TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO Instituto Tecnológico de Morelia Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica Aplicaciones Web para Teleoperación
I EEE-SA Smart GridLine Comunication) Redes PLC (Power M.C. Juan Carlos Olivares Rojas
Abril, 2017
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Agenda Introducción Primeros Protocolos Nuevos Protocolos Seguridad Pruebas
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PLC
Es una tecnología mediante la cual se puede transmitir datos, voz y video, sobre las redes de distribución eléctrica que incluye como medio de transmisión principal la parte de Baja Tensión del cableado eléctrico dentro de cada domicilio u oficina. También puede usarse para exteriores.
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PLC
Se ha utilizado desde la década de 1950, en donde las empresas de energía lo usaban para el control eléctrico y el alumbrado público. En la década de 1990, se consiguieron velocidades suficientemente altas, por lo que se ha utilizado en aplicaciones domóticas e industriales (SCADA).
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Funcionamiento
No afecta a la corriente eléctrica (50-60Hz) ya que PLC se utiliza en bajas frecuencias (2-30MHz). Unidades acondicionadoras filtran y separan las señales (eléctrica y datos), utilizando diversos esquemas de modulación y demodulación de señales
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Características
Actualmente alcanzan velocidades promedio de 600 Mbps con la tendencia de alcanzar 1 Gbps proximamente. Actualmente existen diversos estándares entre los que destacan: ITU-T G.hn, IEEE 1901, NIST HomePlug, entre otros.
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Desventajas
Red eléctrica no está diseñada para transmitir datos ya que se añade ruido a la señal e Interferencias (frecuencias de radio aficionados y electrodomésticos de alto consumo energético) Distancias cortas de 100 metros es lo ideal (para formar LAN o HAN).
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Ruido de una Secadora sobre PLC Pico de ruido
paquete
SNR de -10 dB o peor!
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Desventajas
PLC no puede sobrevivir al paso de un transformador (problema de fases). Solo se utiliza en la última milla (baja tensión). Aunque es posible utilizarlos en media y alta tensión aún la tecnología no es muy confiable y costosa (hay mucho trabajo en esta área).
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Desventajas
Costos relativamente altos con la tendencia a la baja (se aprovecha red eléctrica pero se ocupan de equipos adicionales como repetidores, modems, acopladores, etc.).
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Agenda Introducción Protocolos Nuevos Protocolos Seguridad Pruebas
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Protocolo X10
Más antiguo. Modulación ASK con 0.5W Portadora de 120Hhz. Redundancia cuádruple : Paquete 11 bits repetidos 2 veces (Cada bit repetido 2 veces) La trama contiene cabecera con código local, número de módulo y código de función a realizar.
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Protocolo CEbus (Consumer Electronics)
Desarrollado por la Asociación de Industrias Electrónicas (EIA) para la interconexión y comunicación entre dispositivos electrónicos en el hogar. Utiliza CSMA/CDCR (punto a punto). Cada paquete contiene la dirección del emisor y del receptor. Utilizado solo en Europa.
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Protocolo LonWorks
Protocolo punto a punto, con esquemas CSMA. Frecuencias más estandarizadas. Utilización nivel mundial. Ofrece tasas de transferencia de 5.5kbps , y de tasa efectiva 4kps.
