Étude et optimisation des systèmes à courants porteurs domestiques face aux perturbations du réseau électrique
Gautier AVRIL
Thèse de doctoratSpécialité : Électronique.
Le 10 Octobre 2008.
Orange Labs LannionInstitut National des Sciences Appliquées de Rennes
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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
Contexte
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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…)
CPL : une réponse à un besoin
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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
CPL : ses limitations
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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
Limitations des systèmes actuels
1 - Liées au réseau électrique
1.1 – Les perturbations électromagnétiques1.2 – La fonction de transfert
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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
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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
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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
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En fonction des variations en temps
1.1 - Classification des perturbations EM
Phénomènes permanents("stationnaires")
Bruit de fond coloré
Bruit bande étroite
Bruit impulsifpériodique asynchrone
Phénomènes apériodiques
Bruit impulsif apériodique
Variation apériodique du bruit "stationnaire"
Variation apériodique des phénomènes périodiques
synchrones
Phénomènes périodiques synchrones avec le 50 Hz
Bruit impulsif périodique synchrone
Variations périodiques synchrones du bruit
"stationnaire"
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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
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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
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Mise en œuvre d'une méthode de mesure utilisant une approche système Classification obtenue :
1.2 - Classification des fonctions de transfert
Phénomènes permanents
Topologie du réseau électrique
Charges connectées au réseau électrique
Phénomènes apériodiques
Variation de la topologie du réseau
Variation de l'impédance des charges
Variation apériodique des phénomènes périodiques
synchrones
Phénomènes périodiques synchrones avec le 50 Hz
Variation périodique synchrone de la fonction de
transfert
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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)
Limitations des systèmes actuels
2 - Intrinsèques aux systèmes
2.1 - Le bruit de quantification
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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
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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
Limitations des systèmes actuels
3 - Limitations liées à la réglementation CEM
3.1 – Puissance d'émission
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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)
Améliorations proposées
1 - Détection et mitigation des perturbations impulsives
1.1 – Détection du bruit impulsif sur les bandes éteintes1.2 – Retransmission sans requête des données erronées1.3 – Mitigation des bruits impulsifs périodiques asynchrones
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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
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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
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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)
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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
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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)
Symbole OFDM
Décalage Δt entre 2symboles perturbés
DSP identiques Décalage de la phaseΔφ(f) = 2π ∙ Δt ∙f
tΔ
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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 :
f
2π
-2π
Δα(f)
Δαest
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1.3 – Annulation du bruit à partie de Δαest
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.
sref(t-Δt)
Améliorations proposées
2 - Diminution du bruit de quantification
2.1 – Limitation de la puissance à l'émission2.2 – Utilisation d'un contrôleur de gain sélectif en fréquences
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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
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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
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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 %)
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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
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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
3.1 – Extinction intelligente de porteuses3.2 – Augmentation de la puissance à l'émission en
fonction de l'écho du canal de transmission
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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
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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 lamesure des perturbations couplées sur le réseau électrique
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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
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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
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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.)
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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