Presentation Stage CPL&Smart Grid

Département C2S2

XLIM

STAGE DE FIN D’ETUDE 2011/2012 C2S2/ESTE

UNIVERSITE DE LIMOGES ******

FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES ******************* MASTER-II THEO

ETUDE ET MODÉLISATION DES CANAUX CPL POUR

UNE TRANSMISSION MIMO-OFDM DANS LE

CONTEXTE DE SMART GRID

Présenté par : Chérif Hamidou SY

Sous la direction de : M. Vahid MEGHDADI

et M. Jean Pierre CANCES

Département C2S2

XLIM

Conclusion et Perspectives

2

3

4

5

1 Introduction

La technologie CPL (Courants Porteurs en Ligne)

Modélisation du canal CPL MIMO domestique

Résultats des simulations

Département C2S2

XLIM

Réseau de distribution de l'énergie électrique selon les normes européennes [Ones06] 1

Département C2S2

XLIM

2

Bref historique

Applications bas- débit

Télémétrie, télécontrôle

- Relevés de compteurs, détections de coupures

Domotique

- Déclenchements et réglages d’appareils

Applications haut-débit

Réseaux locaux CPL indoor

- Communications multimedia entre PC, TV, etc.

Réseaux locaux CPL outdoor

- Accès à l’Internet domestique

1900 1980 1990 2004

qq kbit/s qq 10 kbit/s qq Mbit/s qq 10 Mbit/s

2012

qq 100 Mbit/s

Département C2S2

XLIM

Systèmes CPL

CANAUX CPL

MIMO SISO

OUTDOOR OUTDOOR INDOOR

INDOOR

3

Département C2S2

XLIM

Occupation spectrale des applications CPL

4

Techniques de transmission

Systèmes à étalement de spectre (SS)

Systèmes à porteuses multiples (OFDM)

Fréquences

50 Hz 9-40 Hz 1,6 MHz 30 MHz

100 MHz

CPL bas-débit CPL haut-débit

20 MHz

Outdoor Indoor

Département C2S2

XLIM

Approches de modélisations

CPL MIMO

Bottom-Up Top- Down

• Basée sur des mesures • Simplicité • Erreurs de mesures • Imprécision

• Basée sur la TLT • Complexe mais plus précise • Connaissance du réseau • Temps de calcul

Combinaison des points forts de chacune des approches (précision et performance)

5

TLT: Théorie des Lignes de Transmission

Département C2S2

XLIM

Caractérisation du canal de propagation

Atténuation dans les câbles

Atténuation linéique

Atténuation en fréquence

Trajets multiples

Désadaptations d’impédances

Bruits

Bruit de fond

Brouilleurs à bande étroite

Bruits impulsifs divers

6

Département C2S2

XLIM

Le canal physique

Le canal CPL MIMO 3x3

7

Département C2S2

XLIM

Fonction de transfert du canal CPL MIMO

𝐻 𝑓 =

ℎ11 𝑓 ℎ12(𝑓) …ℎ21(𝑓) ℎ22(𝑓) ⋯⋮

ℎ𝑁1(𝑓)⋮

ℎ𝑁2(𝑓)⋱⋯

ℎ1𝑀(𝑓)ℎ2𝑀(𝑓)⋮

ℎ𝑁𝑀(𝑓)

ℎ𝑖𝑗(f) = 𝑨 𝒈𝒑 . 𝒆−𝒋𝝋𝒑 . 𝒆−(𝒂𝟎+𝒂𝟏𝒇

𝒌)𝒅𝒑 . 𝒆−𝒋𝟐𝝅𝒅𝒑

𝝑𝒇 𝑵𝒑

𝒑=𝟏

𝑦𝑛 = ℎ𝑛𝑚𝑥𝑚 + 𝑤𝑛

𝑀

𝑚=1

Signal reçu par le capteur n

𝒀 = 𝑯𝒙 +𝑾

Représentation matricielle de la réponse du canal CPL MIMO

Facteur de Pondération

Facteur d’atténuation Retard de Propagation

𝑁𝑝: le nombre de trajets

p: 𝑝𝑖𝑒𝑚𝑒 trajet 𝜗 = 2. 108𝑚/𝑠: vitesse de la lumière dans le câble électrique 𝑑𝑝: longueur du 𝑝𝑖𝑒𝑚𝑒 trajet

