Gran parte de las Infraestructuras Avanzadas de Medición (AMI, Advanced Measurement Infrastructures), desplegadas en los sistemas de distribución de energía eléctrica para el registro de los parámetros facturables y de calidad de servicio utilizan las mismas redes de energía como medio de comunicación (PLC, Power Line Communications). Para ello, utilizan la banda de frecuencias NB-PLC (Narrowband PLC, o PLC de banda estrecha, entre 90 y 500 KHz), con esquemas de modulación tales como la Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Dado que las redes de distribución de energía no se diseñan como canales de comunicación, presentan serios desafíos para la obtención de comunicaciones confiables. El proyecto procura alternativas que mejoren las prestaciones en cuanto a rendimiento y latencia en condiciones exigentes de atenuación y ruido en el canal.
Se modela en Matlab/Simulink® el canal PLC de manera de incluir tales características en una configuración típica de distribución en Baja Tensión. Utilizando este modelo se analiza una propuesta tendiente a la mejora de sus prestaciones: la aplicación de una técnica de corrección de errores basada hibrida FEC– ARQ (Hybrid ARQ o HARQ) utilizada en los estándares de comunicaciones celulares inalámbricas. Mediante el mismo, se pretende analizar la variación de las métricas de rendimiento y latencia en distintos escenarios de las redes PLC.Eje: Arquitectura, Redes y Sistemas Operativos.Red de Universidades con Carreras en Informátic

La Red Martínez, David L.

Scappini, Reinaldo José Ramón

Veglia, Jorge E.

