Este artículo describe la especificación HomePlug AV (HPAV) para la transmisión de datos en líneas de baja tensión (220V). Los equipos HPAV alcanzan tasas de transmisión de hasta 150 Mbps, lo que permite utilizar servicios de telecomunicaciones de banda ancha en el hogar sin necesidad de instalar una estructura de cableado ad hoc.

Los sistemas de transmisión de datos en líneas de alta tensión (PLC, Power Line Communications) han sido utilizados desde hace ya muchos años por diversas empresas del sector productivo español. Sin embargo, los avances tecnológicos alcanzados a lo largo de este último lustro han hecho posible que esta tecnología pueda ser utilizada en el hogar. Dicho de otro modo, se ha alcanzado una tasa efectiva de transmisión de información (medida en Mbps) lo suficientemente alta como para poder introducir esta tecnología dentro del sector de la telecomunicaciones del ocio y el entretenimiento.
Existen en el mercado dispositivos PLC a precios muy competitivos que permiten interconectar todo tipo de equipos informáticos entre sí utilizando el sistema de cableado de baja tensión (220V) que hay en todos los hogares.  Se consiguen tasas de transmisión de hasta 150 Mbps y es posible establecer conexiones con requerimientos de calidad de servicio muy severos (por ejemplo, para la transmisión de HDVD, High Definition Video Distribution). El competidor natural de la tecnología PLC son las redes inalámbricas 802.11g, aunque éstas solo disponen de una capacidad de 54 Mbps y en muchas ocasiones la cobertura no alcanza a todos los rincones del hogar, lo que puede dejar algunas habitaciones sin acceso a la Intranet y a Internet.

Especificación HomePlug AV
HomePlug PowerLine Alliance [1] es una asociación —sin ánimo de lucro— de las industrias que lideran el sector de la transmisión de información en líneas de baja tensión (PLC, Power Line Communications). La asociación fue creada en marzo de 2000 y su primer estándar industrial salió a la luz en junio de 2001.
HomePlug AV (HPAV, donde las siglas AV se refieren a Audio/Vídeo) es el estándar que actualmente se utiliza en la especificación y diseño de los dispositivos electrónicos utilizados en este tipo de comunicaciones. Se trata de una evolución natural de la especificación anterior, denominada Turbo HomePlug1, cuyo principal objetivo era proporcionar acceso a Internet de banda ancha. El estándar HPAV sin embargo, además de garantizar un acceso a Internet de elevado caudal, está diseñado para permitir también la distribución de contenidos de audio y/o vídeo de alta definición en el hogar.
Aunque la especificación formal del estándar es relativamente reciente (mediados del 2005), ya existe un puño de fabricantes que distribuyen equipos HPAV a precios razonablemente asequibles. Ello da a entender el elevado interés que los sectores productivos de las TIC están teniendo por este nicho del mercado. En efecto, su principal baza es que en todos los rincones de un hogar hay enchufes disponibles, que por otra parte deben ser forzosamente utilizados ya que la mayoría de los equipos de comunicaciones van alimentados.
Como se verá en apartados posteriores, la tecnología que debe emplearse para alcanzar las especificaciones HPAV es muy compleja. Ello es debido a que el canal de comunicaciones, al ser diseñado únicamente para la transmisión de potencia eléctrica, es muy hostil a la transmisión de señal. En efecto, sus características eléctricas son de muy bajas prestaciones (atenuaciones brutales con una fuerte dependencia con la frecuencia, presencia de señales de ruido de diversas características —blanco, impulsivo e interferente—, desacoplo de impedancias en función del uso de los enchufes, etc.) [2]. Además, hay que añadir el hecho —quizá más grave— de que todas ellas varían fuertemente con el tiempo [3][4]. Evidentemente, el estándar HPAV ha tenido que esperar a que el desarrollo de las tecnologías de las comunicaciones alcance una cierta madurez. Este retraso podría explicar el uso más bien escaso que todavía se hace de esta tecnología en los hogares españoles.
La especificación HPAV pretende también dotar a sus sistemas de los mecanismos de gestión automáticos necesarios tanto para que el equipo sea Plug&Play  para el usuario, como de fácil y rápida configuración para el proveedor de servicios. Además, dado que el canal de comunicación es compartido, el estándar HPAV también especifica el uso de técnicas de cifrado con los automatismos necesarios para los procesos de generación y renegociación de claves. La última especificación ya incluye la posibilidad de transmitir no solo en líneas de potencia eléctrica sino también en coaxial. Parece ser que ésta es la única solución (ver apartado de conclusiones) para poder alcanzar en la actualidad tasa de transmisión muy elevadas.
Finalmente decir que, además de HomePlug Alliance, existen otros organismos reguladores dentro del sector PLC (lo que se explica por el hecho de que esta tecnología es muy antigua; por ejemplo, en los años 80 ya se fabricaban equipos para la transmisión de voz por las catenarias de los trenes). Algunos de los más destacados son Universal Powerline Association, Consumer Electronics Powerline Communications Alliance y Open PLC European Research Alliance.