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Protocolo IEC–60870–5-101
Physical Layer :
Unbalanced
Information bit : 8 bit Stop bit : 1 Parity bit : Even
Maximum Frame Length : 255 bytes
Transmission Layer ( Station address field Length : 1 or 2 bytes )
(User Data, Confirm Expected)
[P] [S]
Master
Slave
(Acknowledgment)
Response Message [P] (Request User Data) [S] (Respond User Data or NACK)
[P] = Primary Frame [S] = Secondary Frame
Unbalanced Mode :
Request Message
Data Link Layer Standard Frame Format : FT 1.2
Transmitted messages are categorized on two priority classes( Class 1 & Class 2 )
Balanced Mode : All the messages are sent, No categorization of Class 1 and Class 2
Network Layer : Not defined as 870-5-101 is not IP based Application Layer The length of the header fields of the data structure are: Station address 1 or 2 byte ( User defined ) ASDU Address : 1 or 2 bytes Information Object address : 2 bytes Cause of Transmission : 1 byte
Selection of ASDUs
ASDU 1 : Single point information ASDU 2 : Single point information with time tag ASDU 3 : Double point information ASDU 4 : Double point information with time tag ASDU 9 : Measured value, Normalised value ASDU 10 : Measured value, Normalised value with time tag ASDU 11 : Measured Value, Scaled value ASDU 12 : Measured value, Scaled value with time tag ASDU 100 : Interrogation Command ASDU 103 : Clock Synchronisation Command ASDU 120 - 126 : File transfer Command
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Otros Protocolos
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Agenda Introducción Protocolos Nuevos Protocolos Seguridad Pruebas
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Nuevos Protocolos
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Nuevos Protocolos Application Layer
Metering IEC 61968 CIM, ANSI C12.22, DLMS/COSEM,… Web Services, EXI, SOAP, RestFul,HTTPS/CoAP
Other Applications
Session Layer
SCADA IEC 61850, 60870 DNP3/IP, Modbus/TCP,…
DNS, NTP, IPfix/Netflow, SSH RADIUS, AAA, LDAP, SNMP,… (RFC 6272 IP in Smart Grid)
DTLS/TLS
Transport Layer
UDP/TCP
Network Layer
IPv6/IPv4 IPv6 RPL
Addressing, Routing, Multicast, QoS, Security
802.1X / EAP-TLS & IEEE 802.11i based Access Control LLC` Data Link Layer
6LoWPAN (RFC 6282)
IPv6 over Ethernet (RFC 2464)
802.15.9 KMP M A C
Physical Layer
IP or Ethernet Convergence SubL.
IPv6 over PPP (RFC 5072)
IEEE 802.15.4e MAC enhancements IEEE 802.15.4 including FHSS
IEEE 1901.2 802.15.4 frame format
IEEE 802.15.4g 2.4GHz, 915, 868MHz DSSS, FSK, OFDM
IEEE 1901.2 NB-PLC OFDM
IEEE 802.11 Wi-Fi
IEEE 802.3 Ethernet
IEEE 802.16 WiMAX
IEEE 802.22 WRAN
2G, 3G, LTE Cellular
IEEE 802.11 Wi-Fi 2.4, 5 GHz, Sub-GHz
IEEE 802.3 Ethernet UTP, FO
IEEE 802.16 IEEE 802.22 WiMAX TV White 1.x - 3.x GHz Space
2G, 3G, LTE Cellular
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Nuevos Protocolos en el mundo España ( PRIME en banda CENELAC) Francia (G3 en banda CENELAC) Taiwan (G3 en banda FCC) Corea (IEEE P1901.2 en banda ancha) China ( SFSK en banda EPRI) México (PRIME en banda CENELAC) Japón (ITU-T G.9955 en banda ARIB) Turquía (G3 en banda CENELAC) Polonia ( PRIME en banda CENELAC) USA (Home Plug)
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Protocolo G3-PLC
Robusto a interferencias y ruidos Alto nivel de seguridad Comunicación bidireccional Comunicación de largo alcance en Media Tensión (mayor de 6 km)
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Protocolo G3-PLC
Soporta IPv6 y DLMS/COSEM en capa de aplicación. Plug and play (Interoperable) Código abierto y actualizable
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Protocolo G3-PLC
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Protocolo G3-PLC DSOs Requirements To be able to communicate in a reliable manner in a harsh environment
To be able to answer future needs… in a secure way
Multisourcing for better competitiveness
Minimum Installation efforts Minimal maintenance costs To be able to operate with clusters from 2 to 1500 meters
G3-PLC Features Robustness • Forward Error Correction + Reed Solomon Encoding + Robust modulation • Mesh networking Future proof / Security • IPv6 native • 128-bit PSK Authentication and ciphering CCM at MAC layer • Ability to download firmware over the power line • Ability to accommodate future applications over IPv6 • Compliant with IoT (Internet of Things) Interoperability • G3-PLC is an international standard available for free at http://www.itu.int/rec/T-REC-G.9903 • G3-PLC Alliance ensures a large number of solutions served by a community of silicon and meter vendors Simplicity • Plug and Play (Stateless Address Self configuration embedded) • Statistics available Scalability • Support up to 2000 nodes • Mesh network with route is self-reconstructing when a link is broken without impacting the whole cluster
