Les courants porteurs De nouveaux enjeux pour concrétiser un vieux reve Jean-Pierre Lobert Ooctober...

Les courants porteurs

De nouveaux enjeux pour concrétiser un vieux reve

Jean-Pierre Lobert Ooctober 2003

Le courant porteur en Ligne (CPL)en deux phrases ?

La possibilité d’utiliser le réseau de distribution électrique en l’état pour transporter des

millions informations.

La convergence réussie des mondes de l’électricité, des télécommunications et de

l’informatique.

Le courant porteur en Ligne (CPL) Etat des lieux

Le courant porteur– Utilisation du réseau électrique– Une techno ancienne arrivée à

maturité– Profite des percées techniques

de l’ADSL, DAB et DVB

De nombreuses expérimentations– Des preuves techniques– Des tests commerciaux RWE

(sept 02), Norweb (Nortel)– Avancée réglementaire

Le réseau de données porté par le courant

Des évolutions technologiques récentes

– Plus de fiabilité label CE– Plus de débit (plus de 45 Mbps)– Une techno moins chère

Le marché Indoor en plein essor – normalisation avancée– Une offre complémentaire au haut

débit (câble, ADSL, …)– Accès Internet– Voix et vidéo sur IP

Le CPL : Une opportunité économique

Le courant porteur en Ligne (CPL)Apparition du haut débit

Une technologie récente Une techno poussée par les besoins d’accès à Internet Une volonté d’utilisation du réseau électrique existant Permettre le développement rapide d’un réseau informatique

dans un appartement, un immeuble, une usine voire une ville

Des évolutions importantes Bande de fréquence utilisée entre 1 et 40 MHz Des débits de plus en plus significatifs

Disponibles: 14 Mbps, 45 Mbps En 11/2003: 100 Mbps, 200 Mbps

Plus de fiabilité et de contrôle Les normes d’interopérabilité en chantier avancé

Le courant porteur en Ligne (CPL) Un potentiel important

D’autres applications possibles Distribution de l’accès Internet Extension du réseau téléphonique classique et IP Diffusion de l’audio et de la vidéo Un réseau pour la sécurité et le contrôle d ’accès Un réseau de terrain pour l’immotique et la domotique...

Autant de services à déployer et à inventer Télémaintenance des systèmes et équipements. Téléassistance en prolongation des réseaux existants

(Câbles, ADSL, …) Haute Sécurité de transmission par la redondance des voie

de transmission

L’accès par le réseau électriqueL’accès par le réseau électriquegénéralitésgénéralités

Medium voltage power network

Telecommunicationnetwork link

Branch 1 Branch 2 Branch N

Medium Voltage PLC NetworkMedium Voltage PLC Network

Internet

PSTN

Internet

Acces (1-10 MHz)

Interne (10-30 MHz)

XDSL/Cable Modem

Home GW

immeubleGW

Phone Gateway

Video Server

Réseau de distribution

Deux réseaux sur un seulDeux réseaux sur un seulUne cohabitation forcéeUne cohabitation forcée

PLC

Confort controllerRF

Alarm system

Temperature sensor

IR Sensor

Security sensor

Heating

Lighting

Wireles Security

RF

ADSL

VIP Home Center

Wireless keyboard

Electricity meter and PLC box

Réseau domestique maîtriséLa panacée le mélange haut et bas débit

Le courant porteur en Ligne (CPL) Exemple de Combinaison

Réseau électrique

Modem CPL

Cameras réseau

Modem CPLPoste fixe

Vidéo + Contrôle d ’accès + accès Wireless

Portier d’accès

Interface CPL

Terminalavec écran

PDAPC Portable Connexion Wireless

Téléphonie

Architecture hybride pour une école

Le courant porteur en Ligne (CPL)Normalisation pour le haut débit

Le courant porteur en Ligne (CPL)Fréquences autorisées en bas débit

Deux organismes de régulations des fréquencesFCC (North America) et CENELEC (Europe)

Ressources spectrales pour les CPLRessources spectrales pour les CPL

9 kHz 95 kHz148.5 kHz 1 MHz 10 MHz 30 MHz 100 MHz

According to EN50065 Acces and In-home

1Mbit/s

Dans le domaine des bandes régies par EN50065 le débit de données est limité a qq 10kb/s