Arquitectura del sistema
En la figura 1 se representa el diagrama de la arquitectura de un sistema HPAV. Como puede observarse, la arquitectura define los planos de datos y de control. En el primer caso, se observa la clásica división en capas de los sistemas de comunicación basados en los estándares relativos a las redes de área local (LAN), lo que facilita notablemente la integración del dispositivo con los terminales informáticos que hay actualmente en el mercado.
El plano de control tiene la peculiaridad de ser monolítico, es decir, la gestión de la conexión se hace entendiendo los niveles físico, de acceso y de convergencia como un todo, mediante la utilización de técnicas de crosslayer. Ello permite diseñar la unidad de gestión de la conexión de forma mucho más eficiente y flexible a la hora de adaptarla a innovaciones posteriores.
La arquitectura HPAV exige que de entre todos los modem-PLC que conformen una misma red, uno de ellos debe hacer las veces de estación central. Dicha estación será la única que poseerá un Coordinador Central (CCo) encargado de reservar el ancho de banda necesario para las conexiones con requerimientos de QoS (tanto las sincrónicas como las asincrónicas pero con prioridades).

Plano de datos: nivel físico
La transmisión de señales por el medio físico opera en la banda de frecuencias comprendida entre los 2 y los 28 MHz. Los mecanismos de modulación son tales que, con este pequeño ancho de banda son capaces de transmitir 200 Mbps (velocidad de canal). El uso de Turbo Códigos Convolucionales para la detección y recuperación automática de errores reduce la tasa real de bits de información transmitida en aproximadamente 150 Mbps.
Los símbolos se transmiten mediante OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) [5] con un total de 917 portadoras ortogonales disponibles. Este tipo de modulación multiportadora tiene dos grandes ventajas: la primera es que, al utilizar tantas portadoras, el periodo temporal de los símbolos es lo suficientemente largo para hacer la transmisión inmune a los efectos producidos por los desvanecimientos y el ruido impulsivo, ambos fenómenos muy habituales en los entornos PLC. Además, cada uno de esos 917 tonos puede a su vez modularse independientemente utilizando desde un simple BSK hasta un 1024-QAM. Cada portadora elige su modulación en función de la relación señal a ruido que ella misma observa, por lo que el sistema es capaz de adaptarse fácilmente a los cambios repentinos de la función de transferencia del canal de comunicaciones. Lógicamente, el plano de control (y más concretamente la unidad denominada Gestor de la Conexión) es la que se encarga de medir constantemente las características del canal para adaptar convenientemente la señal generada.
Finalmente, decir que a todo el entramado de bits de información se le añade un conjunto de bits de control para la corrección de errores “hacia delante” (FEC, Forward Error Correction). Estos bits de control se calculan utilizando turbo códigos convolucionales y permiten recuperar tramas de bits recibidos erróneamente sin necesidad pedir la retransmisión de la trama.

Plano de datos: nivel MAC
El nivel de acceso al medio de HPAV puede llegar a establecer tres tipos diferentes de modos de transferencia:

 Transferencias orientadas a la conexión, con requerimientos de Calidad de Servicio como el ancho de banda garantizado, la limitación del jitter y de la latencia máxima. Este servicio se proporciona utilizando un sistema TDMA (Time Division Multiple Access) periódico en tiempo.
 Transferencias no orientadas a la conexión (conectionless), que comparten un mismo canal de comunicaciones (contention) pero capaces de establecer prioridades para arbitrar el acceso al medio. Este modo de transferencia es utilizado por servicios asíncronos pero con requerimientos de Calidad de Servicio. Se proporciona mediante un esquema CSMA/CA basado en prioridades.
 Transferencias no orientadas a la conexión (conectionless), que comparten un mismo canal de comunicaciones (contention). Este modo de transferencia es utilizado por los servicios best-effort mediante un esquema CSMA/CA tradicional.

