Étude et optimisation des systèmes à courants porteurs domestiques face aux perturbations du réseau électrique Gautier AVRIL Thèse de doctorat Spécialité : Électronique. Le 10 Octobre 2008. Orange Labs Lannion Institut National des Sciences Appliquées de Rennes presentation title

Plan de la présentation Contexte Limitations des CPL Liées au réseau électrique Intrinsèques aux systèmes Liées à la réglementation CEM Améliorations proposées Détection et mitigation des perturbations impulsives Diminution du bruit des Convertisseurs Analogiques/Numériques Optimisation de la gestion du spectre Conclusions et perspectives presentation title

Contexte

CPL : une réponse à un besoin Déploiement massif des offres d'accès haut débit xDSL, FTTH, Câble, Satellite… Fourniture croissante de services par les opérateurs Internet, Télévision sur IP, Vidéo à la demande , Téléphonie sur IP Besoin : relier les terminaux (téléviseurs, PC…) à la passerelle d'accès La technologie CPL Utilisation du réseau électrique pour la transmission Superposition d'un signal hautes fréquences au 50 Hz Débit théorique : jusqu'à 200 Mbits/s (HomePlug AV) Solution complémentaire au Wifi Wifi en mobilité (PC portables, téléphones mobiles) CPL pour appareils connectés (téléviseurs, PC fixes…) presentation title

CPL : ses limitations Réseau électrique non conçu pour un signal hautes fréquences Présence de perturbations électromagnétiques Atténuation et réflexions du signal Limitations intrinsèques des systèmes Bruit de quantification des convertisseurs analogiques/numériques Réglementation CEM Limitation de la puissance d'émission Fréquences interdites à la transmission (notches) Conséquences Impact sur le débit (quelques dizaines de Mb/s en pratique) = Impact sur la QoS dans un contexte d'augmentation des services presentation title

CPL : des évolutions nécessaires Objectif : la qualité de service Avec un nombre croissant de services Avec des services dont le débit augmente Garantie d'un débit minimum des systèmes CPL En présence de perturbations du réseau Dans le respect des contraintes d'implémentation Dans le respect des contraintes normatives Nécessité de caractériser au préalable les limitations existantes presentation title

Limitations des systèmes actuels. 1 - Liées au réseau électrique. 1 Limitations des systèmes actuels 1 - Liées au réseau électrique 1.1 – Les perturbations électromagnétiques 1.2 – La fonction de transfert presentation title

1.1 - Les perturbations électromagnétiques Conduites sur le réseau électrique Signaux provenant de l'accès énergie Raies radio-fréquences couplées Signaux générés par les appareils connectés au réseau presentation title

1.1 - Méthode de mesures "classique" Étude des bruits stationnaires En fréquentiel, par un analyseur de spectre Analyse des raies radio-fréquences Analyse du niveau du bruit de fond Étude des bruits impulsifs En temporel avec un oscilloscope Déclenchement lorsque le bruit dépasse un seuil FFT pour obtenir la DSP de la perturbation Différences entre le bruit ainsi mesuré et le bruit "vu" par le modem

1.1 - Méthode de mesures selon une approche système Traitement pour les bruits stationnaires comme impulsifs : Spectrogramme : visualisation temps/fréquences Durée de la perturbation Fréquences impactées Évolution de la DSP dans le temps Estimation de l'information potentiellement perdue Acquisition en temporel à l'oscilloscope Découpe en symboles OFDM (40,96 µs) FFT sur chaque symbole Visualisation de la DSP sur un spectrogramme presentation title

1.1 - Classification des perturbations EM En fonction des variations en temps Phénomènes permanents ("stationnaires") Phénomènes périodiques synchrones avec le 50 Hz Bruit de fond coloré Bruit bande étroite Bruit impulsif périodique asynchrone Bruit impulsif périodique synchrone Variations périodiques synchrones du bruit "stationnaire" Phénomènes apériodiques Bruit impulsif apériodique Variation apériodique du bruit "stationnaire" Variation apériodique des phénomènes périodiques synchrones presentation title

1.1 - Le bruit impulsif apériodique Caractéristiques Amplitude et énergie très fortes DSP répartie sur l'ensemble de la bande Interarrivée assez longue (plusieurs secondes en général) Impact sur les systèmes Risque de saturation du récepteur Affecte un grand nombre de données Impose des retransmissions (ARQ - Automatic Repeat reQuest) Attente de la fin du décodage + Analyse des CRC => introduction d'un délai Impact sur la qualité de service presentation title

