Gautier AVRIL Thèse de doctorat Spécialité : Électronique. Le 10 Octobre 2008.

1. 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

2. 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

3. Contexte

4. 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…)

5. 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

6. 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

7. Limitations des systèmes actuels1 - Liées au réseau électrique 1.1 – Les perturbations électromagnétiques 1.2 – La fonction de transfert

8. 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

9. 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

10. 1.1 - Méthode de mesures selon une approche système Acquisition en temporel à l'oscilloscope Découpe en symboles OFDM (40,96 µs) FFT sur chaque symbole Visualisation de la DSP sur un spectrogramme • 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

11. 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 impulsifpériodique 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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)

16. Limitations des systèmes actuels2 - Intrinsèques aux systèmes2.1 - Le bruit de quantification

17. 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

18. 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

19. Limitations des systèmes actuels3 - Limitations liées à la réglementation CEM 3.1 – Puissance d'émission

20. 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)

21. Améliorations proposées1 - Détection et mitigation des perturbations impulsives1.1 – Détection du bruit impulsif sur les bandes éteintes 1.2 – Retransmission sans requête des données erronées 1.3 – Mitigation des bruits impulsifs périodiques asynchrones

22. 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

23. 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

24. 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)

25. 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

26. 1.3 - Analyse de l'impact du bruit sur un symbole OFDM Δt • 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 Décalage de la phase Δφ(f) = 2π∙Δt ∙f DSP identiques

27. 1.3 – Différence de pente de la phase 2π • 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 : Δα(f) f -2π Δαest

28. 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.

29. Améliorations proposées2 - Diminution du bruit de quantification2.1 – Limitation de la puissance à l'émission 2.2 – Utilisation d'un contrôleur de gain sélectif en fréquences

30. 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

31. 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 ayantle plus d'énergie à la réception. • Conséquences : • Signal reçu plus faible sur ces porteuses • Diminution du rapport signal/bruit réel avant quantification

32. 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 %)

33. 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

34. 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

35. Améliorations proposées3 - Optimisation de la gestion du spectre3.1 – Extinction intelligente de porteuses 3.2 – Augmentation de la puissance à l'émission en fonction de l'écho du canal de transmission

36. 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

37. 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

38. 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

39. 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

40. 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.)

41. 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

42. 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

43. Conclusions et perspectives

44. 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

45. 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

46. 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)

47. 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

48. En vous remerciant de votre attention