La transmission par courant porteur en ligne en domotique

Le CPL ou encore PLC (PowerLine Line Communication) est une technologie qui utilise les réseaux  électriques existants d’un bâtiment pour transporter les données sans câblage spécifique supplémentaire. La technique des courants porteurs en ligne consiste à séparer les signaux à basse fréquence (courant alternatif) et les ondes de haute fréquence sur lesquelles transitent les données numériques. Grâce à cette séparation spectrale, le fonctionnement des équipements électriques n’est pas perturbé. Actuellement, cette technologie est utilisée dans les entreprises, les établissements scolaires, les habitations. . . pour le partage d’une connexion haut débit sur le réseau local. Des expérimentations ont montré qu’un certain nombre de problèmes complexes se posent, liés au canal de transmission, au type de modulation et de codage retenus, à la couche MAC mise en place, aux normes relatives au réseau de distribution et à celles du réseau domestique.
Le déploiement industriel de la technologie des courants porteurs en ligne (CPL) est encore faible. Il souffre d’un manque de réglementation spécifique et de normes communes dans l’Union européenne et américaine.

Les systèmes CPL d’aujourd’hui

Le marché du CPL se partage en deux segments, selon qu’on se place à l’intérieur des bâtiments (indoor) ou à l’extérieur (outdoor) vers les lignes de moyenne et haute tension. Les systèmes CPL à haut-débit sont des systèmes large bande qui occupent la bande [1.6 – 30] MHz pour laquelle aucune norme spécifique n’est en vigueur. A titre d’indication, la figure 1.5 indique les frontières établies pour les différents CPL présents sur le marché.

Les marchés Outdoor

Dans le cas du CPL outdoor(figure 1.6), les déploiements en sont encore au stade de l’expérimentation et utilisent sans exception des solutions basées sur la modulation OFDM présentée dans le chapitre suivant. Les freins au développement de ce marché ne sont pas seulement d’ordre technique (l’absence de standard par exemple), ils sont aussi d’ordre juridique.
En effet, l’activité du transport de données relève des télécommunications et nécessite une licence d’opérateur de réseaux télécoms, ce qui n’est pas le cas d’EDF. L’électricien français doit donc attendre sa privatisation, contrairement à ses homologues allemands (EnBW, RWE…) qui commencent à commercialiser des offres d’accès à Internet par le courant porteur. Cependant EDF n’entend pas rester totalement inactif et a lancé plusieurs expérimentations. Le groupe fait partie d’un forum international, créé en mars 2000 dans le but de représenter les intérêts des acteurs du secteur des CPL [29].