1.1 - Le bruit impulsif périodique asynchrone ("stationnaire") Caractéristiques Assez faible amplitude Fréquence de répétition très élevée (plusieurs dizaines de kHz) Augmentation du niveau de bruit stationnaire de plus de 20 dB Impact sur les systèmes Est "vu" comme un bruit stationnaire Affecte le RSB Limite le débit (jusqu'à -20%) Impact sur la qualité de service presentation title

1.2 - Classification des fonctions de transfert Mise en œuvre d'une méthode de mesure utilisant une approche système Classification obtenue : Phénomènes permanents Phénomènes périodiques synchrones avec le 50 Hz Topologie du réseau électrique Charges connectées au réseau électrique Variation périodique synchrone de la fonction de transfert Phénomènes apériodiques Variation de la topologie du réseau Variation de l'impédance des charges Variation apériodique des phénomènes périodiques synchrones presentation title

1.2 - Variations périodiques synchrones de H Origine : variations de l'impédance des charges Synchrones avec le 50 Hz Non compensée par les systèmes actuels Fort impact sur le débit : -60 % Solution de lutte préconisée Variation périodique de l'allocation binaire (Prévue par HomePlug AV, non implémentée) presentation title

Limitations des systèmes actuels. 2 - Intrinsèques aux systèmes. 2 Limitations des systèmes actuels 2 - Intrinsèques aux systèmes 2.1 - Le bruit de quantification presentation title

2.1- Le bruit de quantification Convertisseur Analogique/Numérique Conversion d'une tension en une valeur numérique Imprécision liée à la sensibilité : p.ex. 1 bit = 7mV Différence entre signal analogique et signal numérique : la quantification Le bruit de quantification est un plancher p.ex. -118 dBm/Hz avec un convertisseur sur 8 bits sur ± 1 V Niveau souvent supérieur au bruit présent sur la ligne

2.1 - Impact du bruit de quantification sur les systèmes Limitation du Rapport Signal/Bruit Diminution du débit (allocation binaire) Débit : 99 Mbits/s contre 160 Mbits/s sans quantification presentation title

Limitations des systèmes actuels Limitations des systèmes actuels 3 - Limitations liées à la réglementation CEM 3.1 – Puissance d'émission

3.1 Puissance d'émission (spécification HomePlug AV) Densité spectrale de puissance normalisée : -50 dBm/Hz Certaines fréquences éteintes : -80 dBm/Hz (notches) 240 porteuses (Δf ~ 24 KHz) Protection d'autres utilisateurs du spectre (radioamateurs) Impact non négligeable sur le débit (~ 50 Mb/s) presentation title

Améliorations proposées Améliorations proposées 1 - Détection et mitigation des perturbations impulsives 1.1 – Détection du bruit impulsif sur les bandes éteintes 1.2 – Retransmission sans requête des données erronées 1.3 – Mitigation des bruits impulsifs périodiques asynchrones presentation title

1.1 - Détection du bruit impulsif sur les bandes éteintes Objectif : Améliorer la retransmission en optimisant la détection des perturbations impulsives apériodiques Rappel : caractéristiques des perturbations impulsives apériodiques Fort impact sur la transmission des données DSP répartie sur l'ensemble de la bande Utilisation des bandes éteintes pour la détection Reçues et traitées par le processus de FFT Aucun signal émis => signal reçu = bruit Algorithme de détection du bruit dans les bandes éteintes: (Brevet : PCT FR2008/050933) Mesure du bruit stationnaire sur les porteuses éteintes Définition d'une marge de bruit pour la détection Mesure du niveau de bruit sur les porteuses éteintes pour chaque symbole OFDM Détection d'une impulsion presentation title

1.1 - Performances de l'algorithme Critères d'évaluation Probabilité de Fausse Alarme (FA) Probabilité de Non Détection (ND) Exemple : ND=2.10-3 => FA=3,5.10-2 Comparaison algo MSE Performant (littérature) Mise en œuvre + complexe ND=2.10-3 => FA=9.10-2 Performances comparables Combinaison des algorithmes ND=2.10-3 => FA 1,1.10-2 La détection sur les bandes éteintes, combinée à un autre algorithme (ex : MSE), permet d'améliorer les performances de façon significative presentation title

1.2 – Retransmission sans requête des données erronées Objectif : Améliorer les systèmes de retransmission face aux perturbations impulsives apériodiques Constat : 90% des impulsions qui perturbent la réception sont détectables au niveau de l'émetteur (analyse spectrographique) Algorithme : détection du bruit impulsif à l'émission et envoi automatique d'une séquence de correction (Brevet FR 08 54728) Avantage : optimisation des délais de retransmission (pas de requête), augmentation de la QoS pour des applications temps réel Difficulté : bruit noyé dans le signal émis Détection sur les porteuses éteintes : 63% des impulsions (simulations) presentation title

