunica¸c˜ ao de Dados via Rede El´etrica para Aplica¸c˜oes de Automa¸c˜ao Residencial/Predial. Rio Grande do Sul: Monografia, Universidade Federal do Rio grande do Sul - UFRS, 2004. VELLOSO, Pedro Braconnot et al. Redes Domiciliares: Aplica¸c˜ oes, Tecnologias, Desafios e Tendˆencias. Rio de Janeiro: UFRJ, 2004.