Les marchés Indoor

Le secteur des CPL haut-débit indoor est en plein essor. La principale application est la réalisation de réseaux locaux à haut débit sur lesquels peuvent transiter des informations multimédia (images, vidéos, sons, etc.) comme présenté en figure 1.7.
Les systèmes outdoor attendent une déréglementation du marché afin de dépasser le stade des expérimentations et se développer à grande échelle. Mais qu’il s’agisse des CPL indoor ou outdoor, les applications visées, gourmandes en débit, nécessitent l’utilisation d’une ressource spectrale conséquente.
Les techniques mises en œuvre pour occuper toute la bande disponible sont essentiellement les techniques à étalement de spectre et les techniques multiporteuses qui seront présentées dans le chapitre 2. L’étalement de spectre a longtemps été à l’honneur dans les premiers systèmes CPL. En France par exemple, le projet RNRT DOLIE (réseau domotique sur ligne d’énergie) [30], labellisé en 1999, s’est intéressé à l’étude et la validation des techniques d’étalement de spectre dans le cadre de communications CPL indoor. D’autre part le projet OPERA (Open PLC Research Alliance) Cofinancé par l’Union européenne, vise à développer une norme d’accès CPL de nouvelle génération pour accélérer l’adoption de l’accès CPL large bande économique ultra performant. Par ailleurs, certains industriels, tel que l’israélien ITRAN, commercialisent encore des puces exploitant l’étalement de spectre et offrant des débits de 2,4 Mbit/s et 10 Mbit/s.
Aujourd’hui cependant, la plupart des industriels se concentrent sur les techniques de modulations multiporteuses, et en particulier l’OFDM. Les systèmes commercialisés en indoor depuis le début des années 2000 répondent pour beaucoup aux standards proposés au sein de l’alliance HomePlug. A titre illustratif, citons les industriels Oxance, Zeus Powerline, Corinex, Olitec, Packard Bell, ou encore Sagem, qui commercialisent leurs modems indoor sous le label HomePlug. Deux standards sont finalisés et spécifient les couches physiques (PHY) et de contrôle d’accès (MAC | medium access control ) : le HomePlug 1.0 à 14 Mbit/s et le HomePlug AV à 200 Mbit/s. Notons que les débits mentionnés sont des débits maximaux, sans indication de portée. Ces deux standards exploitent la bande [0–25] MHz avec des niveaux d’émission de -50 dBm/Hz sur les fréquences autorisées et de -80 dBm/Hz dans les fréquences des radioamateurs. L’OFDM est employée comme technique de transmission, la différence entre les deux standards tenant essentiellement au nombre de sous-porteuses et aux ordres de modulations utilisées. Le standard HomePlug 1.0 prévoit en effet l’utilisation de 128 sous-porteuses, modulées en MDP2 ou MDP4 différentielle, alors que le HomePlug AV comporte 1536 sous-porteuses, chacune pouvant transmettre jusqu’à 10 bits dans le cas d’une QAM-1024 [31]. Le partage du médium est géré par le biais d’une version modifiée du protocole CSMA-CD (carrier sense multiple access – collision avoidance), ce qui signifie que les modems connectés au réseau communiquent entre eux librement sans coordination centralisée. Enfin, rajoutons que la correction des erreurs est réalisée grâce aux techniques de codage de canal (convolutif, Reed-Solomon, turbo), combinées à de l’entrelacement et à des systèmes de répétition automatique de séquences (ARQ | automatic repetition request). Parallèlement au développement des standards HomePlug, certains industriels expérimentent leur propre technologie. C’est ainsi que l’espagnol DS2 commercialise des puces à 200 Mbit/s permettant de faire passer la vidéo, voire la TVHD (télévision haute définition). Le français SPIDCOM a quant à lui effectué la démonstration de sa nouvelle puce au CeBIT d’Hannovre en mars 2004, qui peut atteindre des débits allant de 100 à 224 Mbit/s, selon l’environnement. Tous ces systèmes sont basés sur la technique de modulation OFDM mais les spécifications précises sont la plupart du temps tenues secrètes.

Solutions basées sur le CPL dans l’automobile

Actuellement, on distingue deux types de solutions CPL, l’une pour le bas débit et l’autre en haut débit.

Solutions CPL bas débit

Plusieurs solutions CPL sont d’ores et déjà présentes chez les équipementiers automobiles. Depuis 1994, l’entreprise Yamar [32] commercialise des solutions bas débit transmettant à 500 kbits/s utilisant le protocole CAN et les fils d’alimentation de la batterie du véhicule sous une modulation DQPSK. Cette société a également développé des solutions utilisant d’autres protocoles tel que le LIN. Ces systèmes sont principalement employés pour le contrôle de la climatisation, température ne nécessitant pas de hautdébit. Le tableau 1.4 référence les caractéristiques de leurs solutions.

Exemples d’applications

Plusieurs applications sont déjà disponibles chez les constructeurs. Par exemple, nous pouvons citer le système d’allumage et extinction de feux développé par la société VALEO : Cette solution permet d’obtenir un gain de temps concernant l’installation de nouveaux projecteurs sur le véhicule. Dans ce cas, il suffit de connecter le module trans- metteur sur l’alimentation 12V au niveau du tableau de bord pour la commande d’allumage. Ceci n’est qu’un exemple bas débit, mais plusieurs applications haut débit sont déjà visées par les constructeurs. Nous pouvons citer les applications multimédia, avec la projection de la vidéo sur des écrans placés dans les sièges avant à partir d’un lecteur DVD (Valeo), ou encore le système d’aide au stationnement réalisé dans le cadre de la collaboration des sociétés Valeo et Spidcom dans le cas du projet PREDIT.
Dans cet exemple, on considère un système de trois caméras. Actuellement, certains constructeur ont choisi comme solution l’utilisation de câbles blindés de types coaxiaux ou paires torsadées pour commander les caméras et transmettre les images vers un écran placé sur le tableau de bord du véhicule. Par ailleurs, en utilisant la technologie CPL, ce système n’utilise plus qu’un seul fil d’alimentation reliant les caméras à l’écran. Ce système est décrit dans le chapitre 4.
D’un point de vue économique, en ne considérant que le câblage, le système ordinaire nécessite l’utilisation d’autant de câbles blindés que de caméras. Par ailleurs, l’utilisation du CPL n’utilise qu’un seul fil pour relier le réseau de caméras à l’écran. Évidemment, il en va que la seconde solution est beaucoup plus économique, reste à évaluer les limites d’une telle solution d’un point de vue technique mais surtout prendre en compte les aspects CEM non négligeables en automobile.

