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Les courants porteurs De nouveaux enjeux pour concrétiser un vieux reve Jean-Pierre Lobert Ooctober 2003.

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1 Les courants porteurs De nouveaux enjeux pour concrétiser un vieux reve Jean-Pierre Lobert Ooctober 2003

2 Page 2 Le courant porteur en Ligne (CPL) en deux phrases ? La possibilité dutiliser le réseau de distribution électrique en létat pour transporter des millions informations. La convergence réussie des mondes de lélectricité, des télécommunications et de linformatique.

3 Page 3 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 lADSL, 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

4 Page 4 Le courant porteur en Ligne (CPL) Apparition du haut débit Une technologie récente Une techno poussée par les besoins daccès à Internet Une volonté dutilisation du réseau électrique existant Permettre le développement rapide dun 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 dinteropérabilité en chantier avancé

5 Page 5 Le courant porteur en Ligne (CPL) Un potentiel important Dautres applications possibles Distribution de laccès Internet Extension du réseau téléphonique classique et IP Diffusion de laudio et de la vidéo Un réseau pour la sécurité et le contrôle d accès Un réseau de terrain pour limmotique 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

6 Page 6 Laccès par le réseau électrique généralités Medium voltage power network Telecommunication network link Branch 1Branch 2Branch N

7 Page 7 Medium Voltage PLC Network

8 Page 8 Internet PSTN Intern et Acces (1-10 MHz) Interne (10-30 MHz) XDSL/Cable Modem Home GW immeubleG W Phone Gateway Video Server Réseau de distribution Deux réseaux sur un seul Une cohabitation forcée

9 Page 9 PLC Confort controller RF 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 maîtrisé La panacée le mélange haut et bas débit

10 Page 10 Le courant porteur en Ligne (CPL) Exemple de Combinaison Réseau électrique Modem CPL Cameras réseau Modem CPL Poste fixe Vidéo + Contrôle d accès + accès Wireless Portier daccès Interface CPL Terminal avec écran PDA PC Portable Connexion Wireless Téléphonie

11 Page 11 Architecture hybride pour une école

12 Page 12 Le courant porteur en Ligne (CPL) Normalisation pour le haut débit

13 Page 13 Le courant porteur en Ligne (CPL) Fréquences autorisées en bas débit Deux organismes de régulations des fréquences FCC (North America) et CENELEC (Europe)

14 Page 14 Ressources spectrales pour les CPL Ressources spectrales pour les CPL 9 kHz95 kHz148.5 kHz1 MHz10 MHz30 MHz100 MHz According to EN50065Acces 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 laccès et de la coexistence

15 Page 15 Lec CPL basses fréquences F kHz DISTRIBUTION PLCPRIVATE 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 daccès normalisé « domotique » dans la bande 125kHz-140kHz Des tentatives « spectre large » au dessus de 50 kHz

16 Page 16 Analyse de la propagation haute fréquence

17 Page 17 Les CPL hautes fréquences 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

18 Page 18 Sources 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 dimpédance Qualité des connexions électriques

19 Page 19 Dynamique des signaux des contraintes réglementaires Un bilan établi et incontournable (normes CEM) 60 dB de dynamique 3 dB de perte à linsertion 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

20 Page 20 Types 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 jusquici 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

21 Page 21 Schémas 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

22 Page 22 Modulations de base

23 Page 23 Système 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, DS f…..)

24 Page 24 Fundamentals of OFDM

25 Page 25 Orthogonal 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

26 Page 26 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 sadapter au milieu de transmission: phase shift keying (PSK) or quadrature amplitude modulation (QAM).. La solution technique DS2 la plus aboutie

27 Page 27 DS2 une solution hautement sécurisée – Physique:la propagation des signaux peut être limitée voire volontairement stoppée sur le réseau électrique et lest naturellement en flux montant et descendant (pas un bus) – Accès physique: le contrôle de laccès DS2 est centralisé et soumis à enregistrement préalable, les tentatives denregistrement peuvent être tracées, de plus la modulation et le codage sadaptent en permanence aux évolutions du canal et il faut suivre les flux montants et descendants pour linterpréter – Liaisons des données: un chiffrement de linformation 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 linformation (protocole sous Linux et Windows)

28 Page 28 Head End Physical / Electrical Characteristics CharacteristicsValue/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, Hz Power Consumption Wt45 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 Nodes254 MTBF70,000 power-on-hour Operating Conditions0 - 40º C

29 Page 29 CharacteristicsValue/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, Hz Power Consumption Wt8.5 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 Nodes254 MTBF70,000 power-on-hour Operating Conditions0 - 40º C Aries CPE Physical / Electrical Characteristics

30 Page 30 Autres exemple de solutions : HOME PLUG Initiative des USA pour la communication dans lhabitat Utilisation de « Wide spectrum OFDM » Une spécification qui garantit linteropérabilité des produits Des coûts déquipement très bas (certification CE) Utilisation de toute la bande pour un seul canal fiable Peu doutil de gestion et de contrôle à ce jour

31 Page 31 Homeplug Conforme à la spécification HomePlug 1.0, qui autorise des transfert de données 8 -14Mbps Une propagation jusquà 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

32 Page 32 Le point clé est doptimiser lutilisation 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 Aujourdhui des combinaisons des produits existants sont possibles mais nécessitent dinventer des « recettes » Eléments techniques pour préparer le futur

33 Page 33 Conclusion des opportunités à saisir Des solutions techniques qui convergent et sont matures grâce à de nombreux tests Une normalisation avancée et en voie dachèvement Des coûts acceptables à fort potentiel de baisse Des outils et savoir faire disponibles pour le déploiement et lexploitation des réseaux CPL Des performances à la hauteur des besoins et des enjeux économiques


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