Les courants porteurs De nouveaux enjeux pour concrétiser un vieux reve Jean-Pierre Lobert Ooctober 2003
Les courants porteurs
De nouveaux enjeux pour concrétiser un vieux reve
Jean-Pierre Lobert Ooctober 2003
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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.
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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
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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
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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
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L’accès par le réseau électriqueL’accès par le réseau électriquegénéralitésgénéralités
Medium voltage power network
Telecommunicationnetwork link
Branch 1 Branch 2 Branch N
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Medium Voltage PLC NetworkMedium Voltage PLC Network
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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
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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
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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
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Architecture hybride pour une école
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Le courant porteur en Ligne (CPL)Normalisation pour le haut débit
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Le courant porteur en Ligne (CPL)Fréquences autorisées en bas débit
Deux organismes de régulations des fréquencesFCC (North America) et CENELEC (Europe)
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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
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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
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Analyse de la propagation haute fréquenceAnalyse de la propagation haute fréquence
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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
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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
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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
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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
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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
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Modulations de baseModulations de base
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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…..)
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Fundamentals of OFDMFundamentals of OFDM
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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