𝐴, 𝑎0, 𝑎1 𝑒𝑡 𝑘: paramètres d’atténuation f: fréquence

Phase aléatoire

8

Département C2S2

XLIM

Fonction de transfert du canal CPL MIMO

𝐻 𝑓 =

ℎ11 𝑓 ℎ12(𝑓) …ℎ21(𝑓) ℎ22(𝑓) ⋯⋮

ℎ𝑁1(𝑓)⋮

ℎ𝑁2(𝑓)⋱⋯

ℎ1𝑀(𝑓)ℎ2𝑀(𝑓)⋮

ℎ𝑁𝑀(𝑓)

ℎ𝑖𝑗(f) = 𝑨 𝒈𝒑 . 𝒆−𝒋𝝋𝒑 . 𝒆−(𝒂𝟎+𝒂𝟏𝒇

𝒌)𝒅𝒑 . 𝒆−𝒋𝟐𝝅𝒅𝒑

𝝑𝒇 𝑵𝒑

𝒑=𝟏

𝑦𝑛 = ℎ𝑛𝑚𝑥𝑚 + 𝑤𝑛

𝑀

𝑚=1

Signal reçu par le capteur n

𝒀 = 𝑯𝒙 +𝑾

Représentation matricielle de la réponse du canal CPL MIMO

Facteur de Pondération

Facteur d’atténuation Retard de Propagation

𝑁𝑝: le nombre de trajets

p: 𝑝𝑖𝑒𝑚𝑒 trajet 𝜗 = 2. 108𝑚/𝑠: vitesse de la lumière dans le câble électrique 𝑑𝑝: longueur du 𝑝𝑖𝑒𝑚𝑒 trajet

𝐴, 𝑎0, 𝑎1 𝑒𝑡 𝑘: paramètres d’atténuation f: fréquence

Phase aléatoire

9

Département C2S2

XLIM

Pamètres de simulation de la fonction de transfert

𝐻(𝑓) = 𝐴 𝑔𝑝. 𝑒−𝑗𝜑𝑝𝑒−(𝑎0+𝑎1𝑓

𝑘)𝑑𝑝 . 𝑒−𝑗2𝜋𝑑𝑝𝜗𝑓

10

𝑝=1

Capteurs se rapportant au même circuit

Co-canaux Canaux croisés

A Uni (0.005, 0.25) Uni (0.005, 0.15)

dp [2;7; 11; 12; 16; 19; 20; 22; 23; 25]

a0 Exp (µ=0.00827)-0.005

a1 4e-10

k Normale (µ=1.01748, σ=0.01955)

gp Uniform (-1, 1)

p Uniform (-π, π)

10

[Rehan Hashmat et al, 2012]

Département C2S2

XLIM

Réponse fréquentielle de la fonction de transfert

Réponse de notre canal CPL MIMO 3X3

11

𝑑𝑝 =[2; 7; 11; 12; 16; 19; 20; 22; 23; 25] en m

0 5 10 15

x 107

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Fréquence en Hz

Att

énuation d

u c

anal en d

B

PN-PN

PPE-PPE

NPE-NPE

PN-PPE

PN-NPE

NPE-PN

NPE-PPE

PPE-PN

PPE-NPE

Département C2S2

XLIM

Paramètres de simulation des bruits

Séquences de bruit

N-PE P-N P-PE

Paramètres du modèle de bruit CPL

MIMO

x Uniform (1.75, 2.1) Uniform (1.86, 2.2) Uniform (1.75, 2.1)

y Uniform (-16.1, -15)

Bruit de fond

Bruit à bande étroite:

Bruit impulsif:

