Une nouvelle méthode pour le calcul de la fonction de transfert des réseaux inconnus de communication par lignes électriques Indoor, estimation de la fonction de transfert en utilisant les matrices ABCD

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Sommaire

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I I I I I I I I I I I I I

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Introduction Générale ...,...

Chapitre I : Ge'ne'raJi.€és

Introduction....„...„„„.

1. Les réseaux locaux ...

I.1.Définition

Sommaire

03

... 04

I.2, L'architecture des réseaux locaux .... „ ... „ ...,...-...-..-... o5 I.2.1. Les réseaux locaux cLA:N} ... „..„„ ...-... ` -.--... „ .--...-.... „„„„ ...--. 06

I.2.1.a. Les réseaux locaux virtuels CVLA:N)

l.2.1.b. Les réseaux locaux sans fils c`Mreless, LA:N ou `^1LAN .,... ` ..,... „ ... 06 1.2.2. Les réseaux métropolitains (MHN) ...

I.2.3. Les réseaux étendus QNA;Nù .„ ...--.

1.2.4. Les réseaux privés virtuels OÏPNù

11. Le réseau électrique domestique..„

II.1. Types de câblage ...,,...-..-. „ ...-...-...--... i ...-.. 10

11.1.1. Câblage tradÉtionnel

11.1.2. Câble de réseau ... „ ...

11.1.3. Câblage universel 11.2. Boîtier central

•... 10

II.2.1. Un bon plann±ng est essentiel.„ ...--...-... „n .-.... "n.u...nnn~ ...-... ii

11.2.2. Structure

111. La technologie CPL ....

111.1. Le CPL, une question de débit 111.1.1. Le débit sS Mbps

111.1.2. Le débit ZO0 Mbps

111.1.3. Le débit 500 M:bps ... „ ... „ .... „..

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1]1.2. Historique de la technologie CPL ... „ ...

111.3. Que signifie la technologie CPL ? ...

Sommaire

III.4. Prîncipe de fonctionnement ... 16

111.5. La topologie CPL lndoor 18

III.5.1. Les adaptateurs pour l'accès lndoor„„.„„ .... „„ .... „..„...„„„ ...-...--.... „„„ io 111.6. La topologie CPL 0utdoor

111.6.1. Pourquoi le CPL Outdoor reste-il aussi confidentiel ?

111.6.2. Le CPL Outdoor a-t-El de l'avenir ou b±en est-il condamné à rester une technologiemarginale?

111.7. La déférence entre les marchés indoor et outdoor 111.8. Les avantages du Courant Porteur en Ligne

...,... 21

III.9. Les inconvénients du courant porteur en Ligne ... 22

IV. Emissions électromagnétiques dans l'habitat dû à la technologie

..22

IV.1. Sources de perturbations dans le réseau domestique ... „ ... 23 IV.2. Comment éviter ces perturbations ? ...,...

IV.3. Atténuation et réflexion du signal Conclusion„.

Chæ[pï+re T1 -, Caractérisation de la Fonction de Transfiert d'un Réseau de CommunEcation de Lignes Electriques lndoor

Introduction ^..27

I. Modélisation d'un réseau domestique de structure connue ... 28

I.1. Le calcul de la fonction de transfert H(0 ... 28 i.2. Modèles pour le calcul de la fonction de transfert .... „ ... „ ... 28

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I

1.2.1. Le modèle de C. P. Ioannis : Réponse d'un câble simple

Sommaire

1.2.2. Le modèle de M. Zimmermann .. Modèle de propagation d'un sEgnal Multi-

chemin---..-..--...--...-...-....--.-....-.

I.2.2.1. Modèle simplifié .„ ... „ .„ .--... „ -....-. „ ...-.-...-... nu ...-.. ln .-.... 31

1.2.3. Le modèle par la matrice S„„„ ... „.

1.2.4. Le modèle par la matrice ABCD ...

1.2.4.1. La fionction de transfiert d'une lÉgne de transmission avec une seule

branche„ ... „.„ .... „ ... „.„.„„„ -... „.„„„„„-..„„..„...„„.„.„ .... „un.n.nn...nnn.nn...n ... u ..-.... "" 36

11. Méthodologie pour le calcul de la fonction de transfert d'un réseau

de lignes électriques indoor de structure inconnue .... „ ... „ ... „ ... 37 11.1. Présentation de la méthodologie.„ ... „

[1.2. Constatations et remarques 111. Systèmes Linéaires .... „ .... „

III.1.Définition

111.2. Procédé d'élimination de GAUSS ... „ 111.2.1. Exemple 1

III.2.2.DéfinitÈons„...„„„..„„„„...„„.„„...„..n...

41 41 41 43 III.2.3. Exemple z .. Svstème lïnéæi±re à une infinité de solutions ...,. „ ... 43 III.2.4. Exemple 3.. Systèrr\e \înézLîre à une et une seule solution ... „ ... „ 45 111.2.5. Exemple 4 .. Système +ïnéailre sans solution

111.3. Système linéaire sous une forme dite échelonnée Conclusion

ChaLpïtre 111 .. Applications et Résultats

Introduction...„...„„„„„„„...„„...„„..„..„..„„„„„„„...„„„„...

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I. Validation ...