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Soluciones G3-PLC Linky : the French Smart Metering system Remote control
Self Healing
Four main targets
Adjusting Local Balance Network investment
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Soluciones G3-PLC Linky : the French Smart Metering system 2011 – 2013
66 MV/LV Transformers
2 000 meters
Ping = 0,3s Alarm = 1s
Discovery and data collection rate> 99% 100% plug & play from the DC to the meters
2013 – 2015
Interoperability in the field
5 000 meters
Index Index D/L D/L = = 2s 2s (16 (16 index index = = 10 10 supp. supp. + +4 4 dist. dist. + +2 2 total.) total.) Daily Daily data data collection collection = = 13s 13s (16 index + load profile + power parameters parameters + + logbooks) logbooks) Firmware Firmware D/L D/L = = 4,5mn 4,5mn (FW size = 230kB)
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Soluciones G3-PLC SOGRID Project 2013 – 2016 : MV-LV
Equipment
management • on MV Side • on LV side
Exchange
MV Connectio n
data
Defects
detection “Real Time” Concentrator
Data flow
Data collection Power modulation in case of emergency Smart Meters
Customer installatio n
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Soluciones G3-PLC Linky system at a glance Meters
Linky 35.000.000
G3-PLC
Data concentrators
WAN
Information System
700.000 Concentrators
Focus on main Linky functionalities
IS
Customer power breaker
Supply quality compliance Real-time data report plug-in
Pricing schedules
BIDIRECTIONAL COMMUNICATION
1+7 switches
Generation / Load shape recording
Specific mobile peakload tariff
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Soluciones G3-PLC Smart Metering Scenario in Germany
Control Box
Switching in smart grids
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Soluciones G3-PLC Smart Metering Scenario in Germany
G3-PLC Modem 500k Data communication in smart grids
Smart Meter Gateway Data security in smart grids
Control Box Switching in smart grids
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Soluciones G3-PLC Smart Metering Scenario in Germany
• In the Househ old
devolo G3-PLC Modem 500k
Electricity Smart Meter devolo Smart Meter Gateway
Intelligent Smart-Metering-System on BKE Adapter-Plate
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Soluciones G3-PLC Smart Metering Scenario in Germany
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Zigbee { ZigBee Compliant Product
ZigBee Standard Public Application Profile
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Perfiles Zigbee
ZigBee Home Automation (ZHA) ZigBee Smart Energy (ZSE) Commercial Building Automation (CBA) ZigBee Health Care (ZHC) ZigBee Telecom Services (ZTS) ZigBee RF4CE Remote Control
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Smart Energy & Home Automation Utility UtilityAMI AMI Network Network
Energy Services Portal (Electric Meter or Gateway)
Programmable Communicating Thermostat (PCT)
In-Home Display
ZigBee HAN HVAC System
Load Control Device
Mobile Phone
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Smart Energy & Home Automation Utility UtilityAMI AMI Network Network
Bajo Costo
Energy Gateway
Altos niveles de seguridad
Electric Meter
Tstat HVAC System
ZigBee HAN Smart Appliances
Water Meter
Gas Meter
Home Automation System Lighting Controls
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ZSE Security and Authentication Device Certificate Authority
Key Distributio n
Secure Link
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IEEE 802.24
IEEE 802.3 IEEE 802.11 IEEE 802.3 1000BASE-X
IEEE 802.22 IEEE 802.16 IEEE 802.11 (Mesh Topology) IEEE 802.15.4: (SUN, LECIM, TVWS) IEEE 802.11ah, 802.11af IEEE 802.11 IEEE 802.15.4
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PRIME
Define capas 1 y 2 de modelo OSI Soporte para IPv6 Licencia libre (abierto) Estandarizado por ITU-T en recomendaciones G.9901 y G.9904
sus
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PRIME
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PRIME
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PRIME
Es un anexo normativo del estandar IEEE P1901.2 El estándar CENELEC EN 52056-8-4 incluye el perfil DLMS/COSEM con PRIME
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PRIME
