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 ? 26/03/2017 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 réseau de données porté par le courant 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 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 26/03/2017 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 électrique généralités Medium voltage power network Telecommunication network link Branch 1 Branch 2 Branch N

Medium Voltage PLC Network

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

Electricity meter and PLC box Réseau domestique maîtrisé La panacée le mélange haut et bas débit Heating ADSL RF Confort controller Lighting PLC VIP Home Center Wireles Security Alarm system Wireless keyboard RF Temperature sensor Security sensor Electricity meter and PLC box IR Sensor

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

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 fréquences FCC (North America) et CENELEC (Europe)

Ressources spectrales pour les CPL 9 kHz 95 kHz 148.5 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 fréquences 9 95 148.5 3 125 140 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 fréquence

Les CPL hautes fréquences DISTRIBUTION PLC PRIVATE AREA PLC 15 1 38.5 F MHz 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 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 signaux des 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 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 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 base

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, DS2 1200 f…..)

Fundamentals of OFDM

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

La solution technique DS2 la plus aboutie 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)..

DS2 une 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 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

Aries CPE Physical / Electrical 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

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

Eléments techniques pour préparer le futur 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 »

Conclusion des 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