1.1. Section d'un réseau indoor à une seule branche ...

Sommaire

I.2. Réseau indoor à plusîeurs branches ... 58

11. L`effet de l'entier "€" sur la résolution par la méthode de Gauss

III. Application sur un réseau domestique à troîs branches ... 62

IV. Application sur un réseau domestique multi-branches

Conclusion„ ... „ ... „„ .... „ ... „ .... „ .... „.„.„ ... ` .... „„ ... ` ... „...„..„...„.„ ... `„.„ .... " 68

Conclusion Générale

Réfiérences bibliographEques

... 69

... 70

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Introduction Générale

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es communications sans-fils ont eu un succès et une évolution importante ces dernières années plus particulièrement pour le grand public. À titre d'exemples, nous pouvons citer les applications internet pour la téléphonie mobile et le WiFi pour les ordinateurs portables. Dans l'habitat, les applications sans-fils ont du succès notamment pour l'accès au réseau internet mais ce n'est pas le seul moyen de communication possible.

En effet, ces dernières années, une ancienne idée, qui consiste à utiliser les réseaux électriques pour transmettre les informations, a elle aussi eu une forte progression. Ce type de communication, appelée Courant Porteur en Ligne (CPL), a séduit car se base sur l'exploitation du réseau électrique existant. La transmission des données est rendue possible grâce à un signal à haute fi.équence contenant les informations sous format analogique ajouté au signal basse fi.équence 50 Hz existant. Ce signal électrique modulé est transmis par le réseau électrique et est « décodé » à l'arrivée par un modem spécifique. Ce type de transmission de données est déjà utilisé par EDF (Electricité De France) pour permuter les compteurs en mode heures pleines ou heures creuses.

Cette technologie est principalement destinée pour le moment à une utilisation en réseau interne. L'équipement nécessaire pour la mise en place d'un réseau local comporte un modem serveur placé directement dans l'armoire électrique qui permet de « coder » les informations qu'on lui transmet en signal électrique modulé puis diffiisé sur le réseau électrique. Le modem serveur peut être connecté à lnternet par le biais de l'ADSL ou du câble et permet ainsi à toutes les prises électriques d'avoir une connexion au Web. Les informations diffflsées sont alors « décodées » par un modem CPL branché sur la prise électrique qui les envoient sur le périphérique (ordinateur, imprimante, fax ,... etc.). L'avantage principal de ce type de réseaux est la facilité d'installation. En effet, la mise en place du modem serveur dans l'armoire électrique est très rapide (environ une demi-heure) et le réseau est prêt à l'emploi : pas de câblage donc pas de travaux ,... Cet avantage est particulièrement bénéfique pour l'installation de réseaux dans des bâtiments anciens (murs en pierre, pas de faux plafonds ,... ).

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Récemment, la possibilité de l'incorporer dans des systèmes de communication hétérogènes a augmenté l'intérêt des chercheurs pour fournir des solutions à leurs problèmes variés. Un système hétérogène utilise les différentes technologies des réseaux comme Ethernet, le Wi-Fi, les lignes électriques et les câbles coaxiaux, pour transférer des données de façon transparente pour répondre aux diverses exigences.

Comparativement, les lignes électriques sont la plupart du temps des variantes et représentent un canal dur pour les communications. Cela parce que les canaux de transmission sont constitués des composants hétérogènes comme des fils avec différentes impédances caractéristiques, des charges non adaptées et de branchements en dérivation qui varient avec le temps. Cela rend la fi-équence de la fonction de transfert se'/ecti.ve avec les occurrences d'encoches profondes auxquelles le signal reçu est mi.ni.J7]aJ.

Obtenir les caractéristiques d'un canal joue un rôle important dans la communication. La prédétermination de la fbnction de transfiert est nécessaLîre daLns de nombreux systèmes de communication. Dans ce travail de fin d'études en Master 11, une J]ouveJJe méfflode est décrite pour es£i.mer la fonction de transfert d'un réseau ou une portion de ce réseau en utilisant la connaissance à l'avant de son impédance d'entrée. En appliquant cette méthodologie, basée sur la représentation par la matri.ae ABCD d'un réseau de structure connue nous pouvons estimer sa fonction de transfert si nous considérons que sa structure est inconnue.

Notre mémoire s'organise en trois chapitres :

Le premier chapitre présente le cercle général de l'étude. 11 aborde : les réseaux locaux, le réseau électrique domestique, la technologie CPL et les émissions électromagnétiques dans l'habitat dû à la technologie CPL.

Dans le second chapitre, nous exposerons les différents modèles pour le calcul de la fonction de transfert d'un réseau à deux ports de structure connue. Ensuite nous formulerons une nouvelle méthodologie issue de la littérature pour le calcul de la fonction de transfert d'un réseau indoor de structure inconnue. Nous clôturerons ce chapitre par des concepts sur les systèmes linéaires.

Dans le dernier chapitre intitulé "Applications et Résultats", nous proposons : des validations de la modélisation de la méthode utilisée pour l'estimation la fonction de transfert d'un réseau de structure inconnue, une étude paramétrique et deux autres applications effectuées sur des réseaux domestiques avec certaines topologies.

Nous terminons ce travail par une conclusion générale.