Para proporcionar estos modos de transferencia, HPAV-MAC implementa una arquitectura de gestión centralizada. El modem-PLC encargado de realizar dicha gestión debe activar su CCo (módulo Coordinador Central, ver figura 1). El CCo es el encargado de establecer y gestionar el uso de los beacon-period, un periodo de tiempo base2 que a su vez se divide en tres regiones temporales (figura 2):

- Beacon region.
- CSMA region.
- Contention-free region.

La primera zona temporal (beacon region) es utilizada por la CCo para advertir a todos los modem-PLC conectados a la red sobre la distribución de conexiones pre-establecidas que emplearán el resto del periodo (regiones CSMA y Contention-free) para la transmisión de sus datos. La distribución anunciada es persistente en el sentido en que el CCo se compromete a no alterar dicha organización durante un número consecutivo de beacon-periods. Dada la importancia de este periodo para el buen funcionamiento del HPAV-MAC, la baliza que se utiliza es una señal eléctrica de una gran robustez y fiabilidad.
La región contention-free se gestiona mediante un sistema TDMA. Los niveles superiores (TCP o incluso IP, al menos en la versión 6 del protocolo) de un model-PLC cualquiera dialogan con su módulo Gestor de la conexión (CM) para negociar los requerimientos de QoS demandados por la aplicación: ancho de banda garantizado, transmisión libre de errores, latencia limitada y control de jitter. Terminada la negociación, la CM se comunica con el CCo del modem-PLC central y le hace saber sus necesidades de Calidad de Servicio. Si la CCo tiene capacidad para aceptar la conexión, le pide al modem-PLC que estime la capacidad del canal, emitiendo un tono de prueba por cada una de las portadoras de la modulación OFDM. El resultado de dicha estimación se envía a la CCo que finalmente determina el número de ranuras temporales que le asigna al modem-PLC durante el contention-free region. Las ranuras temporales no utilizadas para el transporte de tráfico con Calidad de Servicio son utilizadas dinámicamente por el resto de modem-PLC para la transmisión de tramas CSMA/CA en modo no-persistente. Si éstas últimas no se utilizan, las conexiones con requerimientos de Calidad de Servicio pueden, con el permiso de la CCo, usar dicho ancho de banda para aumentar su capacidad.
Finalmente, la región CSMA proporciona el intervalo de tiempo en el que los modem-PLC pueden luchar por la posesión del canal mediante un esquema CSMA/CA basado en prioridades y de forma persistente.

Plano de control: coordinador central (CCo)
Cada CCo es responsable de controlar una AV Logical Network (AVLN), la cual está constituida por varios modem-PLC que comparten un Network Membership Key (NMK), gracias al cual cada miembro de la AVLN puede comunicarse con el resto de miembros de forma privada y segura.
La CCo es responsable de las siguientes tareas:

 Gestión dinámica del ancho de banda.
 Emitir periódicamente en modo broadcast una baliza indicando el AVLN de la que es responsable.
 Aprender la topología de su propia AVLN y la de todas las demás que comparten el mismo canal de comunicación. Para ello, le basta con escuchar la información de las AVLN que todas las estaciones transmiten en modo broadcast.
 Activar el modo de ahorro de energía en situaciones de baja carga.

De la primera función ya se ha hablado. Falta por mencionar que en caso de haber más de una AVLN, los correspondientes CCo de cada red deben coordinarse para compartir (dinámicamente) el canal- común- de comunicaciones. Por lo general, el mecanismo consiste en dividir el beacon-period en partes proporcionales al número de terminales de cada AVLN.
El mapa de la red le permite determinar la presencia de otro modem-PLC en la misma AVLN que pudiera asumir en un futuro el papel de CCo3 mediante un protocolo de
handover. Los criterios a seguir para el intercambio de funciones son, en estricto orden de prioridad:

1. Selección del usuario.
2. Capacidad del CCo.
3. Número de estaciones descubiertas en el mapa de la AVLN.
4. Número de AVNL descubiertas.

Cuando todas las estaciones están inactivas, el CCo también es responsable de activar el modo power-saving. En este modo tan solo se activa una pequeña zona temporal de la región CSMA (para que puedan iniciar una transmisión) y contention-free (para que puedan escuchar las balizas de control). Durante el resto del beacon-period, los transmisores y receptores deben apagarse, ahorrando energía y evitando posibles interferencias innecesarias con otras señales.