1.3 - Mitigation des bruits impulsifs périodiques asynchrones Objectif : Améliorer la QoS par une limitation de l'impact des bruits impulsifs périodiques asynchrones ("stationnaires") Rappel : caractéristiques des bruits impulsifs périodiques asynchrones Fréquence de répétition très élevée (> 10 kHz) Puissance >> bruit de fond Analyse de la forme temporelle de la perturbation Forme de chaque impulsion identique de l'une à l'autre Possibilité de déterminer la forme d'onde de la perturbation

1.3 - Analyse de l'impact du bruit sur un symbole OFDM La perturbation arrive à un instant aléatoire du symbole OFDM Forme des impulsions identiques : Annulation possible avec : Une forme de symbole perturbé de référence L'estimation du décalage en temps Δt entre la référence et la perturbation Effet de Δt sur la perturbation dans le domaine fréquentiel : Δφ(f) Δt Symbole OFDM Décalage Δt entre 2 symboles perturbés DSP identiques Décalage de la phase Δφ(f) = 2π ∙ Δt ∙f

1.3 – Différence de pente de la phase La différence de pente de la phase entre 2 symboles perturbés : Constante Estimation du décalage Δt Impact des autres perturbations (bruits stationnaires) => Variations de Δα(f) autour de sa valeur moyenne Estimation de Δα en effectuant une pondération (moyenne ou médiane) Utilisation des porteuses éteintes Signal reçu = bruit Estimation de Δα sur les porteuses éteintes : 2π Δα(f) f -2π Δαest

1.3 – Annulation du bruit à partie de Δαest sref(t-Δt) Dans le domaine temporel : Soustraction de sref(t-Δt) sref(t) : symbole de référence Dans le domaine fréquentiel : Aref(f) : amplitude du symbole de référence φref(f) : phase du symbole de référence Avantages : pas de FFT/IFFT à effectuer  faible complexité.

Améliorations proposées. 2 - Diminution du bruit de quantification. 2 Améliorations proposées 2 - Diminution du bruit de quantification 2.1 – Limitation de la puissance à l'émission 2.2 – Utilisation d'un contrôleur de gain sélectif en fréquences presentation title

2 - Bruit de quantification Rappel: Bruit introduit par les convertisseurs analogiques/numériques Plancher de bruit souvent supérieur au bruit réel sur la ligne Rôle du contrôleur automatique de gain : Amplification du signal en fonction des caractéristiques du CAN Plus le gain du CAG est élevé, moins le bruit de quantification "couvre" le bruit stationnaire Plancher du Bruit de quantification presentation title

2.1 – Limitation de la puissance à l'émission Objectif : Augmenter le gain du contrôleur automatique de gain Diminuer l'amplitude du signal reçu Méthode proposée : Définir un masque de puissance à l'émission Minimiser l'amplitude du signal reçu Émettre moins fort sur les porteuses ayant le plus d'énergie à la réception. Conséquences : Signal reçu plus faible sur ces porteuses Diminution du rapport signal/bruit réel avant quantification presentation title

2.1 – Impact sur les performances Le signal reçu est de plus faible amplitude Augmentation du gain du CAG Bruit "vu" par le modem : moins "couvert" par le bruit de quantification Le Rapport Signal/Bruit "vu" par le modem augmente sur les porteuses dont l'émission n'a pas été réduite Débit global : 138 Mbits/s contre 99 Mbits/s (+40 %) presentation title

2.2 - Utilisation d'un contrôleur de gain sélectif en fréquence Problématique : Amplification constante du Contrôleur Automatique de Gain ∀ f Amplification de porteuses dont le bruit de quantification a un impact négligeable bruit stationnaire élevé Limite en bits/porteuse (bitcap) atteinte Méthode proposée : contrôleur de gain sélectif en fréquences (Brevet FR 08 50675 et FR 08 50676) Deux objectifs : Amplitude du signal comprise dans la plage de fonctionnement du CAN Optimisation du RSB avec prise en compte du bruit de quantification presentation title

2.2 – Impact sur le débit Augmentation globale du RSB -> augmentation des performances Débit global : 152 Mbits/s contre 99 Mbits/s (+53 %) Approche expérimentale Mise en œuvre d'un filtrage sur un système HomePlug AV du commerce Adapté à un canal de transmission donné Validation de gains en débit significatifs

Améliorations proposées. 3 - Optimisation de la gestion du spectre. 3 Améliorations proposées 3 - Optimisation de la gestion du spectre 3.1 – Extinction intelligente de porteuses 3.2 – Augmentation de la puissance à l'émission en fonction de l'écho du canal de transmission