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El proyecto OPERA
OPERA: Open PLC European Research Alliance “Desarrollo de una nueva generación de sistemas PLC en Europa” Optimizar el acondicionamiento de la red eléctrica (MT y BT)
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HomePlug
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HomePlug
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Ruteadores y Switches Industriales AR531-2C-H
AR531-F2C-H
AR531GBP-D-H
WAN speed with services (IMIX)
150 Mbps
150 Mbps
150 Mbps
Fixed WAN interface
2GE(SFP)
2GE(SFP)
2*GE+ 1*3G(WCDMA)
Fixed Ethernet interface
6*FE 10/100 Mbps (RJ45) + 2*FE 100Mbps Combo
6*SFP 100Mbps + 2*FE 100Mbps Combo
3G
-
-
Power Line Communication
-
-
Other Interface
512M
FLASH
512M
Power supply Operating temperature Dimensions
WCDMA(HSDPA ), GPRS, External antenna 2*BPL
2*RS485 ， 2*DI ， 1*Serial console interface
Memory USB 2.0
6FE 10/100Mbps(RJ45)
1 AC: 100 to 240V (single phase) @ 50-60Hz 173 to 415V (three phase) @ 50-60 Hz -40 ～ 70°C W x D x H: 88 mm*250mm*220mm
DC:-38.4 to -72V
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Agenda Introducción Protocolos Nuevos Protocolos Seguridad Pruebas
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IEEE 802.1X
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IEEE 802.1X WPS WPA WPA2 RADIUS
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Seguridad IEEE 802.15
802.15.4 security AES-CCM-128 provee confidencialidad y auntenticación en el envío de mensajes. 802.15.9 KMP Usa KMPs existententes como: IKEv2, HIP, 802.1X, PANA, Dragonfly, 802.11/4WH, 802.11/GKH, ETSI TS 102 887-2.
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Seguridad IEEE 802.16 Authenticatio Mutual Replay n Authentication Protection
Standard
Identity
Cryptographic algorithms
IEEE 802.162004
X.509 digital certificates
PKMv1
No
Yes – packet numbering
DES in cipher block chaining (CBC) mode (DESCBC).
802.16-2009 802.16-2012
X.509 digital certificates that include MAC address
PKMv2: RSA and EAP based authentication
Yes
Yes – packet numbering
DES-CBC and AES (with CBC, CTR, and CCM)
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Seguridad IEEE 802.21d AES CCM-128 para cifrado y auntenticación de mensajes ECDSA-256 Firma Digital
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Seguridad IEEE 802.22
Security Sub-layer 1
encryption
Security Sub-layer 2
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Seguridad en PLC Countermeasures according to the model process structure Gateway model Hierarchical model
Individual model
Gateway has all security function GW
GW GW
GW
* Hierarchized gateway model * different cipher key is used in each layer
PLC modem
points ・ Each node's resource is least ・ If GW is broken, The damage is biggest. ・ If some layer's GW is broken, The damage to the other layer is small.
・ flexible Every node has a security function ・ Big CPU power is requested at each node individually ・ Key management is complex
distribution board
power line
PLC modem distribution board
In the environment of PLC, possible measure model is only the idividual model
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Agenda Introducción Protocolos Nuevos Protocolos Seguridad Pruebas
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Software para medición del Throughput
Software de medición Wireshark.
Software de generación de trafico DITG Software de medición Netwalk
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Procesos para evaluar Servicios Triple Play sobre PLC Distancia • 2 m. • 4 m. • 6 m. • 8 m.
Tamaño del Paquete • 125 MB • 250 MB • 512 MB • 1024 MB • 2048 MB
Número de estaciones •1 •2 •3 •4
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Arquitectura de la Red PLC
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Análisis de Throughput utilizando FTP Cerverus
Para el análisis del Throughput se utilizó el Servidor FTP Cerverus,variando el tamaño del Archivo y el numero de host conectados. Análisis con la herramienta Netwalk para un archivo de 512MB – 1 Host
Grafica de la tasa de transferencia de un archivo de 512MB – 1 Host
Análisis del throughput para un archivo de 512MB – 1 Host
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Análisis de Throughput utilizando 3CX Server (Telefonía)
Utilizando la tecnología PLC se realizó llamadas telefónicas con el Softphone X-Lite para verificar la tasa de transferencia, retardo jitter, paquetes perdidos y determinar si es factible la implementación de un servidor demo de telefonía con 3CX.