Conclusion

Ce chapitre a permis de positionner les travaux de cette thèse dans leur contexte actuel en définissant les besoins des différents acteurs de l’industrie automobile en matière de systèmes de télécommunications embarqués. Divers exemples d’architecture réseau ont été présentés et correspondent à ceux actuellement développés et qui utilisent des câbles dédiés pour assurer les communications numériques. Au vue de l’augmentation de l’électronique au sein du véhicule, une solution alternative permettant d’éviter l’accroissement du faisceau de câbles est basée sur une technologie CPL, notamment haut débit.
Notre contribution à son développement portera essentiellement sur l’étude et la validation des systèmes de transmission pouvant s’appliquer au contexte. Pour mener à bien le projet, il sera nécessaire de connaître les caractéristiques du canal de transmission de manière à employer la modulation la plus adaptée. Nous verrons dans le chapitre suivant la spécificité du canal automobile mais nous aborderons aussi l’aspect modulation pour conclure sur le choix retenu.

Allures des bruits mesurés sur véhicule

Les figures [2.3, 2.5, 2.7] représentent les bruits mesurés sur véhicule lors de l’activation de la commande des freins. La figure 2.9 correspond à la meure des bruits lors de la mise en fonctionnement des essuie-glaces et la figure 2.11 lors de l’activation du démarreur. En majorité, les bruits correspondent à des rafales d’impulsions propagées sur le réseau électrique du véhicule.
Les impulsions mesurées peuvent atteindre des durées de 5 µs. Dans ce cas, le symbole OFDM risque fortement d’être corrompu voire détruit puisque dans la norme Homeplug, la durée du symbole est seulement de 8 µs. En moyenne, les impulsions ont une durée de 200 ns et peuvent atteindre un niveau de puissance de 5 V crête.

Résultats de caractérisation de la réponse du canal

L’ensemble des mesures a été réalisé au laboratoire Télice dans le cadre du projet PREDIT et de la thèse de M. Olivas Carrion [37]. Cette partie va présenter et détailler les caractéristiques du canal obtenues en terme de fonction de transfert.

Architecture électrique du véhicule

Les points d’injection et de réception du signal ne doivent pas être choisis au hasard et dépendent des applications futures. Pour cela, nous nous sommes inspirés de l’architecture électrique du véhicule et des différents bus de communication existants qui relient un calculateur central nommé BSI (Boîtier de Servitude Intelligent) à d’autres  calculateurs, nommés UCE(Unité de contrôle électronique), et assurant des fonctions électroniques.
On compte actuellement jusqu’à 30 calculateurs au sein d’un même véhicule. La figure 2.13 présente l’implantation des principaux faisceaux à l’intérieur du modèle de véhicule utilisé pourl’étude en simulation et mesure, une Peugeot 407, ainsi quela position de trois calculateurs.

Canal de transmission

Dans un premier temps, nous avons testé la chaîne de transmission pour valider le fonctionnement et puis connaître ses performances dans le cas d’un canal AWGN. La figure 3.4 représente les tests de simulations validant le fonctionnement de la chaîne de communication QPSK. Un premier test a permis de valider la modulation OFDM et le second en présence du codage convolutif de rapport 1/2 décrit précédemment.
Après la validation de la chaîne de simulation, nous avons implanté le canal automobile. Ce canal est le résultat de mesures de S21 réalisées sur véhicule. Pour pouvoir exploiter ces mesures, nous l’avons symbolisé comme un filtre atténuateur. Pour cela, nous l’avons caractérisé en calculant les coefficients du filtre de structure IIR du filtre. Son fonctionnement est équivalent à l’équation 3.8.