•Pour des débits de plusieurs Mbs les fréquences requises sont au delà du MHz, ce qui implique :• normalisation des puissances émises • résolution des problèmes de compatibilité électromagnétique• réglementation de l’accès et de la coexistence

Lec CPL basses fréquencesLec CPL basses fréquences

9 95 148.53 125 140 F kHz

DISTRIBUTION PLC PRIVATE AREA

• Applications distributeurs en dessous de 95kHz et privé au dessus. • Niveau limité en dessous de 130 et 120 dBµV• Une bande peu « bruitée » de 40 kHz à 95 kHz principalement pour le télé relevé des compteurs• Protocole d’accès normalisé « domotique » dans la bande 125kHz-140kHz• Des tentatives « spectre large » au dessus de 50 kHz

Analyse de la propagation haute fréquenceAnalyse de la propagation haute fréquence

Les CPL hautes fréquencesLes CPL hautes fréquences

15 38.51

F MHz

DISTRIBUTION PLC PRIVATE AREA PLC

• Les distributeurs opèrent en dessous de 15 MHz • Les puissances tolérées sont très basses• Par contre peu de bruit au dessus de 5 MHz• La normalisation des protocoles est engagée• Forte compétition entre les solutions industrielles

Sources de perturbation de la transmissionSources de perturbation de la transmission

• Atténuation du réseau

• Couplage avec les émissions radio fréquence

• Bruits liés à la désadaptation

• Bruits impulsifs des équipements

• Commutations, variations rapides d’impédance

• Qualité des connexions électriques

Dynamique des signauxdes contraintes réglementaires

•Un bilan établi et incontournable (normes CEM)•60 dB de dynamique•3 dB de perte à l’insertion•10 à 20 dB atténuation du signal pour 100 m

•Nécessité de prévoir une répétition •En bref par canal

• 500 m en HTA• 300 m en basse tension

Types de système de communication physiqueTypes de système de communication physique

• Le choix de la technique de modulation a été un élément crucial pour la réussite des produits Deux familles de solutions se sont succédées:

Système analogique• jusqu’ici utilisé pour la voix, simple to produire et à traiter• sécurité faible et fiabilité mise en cause par les perturbations

Système numérique• mise en œuvre pour résoudre les problèmes de parcours multiples dans les transmissions radio fréquences• Complexe à produire et mettre au point• Très robuste aux perturbations• Hautement sécurisé

Schémas de Modulation numériqueSchémas de Modulation numérique

Les schémas de modulation support des systèmes

numériques demeurent:

•Amplitude modulation ASK •Frequency Shift Keying FSK• Digital Phase Shift Keying DPSK• Continous Phase Frequency Shift Keying CPFSK

Ils constituent les briques de base des systèmes numériques

Modulations de baseModulations de base

Système de modulation à étalement de spectreSystème de modulation à étalement de spectre

• Les précédents schémas de modulation utilisaient une fréquence porteuse et étaient donc sensibles aux perturbations subies par cette porteuse (NORTEL)

• Pour assurer une bonne immunité les données sont transmises sur plusieurs fréquences

• Trois porteuses simultanées (ASCOM)• Séquence directe (ITRAN première génération) • Un grand nombre de porteuses via OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing(Home PLUG 80 f, DS2 1200 f…..)

Fundamentals of OFDMFundamentals of OFDM

Orthogonal Frequency Division MultiplexingOrthogonal Frequency Division Multiplexing

Avantages:

• Se satisfait des mauvaises caractéristiques du support

transmission

• Autorise une gestion dynamique des fréquences disponibles

• Forte résistance aux interférences, en particulier aux bruits

impulsifs

• Peu sensible aux distorsions de propagation

• insensible aux parcours multiples

Utilise des fréquences porteuses avec recouvrement et ainsi une densité b/Hz inégalée

Permet un masquage à la demande des fréquences émises et offre un forte tolérance aux pertes de porteuses

Le nombre de porteuses par canal (3 canaux) de transmission est

• Upstream Channel: 512

• Downstream Channel: 768

• Total: 1280

Chaque canal peut dynamiquement modifier son principe de modulation pour s’adapter au milieu de transmission: phase shift keying (PSK) or quadrature amplitude modulation (QAM)..