Equipos en el mercado
La tecnología HPAV es lo suficientemente madura como para encontrar equipos de calidad media-alta a precios muy competitivos. Empresas como Devolo, Linksys, Atlantis, Aztech, MSI y Zyxel son quizá algunas de las más destacadas. Devolo y Linksys tienen su portal en castellano y permiten la compra on-line de sus productos. Zyxel tiene solo  parte de sus contenidos traducidos al castellano y no se permite la compra on-line (aunque en su portal se facilita una relación de distribuidores españoles y sus puntos de venta).
Existen —grosso modo— tres clases de dispositivos HPAV: los modem-PLC con un interfaz Fast-ethernet IEEE-802.3, los que tiene un interfaz inalámbrico IEEE-802.11 y finalmente los que van directamente conectados al bus PCI del ordenador. Lógicamente, en los tres casos el dispositivo dispone de otro interfaz que es el que se conecta a la red de baja tensión mediante un conector tradicional.
La gama de precios oscila entre los 50 y los 200 euros, dependiendo de si el dispositivo trabaja a 14 Mbps (HomePlug 1.0), 85 Mbps (Turbo HomePlug) o 200 Mbps (HomePlug AV). En aplicaciones para la distribución de vídeo de alta definición es necesario garantizar el ancho de banda y eso sólo pueden proporcionarlo los equipos homologados según la norma HPAV (los equipos de Atlantis y Aztech aseguran en su portal que sus equipos admiten esta configuración). Por el contrario, si sólo se requieren un grupo de modem-PLC para compartir un acceso a Internet, cualquiera de los tres tipos funciona, ya que en la actualidad la limitación viene dada por el ancho de banda proporcionado por el proveedor de telecomunicaciones (3 Mbps en término medio) o por el caudal máximo de 54 Mbps que se alcanza con la tecnología inalámbrica.

Tecnologías alternativas
En este apartado repasaremos sucintamente otras tecnologías alternativas a las comunicaciones PLC para la provisión de servicios de banda ancha en hogares. Todas ellas utilizan como canal de comunicaciones algunas de las infraestructuras de cableado ya existente en e hogar: cable telefónico o coaxial. De ahí que a estas tecnologías (junto con la PLC) muchas veces se la denomine con el calificativo de “no-wire”, significando que no necesita cableado adicional y que a diferencia de la tecnología “wireless”, utiliza soporte de cobre para sus transmisiones. El estudio girará entorno a las principales prestaciones que han dado a conocer sus respectivos organismos estandarizadores.
También es interesante mencionar que, a excepción de los sistemas PLC (que llevan muchos años en el mercado), todas las tecnologías que se verán en este apartado son de muy reciente creación- al menos, sus últimas especificaciones, que por otra parte son las únicas que alcanzan cotas de calidad para el soporte de servicios de banda ancha.

MoCA
Multimedia over Coax Alliance (MoCA) es una agrupación de empresas del sector de las telecomunicaciones encargada tanto de establecer estándares como de certificar los productos que utilizan dichos estándares relativos a la transmisión de servicios de banda ancha en el espectro sin utilizar de las líneas coaxiales instaladas en los hogares. La primera especificación formal fue aprobada en febrero de 2006 y pocos meses después se lanzaron al mercado los primeros equipos.
Según los estudios realizados, los dispositivos MoCA son capaces de transmitir a velocidades de canal de 270 Mbps (nivel físico), que se traduce a unos 135 Mbps de tasa de información de bits (nivel MAC) utilizando para ello el espectro sobrante del cable coaxial, que comprende desde los 860 MHz hasta los 950 MHz4. Esta capacidad, junto con una latencia media entorno a los 5 milisegundos, hace de esta tecnología la más prometedora del sector. La interferencia que se produce en las bandas laterales del espectro (CATV y Satelite) es mínima e imperceptible en cualquiera de los dispositivos de radio y televisión distribuidos por el edificio. Además, a diferencia de la tecnología PLC, no le afecta el ruido impulsivo producido principalmente por los motores eléctricos instalados en los equipos electrónicos de gama blanca. Tampoco producne interferencias importantes en el espectro libre de RF (queja continua de muchos usuarios de RF contra los sistemas PLC que funcionan en líneas de alta tensión) gracias al apantallamiento de coaxial.
Esta tecnología tiene, sin embargo, dos grandes inconvenientes. El primero de ellos es que aunque la McOA asegura que un 90% de los hogares estadounidenses disponen de infraestructura de coaxial, estudios recientes demuestran que en realidad no se alcanza el 30%. Probablemente, en España, este porcentaje será bastante menor. El segundo inconveniente es que por lo general, existen pocos puntos de conexión con la red: lo habitual es situar un par de tomas, una en el comedor y otra en el salón. Con suerte, es posible encontrar una toma adicional en alguna de las habitaciones.
Finalmente, hay que tener presente que en redes CATV de edificios de cierta envergadura incluyen dispositivos activos (amplificadores) que no están diseñados para ser compatibles con las especificaciones MoCA. En este caso habría que sustituir el amplificador o bien, mediante spliters y mezcladores específicos, dividir y reagrupar ambas señales a la entrada y salida del amplificador respectivamente.