Première optimisation du débit et TEB par amélioration du codage

Implantation et description du codage en bloc

Nous avons décidé d’ajouter du codage en bloc de type Reed-Solomon pour pouvoir contrer les erreurs de transmissions. Ce codeur est utilisé en tant que codeur externe.
Il est concaténé au codeur convolutif faisant office de codage interne à la structure de transmission.
Les codes de Reed-Solomon (RS) sont certainement les codes non binaires les plus connus en raison de leur bonne capacité de correction et de leur intérêt pratique. Les codes de Reed-Solomon sont constitués de symboles q-aires. Les paramètres n, k et d min d’un code de Reed-Solomon sont de la forme :

Test de la modulation différentielle

Validation de l’emploi de modulation différentielle sans estimation de canal – canal direct -3.6.1.1.

Présentation de la modulation DQPSK

Nous avons testé cette chaîne de transmission en utilisant une modulation différentielle de type π/4-DQPSK. Par ce fait, nous nous rapprochons du standard Homeplug 1.0 qui emploie des modulations de ce type sans aucune estimation et égalisation de canal.
Cette modulation par rapport à une QPSK permet d’annuler le passage à zéro lors des changements d’états.
Dans la modulation π/4-DQPSK, seules des rotations de phase de 45˚ et 135˚ sont autorisées, ce qui permet d’exclure au moins l’extinction totale de la porteuse. L’information est en outre transmise non pas par la phase absolue de la porteuse mais par sa différence par rapport à la phase précédente. La transmission de la différence de phase supprime la nécessité d’une démodulation cohérente avec restitution de la phase absolue de la porteuse.
La figure 3.16 décrit les constellations d’état de la modulation.

Simulation de la modulation DQPSK sur canal direct

Ces tests ont été menés en présence d’un canal de type direct et ainsi nous allons montrer l’utilité ou non de l’utilisation de l’estimation et égalisation de canal.
Le tableau 3.10 détaille les paramètres employés pour les différentes simulations. Trois cas sont étudiés, nous avons testé cette modulation DQPSK sans égalisation en présence seulement d’un canal direct en dynamique avec et sans couplage et filtrage. Par ailleurs, nous avons testé 2 cas de codage de canal. Le premier concerne l’emploi seul d’un codeur convolutif de rapport 1 2 , décrit précédemment et le second en concaténant un codage en bloc de type RS et le même codage convolutif.
Les résultats de simulation sont présentés sur la figure 3.18.
Nous pouvons affirmer que l’utilisation d’une estimation et égalisation de canal permet d’obtenir un TEB plus faible pour un SNR équivalent (résultat présenté dans la partie 3.4). Si nous nous plaçons dans le cas d’un TEB de 10 −3 , la concaténation de 2 codeurs permet d’obtenir un gain de 2dB . Ceci indique la présence d’erreurs groupées qui sont corrigées par l’intermédiaire du codeur RS. Par ailleurs, si nous associons au canal de transmission le couplage et le filtrage, nous apercevons une perte de 7dB liée à l’évanouissement de la bande [0 − 4MHz]. Ceci s’explique par l’absence d’une égalisation de canal qui permettait de compenser cet effet.