Spanish

El Servicio de Difusión de la Creación Intelectual

SISTEMAS DE COMUNICACIÓN ROBUSTOS PARA INFRAESTRUCTURAS AVANZADAS 
DE MEDICIÓN DE ENERGÍA IMPLEMENTADAS SOBRE PLC (POWER LINE 
COMMUNICATIONS) 
Jorge E. Veglia1, David La Red Martinez1, Reinaldo J. Scappini2 
1
 Facultad de Ciencias Exactas, Naturales y Agrimensura, UNNE, Corrientes 
{jeveglia, lrmdavid}@exa.unne.edu.ar 
2 Facultad Regional Resistencia, UTN, French 414 (3500) Resistencia, Chaco 
rscappini@frre.utn.edu.ar
RESUMEN 
Gran parte de las Infraestructuras Avanzadas 
de Medición (AMI, Advanced Measurement 
Infrastructures), desplegadas en los sistemas 
de distribución de energía eléctrica para el 
registro de los parámetros facturables y de 
calidad de servicio utilizan las mismas redes 
de energía como medio de comunicación 
(PLC, Power Line Communications). Para 
ello, utilizan la banda de frecuencias NB-PLC 
(Narrowband PLC, o PLC de banda estrecha, 
entre 90 y 500 KHz), con esquemas de 
modulación tales como la Multiplexación por 
División de Frecuencias Ortogonales (OFDM, 
Orthogonal Frequency Division 
Multiplexing). Dado que las redes de 
distribución de energía no se diseñan como 
canales de comunicación, presentan serios 
desafíos para la obtención de comunicaciones 
confiables. El proyecto procura alternativas 
que mejoren las prestaciones en cuanto a 
rendimiento y latencia en condiciones 
exigentes de atenuación y ruido en el canal. 
Se modela en Matlab/Simulink® el canal PLC 
de manera de incluir tales características en 
una configuración típica de distribución en 
Baja Tensión. Utilizando este modelo se 
analiza una propuesta tendiente a la mejora de 
sus prestaciones: la aplicación de una técnica 
de corrección de errores basada hibrida FEC–
ARQ (Hybrid ARQ o HARQ) utilizada en los 
estándares de comunicaciones celulares 
inalámbricas. Mediante el mismo, se pretende 
analizar la variación de las métricas de 
rendimiento y latencia en distintos escenarios 
de las redes PLC. 
 Palabras clave: Redes inteligentes (smart 
grids); canales PLC; OFDM; ARQ Híbrido 
(HARQ) 
CONTEXTO 
Este proyecto se desarrolla como parte de la 
tesis académica de uno de los autores en el 
contexto de la Maestría en Sistemas y Redes 
de Telecomunicaciones, de la Facultad de 
Ciencias Exactas, Naturales y Agrimensura de 
la UNNE (Res. 797/12 C.S. U.N.N.E. y Res. 
232/17 C.D. FA.C.E.N.A. – U.N.N.E.) 
1. INTRODUCCIÓN 
Las infraestructuras avanzadas de medición 
constituyen un paradigma emergente en el 
campo de la medición de los servicios 
públicos de energía eléctrica, agua y gas. Una 
AMI está constituida por una red de 
comunicaciones de dos vías y es la 
integración de sensores avanzados, contadores 
inteligentes, sistemas de monitoreo,  y 
sistemas de gestión de datos que permiten la 
recopilación y distribución de información 
entre medidores y utilidades (Güngör el al., 
2011).  
En términos generales, las AMI comparten 
una arquitectura básica, que puede sintetizarse 
en una red de área extensa (WAN, Wide Area 
Network), gobernada por un sistema central 
en el que residen las aplicaciones específicas 
de lectura, facturación, control, etc., a la que 
se vinculan un conjunto de redes de área local 
(LAN, Local Area Network). En las 
soluciones actuales, estas LAN utilizan dos 
medios físicos principales para la 
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comunicación dentro de la red inteligente: 
radiofrecuencia (RF), mediante la utilización 
de la banda libre ISM (Industrial, Scientific 
and Medical, 902-928 MHz; 2,400-2,483 
GHz); y la misma red eléctrica, mediante la 
llamada comunicación por líneas de potencia 
o PLC. En la actualidad existen desarrollos 
comerciales que hacen uso de uno u otro; sin 
embargo, desde el punto de vista de las 
empresas eléctricas, la utilización de la red de 
distribución de energía resulta muy atractiva, 
dado que además de su ubicuidad, es un 
medio de su propiedad, lo que evita la 
necesidad de tendidos adicionales y 
sobrecostos de comunicación. 
Obviamente, la red eléctrica no se diseña 
como una red de comunicación, y esto 
significa que muchos de sus parámetros 
característicos y sus detalles constructivos 
distan mucho de ser ideales para transmitir 
información. Los problemas de atenuación, 
desadaptación de impedancias y ruido de 
variadas fuentes, tipos e intensidades limitan 
de manera significativa la capacidad de la red. 
A pesar de ello, y dado que el tráfico de datos 
es esporádico y de un ancho de banda muy 
reducido, con velocidades tan bajas como 
unos pocos cientos o miles de kilobits por 
segundo, las funciones básicas de las AMI 
pueden implementarse en una LAN típica de 
pocos cientos de medidores.  
Sin embargo, el desarrollo de la electrónica 
utilizada en los medidores hace que la 
cantidad de información que pueden registrar 
y almacenar se incremente cada vez más, con 
sobrecostos mínimos. Como consecuencia, las 
normas regulatorias van exigiendo que esta 
información (por ejemplo, la curva de 
consumo) sea puesta a disposición de los 
clientes por parte de las empresas prestatarias, 
de manera que estos puedan tele gestionar sus 
demandas Al mismo tiempo, las exigencias de 
calidad de servicio, así como el creciente 
desarrollo de las tecnologías “verdes” como la 
generación solar domiciliaria y el intercambio 
bidireccional de energía con los clientes 
obligan a las empresas a instalar en la red 
eléctrica otros dispositivos que aportan 
importantes volúmenes de datos a la red. Para 
adaptarse a los nuevos escenarios, y tomando 
como referencia el modelo de capas del 
estándar básico de referencia de Interconexión 
de Sistemas Abiertos (OSI), es necesario 
lograr mejores desempeños a nivel de capa 
física (PHY) y de la capa de control de acceso 
al medio (MAC) (Sendin et al., 2014).  
Los estándares actuales de PLC (por ejemplo 
G3 y PRIME, y el más reciente ITU-T 
1901.2) avanzan en esta dirección al 
incorporar técnicas avanzadas de modulación 
multiportadora, como OFDM. En todos ellos, 
para afrontar la ocurrencia de errores en la 
transmisión debidas a las características no 
ideales del canal, se utilizan técnicas de 
manipulación de la información binaria que 
tienden a mejorar la relación señal/ruido 
(Eb/No). Si esto no resulta suficiente, acuden 
a métodos de corrección de error hacia 
adelante (FEC, Forward Error Correction). 
Su performance ha sido testeada en distintas 
simulaciones y pruebas de campo en redes 
estándar con resultados generalmente 
aceptables. Sin embargo, no se ha probado si 
las soluciones comerciales actuales están 
adecuadamente preparadas para 
infraestructuras físicas más “duras”, como lo 
pueden resultar redes eléctricas más precarias 
o en ambientes rurales o suburbanos. En 
términos generales, y dado que los canales 