3.1 – Extinction intelligente des porteuse Contexte : Réglementation CEM restrictive : limitation de la puissance d'émission et notches Rappel : HPAV 240 porteuses éteintes = perte de débit : ~50 Mbits/s Évolution de la bande CPL : au-delà de 30 MHz (jusqu'à 300 Mhz?) Risque d'interférences avec la bande FM (87,5 – 107,9 MHz) Émissions sur ces fréquences : risque de brouillage Perspective : notche sur la bande FM -> perte de débit ~170 Mbits/s Localement, les stations FM n'occupent pas l'ensemble de la bande : certaines fréquences pourraient être utilisées sans perturber les systèmes Principe : Couplage des raies radio-fréquences sur le réseau électrique Possibilité de détecter leur présence au niveau du récepteur CPL Émission de données uniquement sur les fréquences inutilisées Optimisation de la gestion du spectre dans le respect des autres utilisateurs : CEM cognitive

3.1 – Détection des raies couplées sur le réseau électrique Exemple de l'environnement de Lannion Mesure de la DSP au niveau de l'antenne 11 stations de radio présentes (pouvant être écoutées avec un poste bas de gamme) Mesure de la DSP sur la ligne électrique : A l'analyseur de spectre (bonne sensibilité) 7 stations détectées 4 stations de radio non détectées L'émission d'un signal blanc à -80 dBm/Hz à ces fréquences : brouillage sur le poste La détection des fréquences radio n'est pas garantie par la mesure des perturbations couplées sur le réseau électrique

3.1 – Extinction intelligente des porteuses Pré-requis : ensemble des stations détectées P.ex. Utilisation d'une base de données Action : Diminution de la puissance d'émission à -110 dBm/Hz sur ces fréquences Mesure du niveau de puissance sur l'antenne Les 11 stations "protégées" et audibles sur le poste Limitations Plus de fonctionnement de la fonction de recherche des stations du poste de radio L'extinction intelligente engendre des dysfonctionnements du récepteur radio presentation title

3.2 – Augmentation de la puissance à l'émission en fonction de l'écho du canal de transmission Echo : Dû aux réflexions présentes sur le réseau Un partie de l'énergie produite par l'émetteur revient à celui-ci Mesure de la fonction d'écho : rapport entre puissance produite puissance reçue au niveau de l'émetteur Écho : énergie totalement perdue Non reçue par le récepteur Non absorbée ou rayonnée par les câbles Non absorbée par d'autre dispositifs La puissance réellement émise est en deçà des limites CEM

3.2 Adaptation du masque de puissance à l'émission Puissance d'émission adaptée selon la fonction d'écho Avec : Poptc : puissance d'émission optimisée Plimc : limite CEM S11c : écho du canal Pmax : seuil maximal (caractéristiques des composants p.ex.)

3.2 - Puissance reçue au niveau du récepteur Augmentation de la puissance reçue Liée à l'augmentation de puissance à l'émission Pas de modification de la fonction de transfert Augmentation du Rapport Signal /Bruit Augmentation du débit

3.2 - Étude sur 60 canaux mesurés Étude de l'augmentation des débits en pourcentage Augmentation moyenne : 30 % Augmentations de débit plus importantes pour les canaux les moins performants

Conclusions et perspectives presentation title

Analyse des limitations des systèmes CPL Approche système innovante et automatisée Caractérisation des perturbations EM et de H en temps et en fréquence => Concevoir un simulateur de canal temps/fréquence Mise en évidence des limitations les plus préjudiciables Liées au réseau électrique Intrinsèques aux systèmes Liées à la réglementation CEM

Limitations liées au réseau électrique : solutions proposées Bruit impulsif apériodique Détection du bruit impulsif sur les bandes éteintes  brevet Étudier la faisabilité pour les systèmes VDSL Retransmission sans requête des données erronées  brevet Promouvoir cette solution dans les instances de normalisation Bruit impulsif périodique asynchrone ("stationnaire") Mitigation des bruits impulsifs périodiques asynchrones  brevet Poursuivre les simulations

Limitations intrinsèques aux systèmes : solutions proposées Bruit de quantification du CAN Diminution de la puissance à l'émission Poursuivre la validation sur prototype FPGA Proposition d'un contrôleur de gain sélectif en fréquences  2 brevets Étudier le coût vis-à-vis d'une augmentation du nombre de bits du CAN Poursuivre les essais/validations en cours (industriels)

Limitations liées à la réglementation CEM : solutions proposées Solutions d'optimisation liées aux limitations de la réglementation CEM Extinction intelligente des porteuses Poursuivre les études sur d'autres aspects de la CEM cognitive Augmentation de puissance à l'émission  brevet Poursuivre les essais/validations en cours (industriels) Estimer le coût (nécessite des composants full-duplex) Promouvoir cette solution dans les instances de normalisation

En vous remerciant de votre attention