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Chapftre I :

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Généralités

Général±tés

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ChapÉtre I :

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Introduction

Généralités

e réseau électrique s'utilise aujourd'hui comme support de transmission des signaux de communication. C'est le concept des CouraJ]æ Por£eurs en £[.gne (CPL). La technologie des courants porteurs en ligne permet de se connecter à internet en utilisant le réseau électrique existant. Elle consiste à séparer les signaux à basse fi-équence (courant alternatio et les ondes de haute fréquence sur lesquelles transitent les données numériques. Les courants porteurs en ligne sont surtout utilisés pour par£Œger une comexi.on haut débit dans un réseau local (entreprise, établissements scolaires ... etc.).

Leur développement devrait permettre, avec d'autres technologies dites alternatives, de désenclaver certaines zones ne disposant pas d'accès à l'internet haut débit.

Ils s'adressent généralement à des professionnels mais des offres "grand public" commencent à être proposées. Ces offl-es comprennent en général une borne qui doit être reliée d'une part à la prise électrique et d'autre part à la carte réseau de l'ordinateur (carte Ethernet).

Dans ce premier chapitre, nous présenterons tout d'abord, le portrait d'un réseau domestique local avec ses différents types d'architectures (LAN, MAN, WAN, Wireless et VPN).

Ensuite, nous aborderons le réseau électrique domestique, où nous allons donner : sa définition, ses types de câblage, et d'autres points liés à ce réseau.

La technologie des CPL, représente le troisième axe de ce chapitre, où nous allons rappeler: sa définition, ses débits, son historique, sa signification et son principe de fonctionnement, ainsi que les deux topologies CPL : Outdoor et JJidoor.

Nous terminons ce chapitre par la notion des émissions électromagnétiques dans l'habitat dû à la technologie CPL.

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ChapEtre I : Généralités

1. Les réseaux locaux

1.1. Définition

Un réseau est un ensemble d'éléments reliés entre eux et réglés de manière qu'ils puissent communiquer. C'est aussi simple que ça. Et les réseaux informatiques n'échappent pas à cette règle. Afin de pouvoir communiquer, les êtres humains ont été dotés d'un langage auditif et/ou visuel. Dans le cas où notre interlocuteur ne comprend pas notre langue, alors nous nous dotons tout simplement d'interprètes [1].

En transposant cette définition globale des réseaux, nous pouvons conclure qu'un réseau informatique est un ensemble d'équipements informatiques reliés - disons plutôt i.nteJicomecte's - entre eux et paramétrés de manière qu'ils puissent communiquer.

Figure 1.1. Exemple d'un grand réseau de communication.

11 est de bon ton de souligner ici l`adage informatique qui dit que le réseau c'est l'ordinateur, c'est-à-dire que sans le réseau l'ordinateur est sous-exploité.

Voici quelques exemples de la réseautique.

• La mise en place d'un réseau informatique permet de faciliter et de sécuriser le stockage de l'information ;

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Chapitre I : Généralités

• Elle permet la standardisation des applications et le partage des données entre les postes de travail de manière efficace ;

• La mise en réseau bien conçue facilite les opérations de gestion et de maintenance des applications et des équipements informatiques ;

• La mise en réseau permet de réduire considérablement les coûts d'infi-astructure.

Grâce au réseau, les ressources matérielles et logicielles sont partagées entre plusieurs utilisateurs. Par exemple, au lieu d'acheter p]usieurs imprimantes pour chaque service, une imprimante peut être partagée par tous les services. 11 en est de même pour les applications distribuées.

1.2. L'architecture des réseaux locaux

On distingue plusieurs types de réseaux qui se différencient entre eux en fonction de la distance entre les systèmes informatiques, ou encore en fonction de la technologie qui permet de les mettre en œuvre.

Nous allons définir brièvement les modèles conceptuels des réseaux, les différents types de re'seaux Joca" (LAN, local area network), les réseam Jocaux vi.rtueJs (VLAN, virtual local area network), les re'seaux métropoJi.mi.ns (MAN, metropolitan area network), les réseaux e'tendus (WAN, wide area network), les re'seaux sans ÆJ (wîreless) et les re'seam piT.vés vi.rmeJs WPN, virtual private network) [1].

Figure 1.2. Répartition géographique des différents types de réseaux de communication.

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Chapitre I : Général±tés

1.2.1. Les réseaux locaux (LAN}

Ce sont des réseaux de taille plus ou moins modeste, complexes, qui permettent l'échange de données informatiques et le partage de ressources (données, disques durs, périphériques divers, etc.). L'étendue géographique des réseaux locaux ne dépasse pas 10 km (ex. : Pour un immeuble ou un campus). Le débit, ou la vitesse de communication, varie de quelques Mbps à 100 Mbps. Le nombre de stations ne dépasse généralement pas 1000.

Fîgure 1.3. Exemple de réseau local « LAN ».

I.2.1.a. Les réseaux locaux virtuels CVLA:N}

Un réseau local virtuel est un groupe logique d'unités ou d'utilisateurs qui peuvent être regroupés par fonction, service ou application peu importe l'emplacement de leur segment physique. La configuration d'un réseau local virtuel est effectuée dans le commutateur par un logiciel. Les réseaux locaux virtuels ne sont pas uniformisés et nécessitent l'utilisation d'un logiciel propriétaire vendu par le fournisseur de commutateurs (voir figure 1.4).