PLC son ruidosos y cambiantes, una opción 
conservadora de modulación de menor riesgo 
y baja velocidad es apropiada para un 
despliegue sobre el terreno. Sin duda es 
funcional para las reducidas prestaciones de 
las AMI actuales en redes de un estado 
razonablemente adecuado, pero se puede 
suponer que resultarán insuficientes para 
escenarios más exigentes, tanto de tráfico 
como de condiciones desfavorables de la red. 
Al menos una de los estándares (PRIME) 
hace uso también del método de repetición 
automática (ARQ, Automatic Repeat-reQuest) 
para mejorar las tasas de recepción de 
paquetes. Sin embargo, la investigación y los 
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restantes estándares en PLC no parecen haber 
dirigido su atención en este sentido, y en 
particular a una técnica de corrección de 
errores que sí ha ganado amplio desarrollo en 
el campo de la RF, como lo es la combinación 
de FEC con ARQ, conocida como ARQ 
híbrida (HARQ).  Esta técnica forma parte de 
los estándares inalámbricos de banda ancha 
actuales tales como IEEE 802.16, utilizados 
en 3GPP LTE (Long Term Evolution) y 
WiMAX, por caso. Los interesantes 
resultados reportados en la bibliografía en 
cuanto a mejoras en el rendimiento y la 
latencia en canales que presentan desafíos 
similares (ruido, multitrayecto, etc.), -si bien 
poseen una naturaleza física diferente y 
operan en un rango de frecuencia distinto-, 
llevan a la idea que su aplicación puede 
resultar provechosa en los canales PLC, con 
vistas a mantener o mejorar las prestaciones 
de la red en condiciones más desfavorables 
del canal. 
Por lo tanto, y con la motivación de la 
búsqueda de técnicas de comunicación que 
proporcionen un mayor rendimiento y 
robustez tal que permitan superar las 
dificultades planteadas por las características 
propias de los canales PLC y sus variadas 
condiciones de entorno, el proyecto pretende 
desarrollar un modelo de simulación en la 
capa física con una modulación OFDM en el 
espectro NB-PLC, con una técnica de 
corrección de errores basada en la filosofía 
HARQ, orientado a su utilización en las AMI. 
2. LINEAS DE INVESTIGACIÓN Y 
DESARROLLO 
El proyecto requirió el desarrollo de un 
modelo sobre el que pueda ser evaluada la 
técnica de corrección de errores propuesta. 
Para ello, fue necesario elegir en primer lugar 
un modelo de canal PLC. Las líneas de 
investigación en este sentido hacen uso de dos 
enfoques principales: una aproximación top-
down o descendente y una bottom-up o 
ascendente. Siguiendo el resumen de W. Zhu 
(2014), los enfoques top-down, se basan en un 
método empírico, en el que se toman medidas 
en una red real con las que se ajustan 
diferentes parámetros que constituyen la 
función de transferencia. Es un método 
eficiente, aunque afectado por los errores de 
medida. Su ventaja es que resulta un modelo 
de baja complejidad. La desventaja más 
significativa es su baja flexibilidad. El modelo 
obtenido para una red específica o una banda 
de frecuencia no pueden aplicarse a otras 
redes y bandas de frecuencia, al tiempo que 
carecen de conexión física con la realidad.  
La segunda opción, los enfoques bottom-up, 
se basan en la teoría de líneas de transmisión 
y consisten en un estudio analítico de la red y 
sus componentes. Conocidos la topología, 
tipos de cables y cargas de la red, se modelan 
matemáticamente para generar un modelo 
discreto de canal, que tiene en cuenta todo 
tipo de retrasos, atenuaciones y reflexiones. 
La ventaja de este enfoque es que puede 
aplicarse a diversas situaciones, siempre que 
la información de red esté disponible. Sin 
embargo, también tiene desventajas: su 
complejidad computacional crece con la el 
tamaño de la red y la recopilación de los 
elementos de red antes mencionados es difícil. 
Sin embargo, y como el mismo Zhu 
menciona, el problema más importante del 
modelado de canales para las comunicaciones 
de redes inteligentes es la falta de modelos de 
canal de banda estrecha. La mayoría de los 
modelos de canal, especialmente los top-
down, son modelos de canal de banda ancha 
en la banda de frecuencias de 1-100MHz. 
Muy pocas de ellas se centran o cubren la 
NB-PLC (3-500 kHz). 
Por lo tanto, y en gran parte con la motivación 
de obtener una herramienta que permita 
modelar las características del canal en 
función de la topología de los componentes de 
la red eléctrica y las características de sus 
cargas sin un alto costo computacional ni de 
desarrollo, se optó por una tercera opción, la 
de implementar un modelo de red utilizando 
la librería Simscape de Simulink. Gracias a 
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ello puede ser modificado de acuerdo a las 
topología y características de los componentes 
de la red con mucha facilidad. Siguiendo las 
ideas de trabajos como Masood et al (2016), 
se implementó el modelo ilustrado en la 
Figura 1. Las simulaciones de su 
comportamiento en cuanto a respuesta en 
frecuencia y atenuación resultan en general 
concordantes con los (pocos) resultados 
disponibles obtenidos con los otros dos 
métodos. A este modelo se le añade otro que 
incorpora las dos fuentes principales de ruido 
eléctrico presentes en los canales PLC: el 
ruido aditivo blanco gaussiano (AWGN, 
Additive White Gaussian Noise) y el ruido 
impulsivo asincrónico. En cada uno de estos 
módulos, es posible configurar la relación 
señal/ruido y la intensidad de los impulsos 
respectivamente, de manera de poder 
configurar distintos escenarios. Finalmente, 
fue necesario modelar el sistema transmisor/ 
receptor, para el que se utilizaron las 
principales especificaciones del estándar 
PRIME. El sistema completo según se 
describió se representa en la Figura 2. 
En razón de que el principal problema a 
resolver en todo sistema de comunicación es 
asegurar la confiabilidad de la información 
transmitida por el canal, de modo de asegurar 
una integridad razonable dada por una tasa de 
error predeterminada, se analizarán los 
principales métodos de corrección de errores 
utilizados. En particular, el proyecto propone 
la utilización de una técnica que sigue las 
ideas fundamentales de técnica conocida 
como ARQ híbrida (HARQ), que combina la 
solicitud de repetición automática (ARQ) con 
la corrección de error hacia adelante (FEC). 
El desarrollo implica la programación en 
Matlab de los algoritmos necesarios de 
manera de implementar la técnica de 
corrección de errores sobre el modelo 
descripto de canal y ruido asociado. Se 
elaborarán las métricas que permitan 
comparar el desempeño de la mejora 
propuesta en términos de rendimiento, 
utilización del ancho de banda y tasas de 
error, para diferentes configuraciones de la 
topología de la red y para distintas 
condiciones de ruido en el canal. 
       