𝑛𝑛𝑎𝑟𝑟𝑜𝑤𝑏𝑎𝑛𝑑 𝑡 = 𝐴𝑖 𝑡

𝑁

𝑖=1

. sin(2𝜋𝑓𝑖𝑡 + 𝜑𝑖)

𝑛𝑖𝑚𝑝 𝑡 = 𝐴𝑖 . 𝑖𝑚𝑝𝑡 − 𝑡𝑎𝑟𝑟,𝑖𝑡𝑤,𝑖

𝑖

𝑁𝑂𝑀 = 10 log10(1

𝑓𝑥+ 10𝑦)

12

[OMEGA] et [Rehan Hashmat et al, 2012]

OMEGA: hOME Gigabit Access

Département C2S2

XLIM

Les bruits

0 10 20 30 40 50 60-0.1

-0.05

0

0.05

0.1Le Bruit de fond

Temps en seconde

Niv

eau d

e b

ruit e

n v

olt(V

)

0 10 20 30 40 50 60-0.4

-0.2

0

0.2

0.4Le Bruit à bande étroite

Temps en seconde (s)

Niv

eau d

e b

ruit e

n v

olt(V

)

0 10 20 30 40 50 60-2

-1

0

1

2

3Le Bruit Impulsif

Temps en seconde (s)

Niv

eau d

e b

ruit e

n v

olt(V

)

0 10 20 30 40 50 60-2

-1

0

1

2

3Le Bruit Total

Temps en seconde (s)

Niv

eau d

e b

ruit e

n v

olt(V

)

13

Département C2S2

XLIM

Technique de transmission

14

S/P IFFT P/S Ajout du préfixe

cyclique

CANAL CPL MIMO

Suppression du

préfixe cyclique Egalisation Décision

Modulation

4 - QAM

FFT

Source de

données binaires

Données reçues

Démodulation

Notre modèle de chaine de transmission OFDM sur le canal CPL MIMO

Département C2S2

XLIM

Validation de la simulation

𝑇𝐸𝑆4𝑄𝐴𝑀 = 𝑒𝑟𝑓𝑐 0.5 ∗ 10𝑆𝑁𝑅10 −

1

4 𝑒𝑟𝑓𝑐 0.5 ∗ 10

𝑆𝑁𝑅10

15

0 2 4 6 8 10 1210

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

X: 6

Y: 0.04536

SNR en dB

TE

S X: 10

Y: 0.001543

Courbe théorique

Courbe simulée

Département C2S2

XLIM

Courbe du TES en fonction du SNR pour le canal MIMO

16

Paramètres de simulations

Nombre de symboles: 1000

Nombre de porteuses: 1024

Taille du préfixe cyclique: 1/8

Nombre d’états de la QAM: 4

0 5 10 15 20 25 30 35 40 4510

-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

X: 10

Y: 0.06577

SNR en dB

TE

S

X: 5.971

Y: 0.1238

Département C2S2

XLIM

Courbe du TEB en fonction du SNR pour le canal MIMO

16

Paramètres de simulations

Nombre de symboles: 1000

Nombre de porteuses: 1024

Taille du préfixe cyclique: 1/8

Nombre d’états de la QAM: 4

0 5 10 15 20 25 30 3510

-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

X: 10.04

Y: 0.02537

SNR en dB

TE

B

X: 20.04

Y: 0.001765

X: 6.009

Y: 0.05489

Département C2S2

XLIM

Intégrer un code correcteur d’erreurs dans la chaine de transmission

18

TEB ≈ 10−3 pour un SNR≈20 dB sans codage

La technologie CPL MIMO connait un regain d’intérêt manifeste auprès des industriels (norme G.9963 de l’UIT, Homeplug AV2, …)

Canal très bruyant

Département C2S2

XLIM

Département C2S2

XLIM

Annexes

Réponse fréquentielle du canal CPL MIMO basée sur des mesures [Hashm12a]

Département C2S2

XLIM

Annexes

0 5 10 15

x 107

-160

-155

-150

-145

-140

-135

-130DSP du bruit de fond

Fréquence en Hz

Niv

eau d

e b

ruit e

n d

Bm

/Hz