I.2.1.b. Les réseaux locaux sans fils Wïreless, LA:N ouWLA:N}

Ce sont des réseaux sans connexions physiques visibles. Ces réseaux utilisent les ondes (radio, infi.arouges, etc.) comme support de communication. Les ordinateurs mobiles ou les assistants personnels (Palm Pilot, etc.) constitueht le secteur informatique en plus forte progression. Beaucoup de possesseurs de ce type d'ordinateurs ont également un ordinateur

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Chapître I : Généralités

relié à des LAN ou des WAN, chez eux ou au bureau, auxquels ils sont reliés à tout instant (voir figure 1.5).

Figure 1.4. Exemple de réseaux virtuels « VLAN et VPN ».

Figure ].5. Exemple de réseau local sans fils « Wireless ».

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Chapitre I : Généralftés

1.2.2. Les réseaux métropolttains CMAN)

Les réseaux métropolitains permettent l'interconnexion de plusieurs réseaux locaux répartis sur différents sites dans une zone urbaine dont l'étendue géographique n'excède pas 200 km. Ces réseaux peuvent être privés ou publics. Ils se distinguent aussi par leurs taux d'erreurs de communication. Le taux d'erreurs pour les réseaux MAN reste faible bien que plus élevé que pour les réseaux locaux : de 1 bit erroné sur 108 à 1 bit sur 1015. Le débit est élevé car supérieur à 100 Mbps (sur liens de fibre optique).

Figure 1.6. Exemple de réseau métropolitain « MAN ».

1.2.3. Les réseaux étendus QNA;N)

Les WAN (Wide Area Network) appelés aussi réseaux longue distance se situent à l'échelle nationale et internationale. Ce sont généralement des réseaux de télécommunications gérés par des opérateurs, qui assurent la transmission des données entre les villes et les pays à l'échelle de la planète. Leurs supports de transmission sont variés (ligne téléphonique, ondes hertziennes, fibre optique, satellite, etc,). La plupart de ces types de réseaux sont publics. Le taux d'erreurs de communication est plus élevé que celui des MAN : de 1 bit erroné sur 106 à un bit erroné sur 1012. Les débits généralement plus faibles que dans les réseaux locaux dépendent du support de transmission : ils varient de 56 kbps à plus de 625 Mbps.

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Figure 1.7. Exemple de réseau étendu « WAN ».

1.2.4. Les réseaux privés virtuels C`TPN)

Les réseaux privés virtuels consistent en l'interconnexion de LAN à l'échelle nationale ou internationale.

Ces réseaux restent privés et sont transparents pour l'utilisateur. Ils permettent en fait, par exemple pour une entreprise, de s'afiïanchir de certaines contraintes, telles que la localisation géographique. Ils rendent possible une transmission plus sécuritaire des données sur un réseau publique, en particulier sur lnternet (voir figure 1.4).

11. Le réseau électrique domestique

Un réseau domestique est constitué du pré câblage complet pour la connexion des ordinateurs et des appareillages multimédia comme la télévision, les lecteurs DVD, les systèmes audio... etc. [2].

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Fîgure 1.8. Exemp]e d'un réseau é]ectrique domestique, haut débit par CPL.

11.1. Types de câblage 11.1.1. Câblage traditionnel

Jusqu'il y a quelques années, l'habitation était généralement équipée de deux types de câbles. Le câble VVT pour les prises téléphoniques et le câble coaxial pour la télédistribution.

Le nombre de câbles et de prises murales prévu à l'époque était aussi très limité. On prévoyait généralement un seul raccordement pour le téléphone et un seul raccordement pour la télévision [2].

11.1.2. Câble de réseau

Si vous choisissez aujourd'hui de créer un réseau avec un câblage classique, vous devrez généralement tirer un câble coaxial dans chaque chambre (câble de télédistribution) ainsi qu'un ou deux câbles UTP (câble de réseau). On connecte à ces derniers les téléphones, les ordinateurs et tous les autres appareils pouvant nécessiter une connexion à un réseau (imprimantes, scanners, digibox...). Tous ces câbles doivent converger vers une place centrale,

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généralement l'endroit où arrive la connexion à la télédistribution, au réseau téléphonique et à lnternet [2].

11.1.3. Câblage universel

Des systèmes de réseau domestique universels pour particuliers intègrent les signaux de téléphone, de données, audio et télévisuel. Ces réseaux utilisent un type de prise murale auxquelles vous pouvez connecter différents appareils multimédias comme le téléphone, la télévision ou un ordinateur.

Figure 1.9. Un câblage universel (raccordant tous les appareils avec un seul type de câble et un seul type de prise).

11.2. Boîtier central

Tout le câblage est dirigé vers un boîtier central dans lequel vous pouvez déterminer les fonctions de chaque câble entrant. Avec un câble réseau et télécommunication - aussi appelé câble 'patch' - vous connectez le module de la télévision, du téléphone ou de l'ordinateur dans le boîtier à la prise correspondante dans la pièce. De la sorte, vous pouvez regarder dans votre chambre un fi]m qui se trouve sur votre digicorder au sa]on ou écouter deux radios différentes dans votre cuisine et votre salle de bain. Tous les ordinateurs et portables connectés peuvent bien évidemment échanger des fichiers, utiliser la même imprimante et surfer simultanément sur lnternet.