 
Figura 1. Modelo de canal PLC y módems en recepción y transmisión 
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 Figura 2. Esquema básico Transmisor/Receptor OFDM con el canal y las fuentes de ruido 
3. RESULTADOS OBTENIDOS / 
ESPERADOS 
El proyecto pretende arribar a conclusiones 
respecto a la aplicabilidad de la técnica de 
comunicación propuesta, analizando las tasas 
de error obtenidas y otras métricas útiles en 
función de las características particulares del 
canal físico. Al mismo tiempo, se espera 
producir una herramienta de simulación que 
pueda ser optimizada en función de resultados 
experimentales o trabajos de investigación 
que propongan mejores modelos del canal, y 
otros esquemas de codificación o de 
corrección de errores que permitan obtener 
mejores resultados. 
Adicionalmente, se espera producir un 
material de referencia para contenidos 
curriculares o nuevas investigaciones. 
4. FORMACIÓN DE RECURSOS 
HUMANOS 
Se espera las líneas de trabajo que surjan a 
partir del proyecto promuevan la formación 
de grupos de investigación y desarrollo sobre 
tales tópicos entre los docentes y alumnos de 
las carreras de Ingeniería en Electrónica y la 
Licenciatura en Sistemas de Información de la 
FA.C.E.N.A. 
5. BIBLIOGRAFÍA 
- Cheng, J., “Coding Performance of Hybrid 
ARQ Schemes", IEEE Transactions on 
Communications, Vol. 54, Nº 6, pp. 1017-
1029, 2006 
- Gungor, V.C.; Sahin, D.; Kocak, T.; Ergut, 
S.; Buccella, C.; Cecati, C.; Hancke, G.P., 
“Smart Grid Technologies: Communication 
Technologies and Standards", IEEE 
Transactions of Industrial Informatics, Vol. 
7, Nº 4 Nov. 2011, pp. 529–539, 2011 
- Masdod, B; Haider, A; Baig, S., “Modeling 
and Characterization of low Voltage Access 
Network for Narrowband Powerline 
Communications”, Journal of Electric 
Engineering Technologies (2106), en 
http://dx.doi.org/10.5370/JEET.2016.11.192 
- Sendin, A.; Peña, I.; Angueira, P., 
“Strategies for Power Line Communications 
Smart Metering Network Deployment", 
Energies 2014, 7, 2377–2420, doi: 
10.3390/en7042377, disponible en http: 
//www.mdpi.com/1996-1073/7/4/2377, 2014 
- Zhu, W; “Power Line Communications over 
Time-Varying Frequency-Selective Power 
Line Channels for Smart Home 
Applications”, (2014), https://livrepository. 
liverpool.ac.uk /.../1/ZhuWen_July2014.pdf 
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Sistemas de comunicación robustos para infraestructuras avanzadas de medición de energía implementadas sobre PLC (Power Line Communications)

http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/67130/Documento_completo.pdf?sequence=1

Sistemas de comunicación robustos para infraestructuras avanzadas de medición de energía implementadas sobre PLC (Power Line Communications)

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