Étude et optimisation des systèmes à courants porteurs

  • View
    215

  • Download
    3

Embed Size (px)

Text of Étude et optimisation des systèmes à courants porteurs

  • tude et optimisation des systmes courants porteurs domestiques face aux perturbations du rseau lectriqueGautier AVRIL

    Thse de doctoratSpcialit : lectronique.Le 10 Octobre 2008.

    Orange Labs LannionInstitut National des Sciences Appliques de Rennes

    presentation title*

    *

    Plan de la prsentationContexte

    Limitations des CPL

    Lies au rseau lectriqueIntrinsques aux systmesLies la rglementation CEM

    Amliorations proposes

    Dtection et mitigation des perturbations impulsivesDiminution du bruit des Convertisseurs Analogiques/NumriquesOptimisation de la gestion du spectre

    Conclusions et perspectives

    presentation title*

  • Contexte

    *

    Dploiement massif des offres d'accs haut dbit

    xDSL, FTTH, Cble, SatelliteFourniture croissante de services par les oprateurs

    Internet, Tlvision sur IP, Vido la demande , Tlphonie sur IP

    Besoin : relier les terminaux (tlviseurs, PC) la passerelle d'accs

    La technologie CPL

    Utilisation du rseau lectrique pour la transmissionSuperposition d'un signal hautes frquences au 50 HzDbit thorique : jusqu' 200 Mbits/s (HomePlug AV)Solution complmentaire au Wifi Wifi en mobilit (PC portables, tlphones mobiles)CPL pour appareils connects (tlviseurs, PC fixes)CPL : une rponse un besoin

    presentation title*

    *

    Rseau lectrique non conu pour un signal hautes frquences

    Prsence de perturbations lectromagntiquesAttnuation et rflexions du signal

    Limitations intrinsques des systmes

    Bruit de quantification des convertisseurs analogiques/numriques

    Rglementation CEM

    Limitation de la puissance d'missionFrquences interdites la transmission (notches)

    Consquences

    Impact sur le dbit (quelques dizaines de Mb/s en pratique)= Impact sur la QoS dans un contexte d'augmentation des servicesCPL : ses limitations

    presentation title*

    *

    CPL : des volutions ncessairesObjectif : la qualit de service

    Avec un nombre croissant de servicesAvec des services dont le dbit augmente

    Garantie d'un dbit minimum des systmes CPL

    En prsence de perturbations du rseauDans le respect des contraintes d'implmentationDans le respect des contraintes normatives

    Ncessit de caractriser au pralable les limitations existantes

    presentation title*

  • Limitations des systmes actuels

    1 - Lies au rseau lectrique

    1.1 Les perturbations lectromagntiques1.2 La fonction de transfert

    presentation title*

    *

    1.1 - Les perturbations lectromagntiquesConduites sur le rseau lectrique

    Signaux provenant de l'accs nergieRaies radio-frquences couplesSignaux gnrs par les appareils connects au rseau

    presentation title*

    *

    1.1 - Mthode de mesures "classique"tude des bruits stationnaires

    En frquentiel, par un analyseur de spectre Analyse des raies radio-frquencesAnalyse du niveau du bruit de fond

    tude des bruits impulsifs

    En temporel avec un oscilloscopeDclenchement lorsque le bruit dpasse un seuilFFT pour obtenir la DSP de la perturbation

    Diffrences entre le bruit ainsi mesur et le bruit "vu" par le modem

    *

    1.1 - Mthode de mesures selon une approche systmeTraitement pour les bruits stationnaires comme impulsifs :

    Spectrogramme : visualisation temps/frquences

    Dure de la perturbation Frquences impactes volution de la DSP dans le temps

    Estimation de l'information potentiellement perdue

    Acquisition en temporel l'oscilloscopeDcoupe en symboles OFDM(40,96 s)FFT sur chaque symboleVisualisation de la DSP sur un spectrogramme

    presentation title*

    *

    En fonction des variations en temps

    1.1 - Classification des perturbations EM

    Phnomnes permanents("stationnaires")Bruit de fond color

    Bruit bande troite

    Bruit impulsifpriodique asynchronePhnomnes apriodiquesBruit impulsif apriodique

    Variation apriodique du bruit "stationnaire"

    Variation apriodique des phnomnes priodiques synchrones

    Phnomnes priodiques synchrones avec le 50 HzBruit impulsif priodique synchrone

    Variations priodiques synchrones du bruit "stationnaire"

    presentation title*

    *

    1.1 - Le bruit impulsif apriodiqueCaractristiques

    Amplitude et nergie trs fortesDSP rpartie sur l'ensemble de la bandeInterarrive assez longue (plusieurs secondes en gnral)

    Impact sur les systmes

    Risque de saturation du rcepteurAffecte un grand nombre de donnesImpose des retransmissions (ARQ - Automatic Repeat reQuest)Attente de la fin du dcodage + Analyse des CRC => introduction d'un dlai

    Impact sur la qualit de service

    presentation title*

    *

    1.1 - Le bruit impulsif priodique asynchrone ("stationnaire")Caractristiques

    Assez faible amplitudeFrquence de rptition trs leve (plusieurs dizaines de kHz)Augmentation du niveau de bruit stationnaire de plus de 20 dB