11.2.1. Un bon planning est essenüel

Le câblage d'un réseau domestique est prévu très prématurément dans le processus de construction. Les câbles universels sont placés en même temps que les câbles électriques dans Page 11

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les sols et murs. Une bonne planification est nécessaire pour éviter de devoir ouvrir et refermer les murs ultérieurement. Où vont être placés la télévision et le(s) téléphone(s) ? Dans quelles pièces voulez-vous avoir accès à lnternet ? Quelles sont les conséquences si l'imprimante se trouve irrémédiablement dans la pièce x et pas dans la pièce y ? Fait-on une économie de câble réseau si l'on place le modem et le téléviseur l'un à côté de l'autre ?

En bref, dessinez un plan efficace et tenez compte des scénarios fiiturs envisageables.

11.2.2. Structure

Figure 1.10. Une armoire centrale.

Un réseau domestique offfe un réseau câblé structuré avec des prises murales universelles et une centrale de distribution. Vous pouvez ainsi raccorder facilement vos appareils multimédia, les relier et les interconnecter dans toute votre maison. Des prises de communication sont installées dans toutes les pièces de la maison. Dans une armoire centrale, chaque prise de communication est reliée à une connexion correspondante. La télévision, la téléphonie, l'internet et la musique sont rassemblés sur des modules centraux dans cette armoire.

111. La technologie CPL

Les CPL ou courants porteurs en ligne permet de transporter un signal réseau via le réseau électrique. Le CPL s'appuie sur les câbles électriques déjà présents dans votre habitation, qui servent alors de moyen de communication entre les différents appareils de

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Chapitre I : Général±tés

votre réseau domestique (ordinateur, box lnternet, appareil connecté, etc.). Pour faire fonctionner cette technologie, il faut au minimum deux boîtiers CPL (aussi appelé dans ce cas kit CPL ou pack CPL). Branché chacun sur une prise électrique murale, ils peuvent communiquer entre eux, et joindre le réseau domestique traditionnel par l'intermédiaire d'un port Ethernet RJ45 intégré, et même parfois du Wi-Fi pour les boîtiers intégrant une borne ou un point d'accès sans fil [3].

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Figure 1.11. Un réseau CPL.

Tout comme avec l'Ethernet et le Wi-Fi, il existe plusieurs normes CPL qui fixent les débits théoriques actuels à 85, 200 et 500 Mbps. En pratique on se rapproche respectivement des débits réels du Wi-FÎ g, du WÎ-FÎ n et de l'Ethernet Gigabit [3].

Cependant, les performances peuvent être atténuées par différents critères comme la vétusté du réseau électrique, la longueur des câbles électriques, l'utilisation de multiprises ou de rallonges ou encore la qualité des adaptateurs CPL utilisés.

111.1. Le CPL, une question de débit

Comment choisir son kit CPL ? Pas facile de trouver le bon boîtier entre les différents débits disponibles.11 faut donc choisir un kit CPL adapté à son usage [3]:

111.1.1. Le débit 85 Mbps

C'est le débit idéal pour surfer sur le Web. Reliez vos PC à votre Box lnternet grâce au boîtier et bénéficiez d'un débit suffisant pour visiter vos sites Web favoris.

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Chapitre I :

Figure 1.12. Exemple de débit idéal.

Généralités

111.1.2. Le débEt ZOO Mbps

Avec ce débit, à vous les joies du partage de données en grande quantité. Films HD, musique, photos et jeu en ligne sont désormais accessibles sans contrainte.

Figure 1.13. Exemple de moyen débit.

111.1.3. Le débit 500 Mbps

C'est le débit le plus élevé qui existe aujourd'hui sur les boîtiers CPL. Optez pour ce débit si vous souhaitez regarder de façon optimale des vidéos HD de votre ordinateur à votre TV ou jouer en ligne à très haut débit. Idéal si vous possédez plusieurs appareils connectés à votre réseau.

Figure 1.14. Exemple de débit le plus élevé.

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Chapf tre 1 .. Généralités

111.2. Historique de la technologie CPL

Les courants porteurs sont utilisés depuis un certain temps en bas débit pour des applications industrielles et la domotique. Ce n'est que depuis le début des années 2000 et la généralisation du tout-numérique qu'ils sont utilisés par le grand public [4].

• En 1950 apparaissent les premières applications sur fréquence 10 Hz, puissance 10 kw. Elles sont alors unidirectionnelles (éclairage public, télécommande de relais) ;

• Dans les années 1980, début des recherches pour utiliser la bande de fréquences 5- 500 kHz, toujours en unidirectionnel, permettant ainsi un transfert plus rapide des informations ;

• Dans les années 1990, expérimentations des courants porteurs pour des applications de télérelevés dans la bande 60-80 kHz. Apparition de modems courants porteurs bas- débits pour des communications CPL domotiques en Europe (standard EHS/Konnex) et aux États-Unis (standards Echelon et CE Bus) ;

• En 1997, des recherches sont menées sur la transmission de données en CPL et en bidirectionnel par ASCOM (Suisse) et Norweb (Royaume-Uni) ;