Table des matières
Acronymes & Abréviations 
Introduction 
Contexte général et motivations
1 Contexte de l’étude et état de l’art 
1.1 Introduction
1.2 Les systèmes de communication dans l’automobile
1.2.1 Le multiplexage embarqué
1.2.1.1 L’historique du multiplexage embarqué
1.2.1.2 Le multiplexage dans l’automobile d’aujourd’hui
1.2.2 Besoins actuels, contraintes industrielles
1.3 La transmission par courant porteur en ligne en domotique
1.3.1 Historique
1.3.2 Les systèmes CPL d’aujourd’hui
1.3.2.1 Les marchés Outdoor
1.3.2.2 Les marchés Indoor
1.4 Solutions basées sur le CPL dans l’automobile
1.4.1 Solutions CPL bas débit
1.4.2 Solutions CPL haut débit
1.4.3 Difficultés de mise en oeuvre
1.4.4 Exemples d’applications
1.5 Conclusion
2 Caractérisation du canal de propagation et de la modulation 
2.1 Introduction
2.2 Canal de propagation
2.2.1 Réponse du canal
2.2.2 Types de bruit
2.2.2.1 Bruit de fond
2.2.2.2 Bruit à bande étroite
2.2.2.3 Les bruits impulsifs
2.2.2.4 Allures des bruits mesurés sur véhicule
2.2.3 Résultats de caractérisation de la réponse du canal
2.2.3.1 Architecture électrique du véhicule
2.2.4 Caractéristiques de la transmission et de ces variations
2.2.4.1 Liaison directe
2.2.4.2 Liaison indirecte
2.2.4.3 Variations de la réponse du canal dans le cas d’une liaison directe
2.2.4.4 Variations de la réponse du canal dans le cas d’une liaison indirecte
2.3 Présentation des modulations
2.3.1 Modulations monoporteuses
2.3.2 Étalement de spectre
2.3.3 Les modulations multi-porteuses
2.3.3.1 Historique
2.3.3.2 Principes des modulations à porteuses multiples
2.3.3.3 Applications et réalisations
2.3.4 Présentation des techniques d’accès multiple
2.3.5 Comparaison des techniques pour le CPL
2.3.5.1 Comparaison des systèmes DS-CDMA et OFDM
2.3.5.2 Les forums CPL
2.3.5.3 Norme HOMEPLUG
2.4 Aptitude des CPL vis-à-vis des protocoles
2.4.1 Classement en fonction de la fiabilité et du débit
2.4.2 Adaptation vis-à-vis du CAN
2.4.2.1 Les principales difficultés
2.4.2.2 Solutions envisageables
2.4.3 Adaptation vis-à-vis du F LEXRAY
2.4.3.1 Les difficultés
2.4.3.2 Solutions envisageables
2.5 Conclusion
3 Spécifications du système 
3.1 Introduction
3.2 Simulation du standard Homeplug
3.3 Description de la chaîne de simulation
3.3.1 Configuration de la chaîne multi-porteuses
3.3.2 Estimation et égalisation de canal
3.3.3 Codage de canal
3.3.4 Canal de transmission
3.4 Premiers résultats sur canal automobile
3.4.1 Description de l’entrelacement
3.4.2 Simulations sur canal direct
3.4.2.1 Première configuration : effet de l’entrelacement
3.4.2.2 Deuxième configuration : effets liés aux variations de canal
3.5 Première optimisation du débit et TEB par amélioration du codage
3.5.1 Implantation et description du codage en bloc
3.5.2 Détails des résultats
3.6 Test de la modulation différentielle
3.6.1 Validation de l’emploi de modulation différentielle sans estimation de canal – canal direct –
3.6.1.1 Présentation de la modulation DQPSK
3.6.1.2 Simulation de la modulation DQPSK sur canal direct
3.6.2 Simulation de la modulation DQPSK sur canal indirect
3.6.2.1 Etude du couple DQPSK/taille de la FFT
3.6.3 Test avec égalisation ZF
3.6.3.1 Test avec une modulation QPSK
3.6.3.2 Test avec une modulation DQPSK
3.7 Synthèse
3.8 Conclusion
4 Adaptation des modems indoor pour l’embarqué 
4.1 Introduction
4.2 Caractéristiques des modems
4.2.1 Spécifications du modem LEA
4.2.1.1 Technique de fonctionnement
4.2.1.2 Caractérisation fonctionnelle du modem
4.2.1.3 Mise en conformité du modem
4.2.2 Spécifications du modem SpiDCom
4.3 Mesures expérimentales
4.3.1 Modem LEA
4.3.1.1 Mesure de débit
4.3.1.2 Mesures en présence de bruits
4.3.2 Modem SpiDCom
4.3.2.1 Mesure de débit
4.3.2.2 Mesures en présence de bruits
4.4 Adaptation du CPL au protocole CAN
4.4.1 Présentation du système mise en œuvre
4.4.2 Description des protocoles
4.4.2.1 Protocole IP
4.4.2.2 Protocole CAN
4.4.3 Mise en œuvre de la solution
4.4.3.1 Première solution
4.4.3.2 Deuxième solution
4.5 Réalisation industrielle
4.5.1 Description du démonstrateur
4.5.2 Description de la couche physique du modem
4.5.3 Implantation sur véhicule
4.5.4 Bilan
4.6 Conclusion
Conclusion générale 
Annexe 
A.1 Transmission CPL-CAN : Exemple Pratique 
A.1.1 Cas 1 
A.1.2 Cas 2 
Liste des tableaux 
Liste des figures 
Bibliographie