    Impact sur les systmes

    Est "vu" comme un bruit stationnaireAffecte le RSBLimite le dbit (jusqu' -20%)

    Impact sur la qualit de service

    presentation title*

    *

    Mise en uvre d'une mthode de mesure utilisant une approche systmeClassification obtenue :

    1.2 - Classification des fonctions de transfertPhnomnes permanentsTopologie du rseau lectrique

    Charges connectes au rseau lectriquePhnomnes apriodiques

    Variation de la topologie du rseau

    Variation de l'impdance des charges

    Variation apriodique des phnomnes priodiques synchronesPhnomnes priodiques synchrones avec le 50 HzVariation priodique synchrone de la fonction de transfert

    presentation title*

    *

    1.2 - Variations priodiques synchrones de HOrigine : variations de l'impdance des charges

    Synchrones avec le 50 Hz

    Non compense par les systmes actuels

    Fort impact sur le dbit : -60 %

    Solution de lutte prconise

    Variation priodique de l'allocation binaire(Prvue par HomePlug AV, non implmente)

    presentation title*

  • Limitations des systmes actuels

    2 - Intrinsques aux systmes

    2.1 - Le bruit de quantification

    presentation title*

    *

    2.1- Le bruit de quantificationConvertisseur Analogique/Numrique

    Conversion d'une tension en une valeur numriqueImprcision lie la sensibilit : p.ex. 1 bit = 7mV

    Diffrence entre signal analogique et signal numrique : la quantificationLe bruit de quantification est un plancher

    p.ex. -118 dBm/Hz avec un convertisseur sur 8 bits sur 1 VNiveau souvent suprieur au bruit prsent sur la ligne

    *

    2.1 - Impact du bruit de quantification sur les systmesLimitation du Rapport Signal/Bruit

    Diminution du dbit (allocation binaire)

    Dbit : 99 Mbits/s contre 160 Mbits/s sans quantification

    presentation title*

  • Limitations des systmes actuels

    3 - Limitations lies la rglementation CEM

    3.1 Puissance d'mission

    *

    3.1 Puissance d'mission (spcification HomePlug AV)Densit spectrale de puissance normalise : -50 dBm/HzCertaines frquences teintes : -80 dBm/Hz (notches)

    240 porteuses (f ~ 24 KHz)Protection d'autres utilisateurs du spectre (radioamateurs) Impact non ngligeable sur le dbit (~ 50 Mb/s)

    presentation title*

  • Amliorations proposes1 - Dtection et mitigation des perturbations impulsives

    1.1 Dtection du bruit impulsif sur les bandes teintes1.2 Retransmission sans requte des donnes errones1.3 Mitigation des bruits impulsifs priodiques asynchrones

    presentation title*

    *

    1.1 - Dtection du bruit impulsif sur les bandes teintesObjectif : Amliorer la retransmission en optimisant la dtection des perturbations impulsives apriodiquesRappel : caractristiques des perturbations impulsives apriodiques

    Fort impact sur la transmission des donnesDSP rpartie sur l'ensemble de la bandeUtilisation des bandes teintes pour la dtection

    Reues et traites par le processus de FFTAucun signal mis => signal reu = bruit

    Algorithme de dtection du bruit dans les bandes teintes: (Brevet : PCT FR2008/050933)

    Mesure du bruit stationnaire sur les porteuses teintesDfinition d'une marge de bruit pour la dtectionMesure du niveau de bruit sur les porteuses teintes pour chaque symbole OFDMDtection d'une impulsion

    presentation title*

    *

    1.1 - Performances de l'algorithmeCritres d'valuation

    Probabilit de Fausse Alarme (FA)Probabilit de Non Dtection (ND) Exemple :

    ND=2.10-3 => FA=3,5.10-2Comparaison algo MSE

    Performant (littrature)Mise en uvre + complexeND=2.10-3 => FA=9.10-2Performances comparablesCombinaison des algorithmes

    ND=2.10-3 => FA 1,1.10-2

    La dtection sur les bandes teintes, combine un autre algorithme (ex : MSE), permet d'amliorer les performances de faon significative

    presentation title*

    *

    1.2 Retransmission sans requte des donnes erronesObjectif : Amliorer les systmes de retransmission face aux perturbations impulsives apriodiques

    Constat : 90% des impulsions qui perturbent la rception sont dtectables au niveau de l'metteur (analyse spectrographique)

    Algorithme : dtection du bruit impulsif l'mission et envoi automatique d'une squence de correction (Brevet FR 08 54728)

    Avantage : optimisation des dlais de retransmission (pas de requte), augmentation de la QoS pour des applications temps rel

    Difficult : bruit noy dans le signal mis

    Dtection sur les porteuses teintes : 63% des impulsions (simulations)

    presentation title*

    *

    1.3 - Mitigation des bruits impulsifs priodiques asynchronesObjectif : Amliorer la QoS par une limitation de l'impact des bruits impulsifs priodiques asynchrones ("stationnaires")Rappel : caractristiques des bruits impul