HPNA
Al igual que en el caso anterior, Home Phoneline Networking Alliance es una agrupación de empresas telco encargada tanto de establecer especificaciones como de certificar los productos que utilizan dichas especificaciones relativas a la transmisión de servicios de banda ancha en el espectro sin utilizar de las líneas telefónicas y —desde su versión 3.0— también en líneas coaxiales instaladas en los hogares.
Esta tecnología es capaz de soportar 240 Mbps. Sin embargo, las pruebas de campo realizadas en hogares reales demuestran que la tasa media alcanzada es de aproximadamente 100 Mbps. Su banda de transmisión está muy por encima del utilizado por los sistemas telefónicos, por lo que no produce interferencias ni en los fax ni en los teléfonos. Además, al igual que los sistemas PLC, el 100% de los hogares y residencias de los países alineados disponen de infraestructura telefónica (aunque sea mínima).
Sin embargo, también es cierto que en muchos hogares no hay más que una toma (a lo sumo dos) de teléfono, lo que limita seriamente el posible mercado de esta tecnología. Además muchos expertos aseguran que se trata de una tecnología que no ha sido capaz de vencer las reticencias del mercado, lo que ha provocado una ralentización en las ventas y consecuentemente, también en las inversiones necesarias para su desarrollo.
Su última especificación (HomePNA 3.1) fue aprobada en enero de 2007 por la ITU y es conocida como la recomendación G.9954. La mayor novedad es que el estándar admite el uso del cable coaxial como medio de transmisión (ya recogido en la versión 3.0). La utilización del coaxial como medio de transmisión ha solucionado uno de los problemas más graves que existen en las líneas telefónicas: el mal estado y pésimo conexionado del interfaz de conexión (jack) con el equipo del usuario. Lógicamente, esta solución solo es posible cuando el cliente dispone de infraestructura de cableado coaxial.

Wireless 802.11n
Se trata de un estándar que se inició en el 2004 y que sigue en fase de desarrollo. Se prevé que será finalmente ratificado entorno a mediados de 2008. Utilizando tecnología MIMO (Multiple Imput Multiple Output) será capaz de proporcionar una capacidad entre 4 y 8 veces mayor que el actual estándar 802.11g; es decir, entre los 200 y los 400 Mbps. Habrá que esperar a ver los primeros equipos para hacer un juicio sensato pero ya se puede adelantar que uno de los mayores inconvenientes de esta tecnología es que las prestaciones se degradarán fuertemente a medida que la distancia entre el dispositivo y el punto de acceso aumente.

Conclusiones
La tecnología PLC (de la mano HomePlug AV, su organismo estandarizador más importante en la actualidad) es hoy por hoy una solución real para implantar servicios de banda ancha en la Intranet los hogares, ya que lleva mucho tiempo en el mercado y por lo tanto, existen diversos fabricantes que producen un gran número de equipos de prestaciones medias-altas a precios muy competitivos.
Por otra parte, se aprecia una tendencia en el mercado a diseñar equipos que sean capaces de transmitir en cualquier tipo de canal de comunicación doméstico. En este sentido, tanto HomePlug AV como HomePNA convergen en utilizar el cable coaxial como una alternativa a su propio canal de comunicaciones.

Más información o presupuesto

J. Malgosa Sanahuja, J. P. Muñoz Gea, P. Manzanares López, J. C. Sánchez Aarnoutse
{josem.malgosa, juanp.gea, pilar.manzarares, juanc.sanchez}@upct.es
Univ. Politécnica de Cartagena. Grupo de Ingeniería Telemática