Análisis con la herramienta Netwalk Telefonía
Para la práctica se utilizó el códec G.711 usando como técnica de modulación PCM. El codificador utiliza 8 bits por muestra, las cuales son muestreadas a una tasa de 8kHz codificando a una tasa de 64Kbps.
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Análisis de Throughput utilizando 3CX Server (Telefonía)
•
Grafica de la tasa de transferencia VoIP (Packets/s)
•
Análisis de los protocolos y su tasa de transferencia.
Tráfico VoIP en Wireshark.
Jitter, Latencia y AB en una trama en Wireshark.
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Análisis de Throughput utilizando VLC media Player (Streaming)
•
•
Para el análisis del Throughput con respecto a streaming de video se utilizó el Servidor VLC media Player con el objetivo de realizar streaming hacia los host de la red.
Análisis con la herramienta Netwalk
Para eliminar los efectos causados por la variación del retardo (jitter), se aplica una etapa inicial de buffering en la que se almacena una parte inicial del medio para disponer de información a reproducir en el caso en el que el retardo aumente.
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Análisis de Throughput utilizando VLC media Player (Streaming)
•
Grafica No. 36: Grafica de la tasa de transferencia streaming (Packets/s) Tráfico de Streaming en Wireshark.
•
Análisis de los protocolos RTSP y H264
Después de las características propias de este tipo de transmisión streaming se llega a valores aproximados de 3 Mbps en el throughput utilizando 3 host. Summary con Wireshark del tráfico de Streaming
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Contraste de PLC con la red LAN Contraste de la red PLC 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
Telefonía
Videoconferncia PLC
LAN
Streaming
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Análisis del FTP con el Inyector de tráfico DITG •
Se generó tráfico en intervalos y tamaños constantes, de 707 paquetes/s con un tamaño de 1000 bytes.
•
•
Gráfica de Bitrate y jitter
Datos de parámetros sobre la red PLC con el servicio FTP ( 3 Host ) •
Gráfica de Delay y Packet lost
Como los valores obtenidos de Throughput y Packets/s del D-ITG son similares a los obtenidos mediante descarga desde el servidor FTP hacia los host.
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Contraste de PLC con D-ITG y la red LAN Contraste de la red PLC 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0
Telefonía
Videoconferncia PLC
LAN
Streaming D-ITG
FTP
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Referencias
Marc DELANDRE, Anil MENGI, G3-PLC, http://www.g3-plc.com Robert F. Heile, ZigBee Smart Energy, Atlanta, Georgia, USA, ZigBee Alliance, 2009. Tim Godfrey, 802.24.1 Smart Grid Consolidated White Paper Presentation, Marzo, 2016.
TAG
Hao Liang, Overview of Communication Systems for Smart Grid, Department of Electrical and Computer Engineering University of Waterloo, Canada, 2011.
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Referencias
Devendra Kumar, Communication Systems in Power Applications. Cigre Colloquium, Mysore, November 13-15 Chander B Goel, Last Mile Connectivity Challenges in Smart Grid, Texas Instruments India Alfredo Sanz, PRIME advantages & best practices, Atmel, Brasil, 2014. PLC: Internet por la red eléctrica, http://www.informaticahoy.com.ar/redes/PLC-Internet-por-la-red-electrica.php
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Referencias
Richard Newman, CIS 6930 Powerline Communications, Introduction, 2013. Rodrigo Rojas Rocha, Ingeniería de Telecomunicaciones, PLC, Universidad de Aquino. Brian L. Evans, Smart Grid Communications, Dept. of Electrical & Computer Engineering, Wireless Networking & Communications Group, The University of Texas at Austin, 2013 Power Plus Communications AG, Broadband Powerline (BPL) for Smart Metering and Smart Grids
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Referencias Cypress solution, PSoC Solution for PLC
Gabriel Narváez, Estudio de Rendimiento y Eficiencia de servicios Triple Play sobre una Red PLC (Power Line Comunications), ESCUELA POLITECNICA DEL EJERCITO, Departamento de eléctrica y electrónica. Li Jian, Promotional Theme Slides of Huawei Industrial Switching Router, 2013. Ryuzou Nishi (ISIT), Home Network Security ( based on power line communication ), 2004. Promotional Theme Slides of Huawei Industrial Switching
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Preguntas jcolivares@itmorelia.edu.mx
http://dsc.itmorelia.edu.mx/~jcolivares