• En 2000, des premières expérimentations sont effectuées en France par EDF R&D et ASCOM. Deux ans plus tard, en 2002, SpiDCOM Technologies, nouvelle entreprise fi.ançaise, arrive sur le marché avec son processeur de 224 Mb/s, « le plus rapide au monde » à l'époque [4]. La même année, Wirecom Technologies, également nouvelle entreprise française, spécialisée dans la gestion des énergies du bâtiment sur CPL (technique bas-débit - norme CENELEC EN50065-1) arrive sur le marché. En 2003, acquisition par Schneider Electric de la société suédoise llevo, spécialisée dans les courants porteurs en ligne, et création de la nouvelle entité Schneider Electric Power line Communications, dédiée à la fourniture d'équipements, de logiciels et de services autour des courants porteurs en ligne ;

• En 2005, arrivée de la norme home Plug 1.1 turbo 85 Mbits. Début de règlementation au niveau européen. En 2007, arrivée sur le marché des produits à la norme Homeplug AV 200 Mbits. Ajout de nouvelles fonctionnalités (QoS, VLAN...) ;

• En 2010, une ratification de la norme IEEE Std 1901-2010 prévoit l'utilisation d'adaptateurs CPL domestiques atteignant la vitesse théorique de 500 Mbits ;

Dans les années 2010, le CPL devient une alternative crédible pour les usages de gestion du réseau électrique et de collecte des compteurs électriques communicants ;

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• ERDF (Electricité Réseau Distribution France) lance alors, en 2012, un consortium, l'Alliance G3-PLC pour promouvoir le protocole CPL G3 (G3-PLC en anglais) une technologie simple, peu coûteuse, permettant de fortement diminuer les coûts d'installation et de maintenance (pas de nouveau réseau à installer, c'est le réseau électrique qui prend une fonction supplémentaire).

111.3. Que sîgnifie la technologîe CPL ?

Le CPL est une technologie permettant d'utiliser le réseau électrique d'une habitation pour connecter des périphériques en réseau. Offiant des débits allant jusqu'à 500 Mbp/s, la technologie CPL peut aussi bien être utilisée pour partager un accès internet que pour créer des réseaux locaux. Par exemple, il est possible d'utiliser un kit CPL pour brancher une TV à un box ADSL éloignée afin de bénéficier des éventuelles fonctions internet offertes par la TV

[5].

Figure 1.15. Exemple basique d'une architecture CPL.

111.4. Prîncipe de fonctionnement

En effectuant la technologie CPL à Haut Débit, il est possible de faire passer des données informatiques sur le réseau électrique, et ainsi étendre un réseau local existant ou partager un accès lnternet existant via les prises électriques grâce à la mise en place de boîtiers spécifiques [6].

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Chapitre 1 .. Généralités

Le principe des CPL consiste à superposer au si.gnaJ e'Jectri.que de 50 Hz un autre si.gmJ d pJus haute fliéqueJice Œiande 1,6 à 30 MHz) et de /ai.bJe e'nergi.e. Ce deuxième signal se propage sur l'installation électrique et peut être reçu et décodé à distance. Ainsi le signal CPL est reçu par tout récepteur CPL qui se trouve sur le même réseau électrique. Un coupleur intégré en entrée des récepteurs CPL élimine les composantes basses fi.équences avant le traitement de signal,

Figure 1.16. Principe de fonctionnement du CPL.

Le marché du CPL se partage en deux segments, selon leur topologie placé à l'intérieur des bâtiments ou à l'extérieur vers les lignes de moyenne et haute tension. Nous distinguons :

• le marché intérieur appelé topologie « i.Jidoor » qui correspond à l'habitation ou le lieu dans lequel le CPL est utilisé. Cet endroit se situe en aval du compteur électrique ;

• le marché extérieur appelé topologie « oHfdoor » qui correspond à la partie qui se situe en amont du compteur électrique, on parle souvent de mise en place d'une boucle locale électrique [7].

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Figure 1.17. Les différentes étapes du transfert des CPL.

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111.5. La topologie CPL lndoor

Le CPL lndoor utilise le réseau électrique privé de l`abonné : vous devez déjà posséder une connexion lnternet. Le CPL lndoor vous permettra alors de la partager [8].

Le CPL lndoor permet également de contrôler vos équipements électriques, en bas débit : le CPL est notamment utilisé pour la domotique (automatisation, coordination ou programmation de tâches de confort, de sécurité, comme la climatisation, l'éclairage...).

Dans sa version privée et sans fil (Indoor), le CPL sera probablement amené à supplanter le WIFI : l'installation d'un réseau privé CPL est simple et rapide, puisqu'il suffit de deux adaptateurs CPL. Enfin, le réseau CPL est a priori plus sécurisé qu'un réseau Wi-Fi : le réseau CPL lndoor nécessite un adaptateur CPL afin de se connecter et surtout le CPL lndoor transite uniquement via votre réseau électrique privé, ce qui permet une sécurité supplémentaire.

Cette topologie est mise en place par l'utilisateur, sauf si un appareil doit être installé sur le compteur électrique. Par contre, les adaptateurs installés sur les prises, les ponts, le routeur ... sont à la charge de l'utilisateur final.

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Figure 1.18. Schémas de la topologie J.ndoor.

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Le développement des CPL à l'intérieur des bâtiments n'est soumis à aucune contrainte.

La seule limitation est de ne pas créer de nuisances par interférence. Pour cette topologie indoor, la situation est plus limpide : le Home Plug, norme pour la domotique développée par le consortium Home Plug Power Line Alliance, domine le marché [8].