La solution technique DS2

la plus aboutie

DS2une solution hautement sécurisée

– Physique:la propagation des signaux peut être limitée voire volontairement stoppée sur le réseau électrique et l’est naturellement en flux montant et descendant (pas un bus)

– Accès physique: le contrôle de l’accès DS2 est centralisé et soumis à enregistrement préalable, les tentatives d’enregistrement peuvent être tracées, de plus la modulation et le codage s’adaptent en permanence aux évolutions du canal et il faut suivre les flux montants et descendants pour l’interpréter

– Liaisons des données: un chiffrement de l’information transmise est assuré en permanence avec cloisonnement possible entre les équipements (norme 802.1q VN)

– Application: un VPN peut être si nécessaire être construit au dessus du niveau transport de l’information (protocole sous Linux et Windows)

Head End Physical / Electrical CharacteristicsHead End Physical / Electrical Characteristics

Characteristics Value/Description

Dimensions (mm) 125 (w) x 275 (h) x 292 (d)

Weight (Kg) Gross 2.3 Kg / Net 3.5 Kg

Voltage Rating (Volt; Hz) 115/230 V AC, 50-60 Hz

Power Consumption Wt 45 W

Ingress Protection (IP ) no

Humidity (%) 5 – 90%, non-condensing

Status & Error LEDs

On / Off PLC Downstream Tx PLC Upstream Tx

Ethernet Tx

Standards

DS2 PLC Ethernet 802.3, 10/100Tx Bridging 802.1d VLAN 802.1q

Number of Slave Nodes 254

MTBF 70,000 power-on-hour

Operating Conditions 0 - 40º C

Characteristics Value/Description

Dimensions (mm) 50 (w) x 108 (h) x 181 (d)

Weight (Kg) Gross 1.2 Kg / Net 0.5 Kg

Voltage Rating (Volt; Hz) 115/230 V AC, 50-60 Hz

Power Consumption Wt 8.5 wo VOIP 10 W w VOIP

Ingress Protection (IP ) no

Humidity (%) 5 – 90%, non-condensing

Status & Error LEDs

On / Off PLC Downstream Tx PLC Upstream Tx

Ethernet Tx

Standards

DS2 PLC Ethernet 802.3, 10/100Tx Bridging 802.1d VLAN 802.1q

Number of Slave Nodes 254

MTBF 70,000 power-on-hour

Operating Conditions 0 - 40º C

Aries CPE Physical / Electrical CharacteristicsAries CPE Physical / Electrical Characteristics

Autres exemple de solutions : HOME PLUG

• Initiative des USA pour la communication dans l’habitat

•Utilisation de « Wide spectrum OFDM »

• Une spécification qui garantit l’interopérabilité des produits

•Des coûts d’équipement très bas (certification CE)

•Utilisation de toute la bande pour un seul canal fiable

•Peu d’outil de gestion et de contrôle à ce jour

Homeplug

Conforme à la spécification HomePlug 1.0, qui autorise des transfert de données 8 -14Mbps

Une propagation jusqu’à 300 mètres

OFDM entre les fréquences 4.3MHz et 20.9MHz

Signal transmis sur 84 porteuses simultanément

Utilise un système de control automatique de gain et de synchronisation

Le point clé est d’optimiser l’utilisation du capital fréquence

Penser le réseau électrique autrement et tester les concepts en vraie grandeur

La génération actuelle est non inter opérable: il faut une implication des utilisateurs

Aujourd’hui des combinaisons des produits existants sont possibles mais nécessitent d’inventer des « recettes »

Eléments techniques pour préparer le futur

Conclusiondes opportunités à saisir

Des solutions techniques qui convergent et sont matures grâce à de nombreux tests

Une normalisation avancée et en voie d’achèvement Des coûts acceptables à fort potentiel de baisse Des outils et savoir faire disponibles pour le

déploiement et l’exploitation des réseaux CPL Des performances à la hauteur des besoins et des

enjeux économiques

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