Les modems CPL établissent un pont entre le matériel informatique et le réseau électrique, comme le ferait un modem analogique entre l'ordinateur et la ligne téléphonique.

Dans le cas d'une connexion lnternet, le signal provenant de la Toile est récupéré par le routeur CPL puis injecté dans le réseau électrique. N'importe quel ordinateur muni d'un modem CPL peut ainsi accéder à lnternet, quelle que soit la prise électrique utilisée, dans la limite des prises gérées par le même compteur électrique.

111.5.1. Les adaptateurs pour l'accès lndoor

Les premiers éléments indispensables sont les adaptateurs. Ces matériels se branchent sur les prises électriques et proposent une sortie Ethernet ou USB à connecter à l'interface du matériel à associer au réseau CPL. Voici quelques exemples de la marque CMM (Courant Multi Media) [8]:

Figure l.19. Adaptateur cpL/Ethernet. Figure l.20. Adaptateur cpL / USB.

Ces adaptateurs sont généralement [8] :

• compatibles avec la spécification Home plug l.01 ;

• proposentun encryptage DES 56 Bits ;

• utilisent la modulation oFDM (84 porteuses).

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111.6. La topologie CPL Outdoor

La topologie CPL Outdoor s'apparente à une `'boucJe JocaJe". 11 s'agit de faire circuler les informations numériques (voix, données IP...) entre le transformateur électrique du quartier et les logements en se servant du réseau électrique [7].

Les données IP (Jntemet Protocoo transitent par fibre optique du réseau d'un fournisseur d'accès jusqu'au transformateur électrique spécialement équipé, puis sont relayées jusqu'au domicile de l'abonné par le réseau basse tension. L'internaute doit alors connecter un modem CPL directement sur une prise électrique puis relier son ordinateur au modem via un câble Ethernet ou par Wi-Fi.

Figure 1.21. La topologie CPL Outdoor.

111.6.1. Pourquoi le CPL Outdoor reste-il aussi confidentiel ?

Le principal avantage du CPL est bien entendu de s'appuyer sur un réseau dense déjà en place, et donc d'éviter les coûteux travaux de génie civil et de raccordement.

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Le CPL Outdoor n'est pas exempt de défauts. En premier lieu, si les réseaux électriques couvrent tout le territoire, ils ne sont pas tous homogènes, ce qui ne favorise pas la mise en œuvre d'un système performant, simple et capable de fournir un service CPL de qualité. Autre difficulté majeure, la question des débits. A l'heure actuelle, le CPL nécessite l'utilisation de répéteurs pour assurer une connexion de quelques mégabits aux abonnés [7].

Figure 1.22. Exemple de répartition du CPL Oz/&door.

111.6.2. Le CPL Outdoor a-t-il de l'awenir ou bien est-tl condamné à rester une technologie marginale?

Le Courant Porteur en Ligne n'a pas la vocation à concurrencer l'ADSL, ni le WiMax, et encore moins la fibre optique. A défaut d'être utilisé comme technologie principale, le CPL peut néanmoins se révéler être un complément judicieux dans certains cas. A défaut de fibrer tout le monde, ou encore tous les sous-répartiteurs, pourquoi ne pas fibrer un certain nombre de transformateurs et utiliser la capillarité du réseau électrique pour irriguer un quartier ou une zone grise ? De nombreux internautes ne demandent qu'à profiter du haut débit à 220 Volts, et de préférence en solaire ou en éolien...

111.7. La défiérence entre les marchés indoor et outdoor

Les marchés i.ndoor et ou€door ne sont pas au même niveau de maturité. L'indoor démarre sous l'impulsion fédératrice du Home Plug, standard de fait [7].

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Chapftre I : Généralités

En ce qui concerne l'outdoor, la situation est plus complexe: le statut des sociétés de production et de distribution de l'énergie électrique ne leur permet pas de commercialiser des services de télécommunications puis qu'elles ne sont pas encore titulaires de licence d'opérateurs de réseau de télécommunications jusqu'à un prochain changement de statut.

111.8. Les avantages du Courant Porteur en Ligne

Le courant porteur en ligne possède des avantages indéniables. 11 est plus simple à installer que le WiFi puisqu'il ne s'encombre ni de clés de cryptage WEP ou WPA ni d'adresses MAC [7]. De manière générale, le CPL est aussi beaucoup plus sûr que le WiFi.

Les données numériques accessibles via le réseau électrique s'arrêtent en effet généralement au niveau du compteur électrique. 11 existe quelques cas de débordements, mais cela reste anecdotique. Avec le CPL, on peut donc facilement créer son propre réseau local Pour :

• partager des fichiers entre ordinateurs (photos, mp3, vidéos...) ;

• partager une connexion lnternet existante (ADSL ou câble/fibre) ;

• partagez des périphériques (imprimante, scanner...) ;

• joueren réseauchezsol.

111.9. Les inconvénients du Courant Porteur en Ligne

• Mise en œuvre et bon fonctionnement dépendant de l'architecture du réseau électrique ;

• Manque de standardisation et de normes ;

• Problème d'interopérabilité entre les différents équipements ;

• Prixà cejour, marché à développer [6].

IV. Emissions électromagnétiques dans ]'habitat dû à la technologie CPL

La technologie courant porteur en ligne (CPL) est utilisée dans l'habitat pour les systèmes de transmission multimédia. Cette technologie a comme principale caractéristique la réutilisation du réseau électrique comme canal de transmission. Cette caractéristique rend cette technologie attractive pour le coût d'installation. Par ailleurs, il existe des divergences d'opinion par rapport à l'utilisation de la technologie CPL comme moyen de communication.

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Chapitre I : GénéralÉtés

Les opposants à cetie technolog±e affiiTment que les ftéquences utilisées par le CPL causeni des émissions conduites et rayonnées susceptibles de perturber les systèmes envitonJmJiœ fonctionnant dans la même bande de fi.équence, par exemple les systèmes radio amateur. Ainsi il est nécessaire de supprimer des porteuses des systèmes CPL pour la cohabitation avec d'autres systèmes [9].

IV,1. Sources de perturbations dans le réseau domestique

Le canal de transmission utilisé pour la technologie CPL est constitué par le réseau électrique domestique. 11 est donc naturel de penser que l'état du canal de transmission joue un rôle important pour les systèmes basés sur le CPL. Dans un environnement domestique, les apparei`Js éJectrome'nagers, et en général tout appareil électrique connecté au réseau d'alimentation, contribuent au de'se'qui.Ji.bre des Ji.gnes du re'seau [9].

Les fils d'un câble peuvent aLussî contrïbueT au déséquilibre du réseau. Le déséquïlïbre dans les fils est généré par la variation en longueur et rayon des fils ainsi que par la variation d'impédances par rapport à la masse. La différence de longueur de fil amène une différence de phase entre les courants circulant dans les fils de phase et de neuf7ie. Cette différence de phase génère un courant en mode commHJi. En conséquence du déséquilibre du réseau électrique, le signal injecté en mode différentiel dans une ligne électrique subit une transformation en un signal de mode commun. Les émissions rayonnées dans les systèmes CPL sont directement liées au déséquilibre de réseau.

IV.2. Comment éviter ces perturbations ?

11 existe plusieurs alternatives pour diminuer l'impact de ces perturbateurs [8]:

• Le premier diagnostic est de trouver la source des perturbations, il conviendra donc de débrancher appareil par appareil pour trouver la source du problème ;

• La solution la plus simple est donc d'éloigner au maximum les appareils ayant une connexion à la terre. Simplement le fait de rajouter un peu de câble entre le téléviseur et la multiprise par exemple atténuera fortement l'impact des perturbations ;

• Une autre solution est d'utiliser un filtre CPL. Généralement il s'agit simplement d'un composant électronique appelé inductance qui va en quelque sorte simuler une longueur de câble importante et donc diminuer l'impact des perturbations ;

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• Si le courant porteur doit passer dans le tableau électrique via des disjoncteurs et des disjoncteurs différentiels, il faudra essayer dans la mesure du possible que l'émetteur et le récepteur CPL soit sous le même disjoncteur.

IV.3. Atténuation et réflexion du signal

Nous avons vu que la topologie du réseau électrique est une architecture particuli- èrement complexe avec une multitude d'appareils différents qui peuvent y être connectés. En plus des perturbations électromagnétiques qui sont présentes sur la ligne électrique, cette topologie complexe va présenter d'autres limitations pour la transmission d'un signal hautes fi.équences [10].

En effet, le signal émis au niveau d'une prise risque d'être fortement altéré au niveau de la réception, en raison de plusieurs effets complémentaires :

• L'atténuation du côbJage éJectri.que et des dispositifs intermédiaires (fiisi.bJes, disjoncteursù .,

• Dispersion du signal au niveau de chaque mmi.ficatï.on ;

• Réflexions du signal au niveau des prises (réflexions pouvant être destructrices à certaines fi.équences du fait de la superposition de sinuso.i.des déphasées).

Figure 1.23. Exemple d'une installation du réseau électrique domestique.

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Le schéma de la figure ci-dessus montre les différents points susceptibles de provoquer des atténuations et des réflexions du signal de la topologie du réseau électrique. Dans ce cas- là, le niveau du signal reçu par le récepteur peut être fortement atténué par rapport au signal émis à un autre point du réseau.

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Conclusfon

Chapf tre I :

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Généralités

u terme de ce chapitre, il convient de dire que, le CPL est une nouvelle technologie qui peut avantageusement compJéter les réseaux informatiques existants. Encore peu connue, cette technologie est pourtant utilisée depuis des dizaines d'années par des entreprises européennes pour gérer le basculement des compteurs électriques des tarifs de jour vers ceux de nuit. L'usage le plus évident est le par£Œge de connexion i.nteJTiet entre quelques utilisateurs.

Les spécifications de la version Home Plug AV (pour audio/vidéo) [8] sont, donc, destinées au transport de l'audio et de la vidéo. Bien à voir avec un usage en entreprise, ce qui laisse le champ libre à un autre standard plus approprié pour les réseaux informatiques.

Si l'on regarde les articles qui parlent du CPL, tout paraît simple et idyllique. Le CPL c'est l'avenir et il faut déployer cette technologie au plus vite.

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CHAPITRE 11 =

Caractérisation de la Fonction de Transfert d'un

Réseau de Commun±cation de Lignes Electr±ques lndoor