Courant Porteur en Ligne

[CPL] LE COURANT PORTEUR EN LIGNE

Auteurs : CHARBIT François – MICHEL Loïc – SUZANNE Frédéric DESS T.N.I. – Filière A.S.R. Le CPL

1 29/11/2004

Auteurs : François CHARBIT Loïc MICHEL Frédéric SUZANNE

CCOOUURRAANNTT PPOORRTTEEUURR EENN LLIIGGNNEE

Travail d’Etude et de Recherche Module A1

Présenté le 29/11/2004



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INTRODUCTION

Le CPL (Courant Porteur en Ligne) appelé aussi PLC (Power Line Communication) ou BPL (Broadband Over Power Line) est une technologie qui commence à faire parler d’elle. Pour s’en convaincre, il suffit de regarder le nombre d’articles qui sortent sur ce sujet depuis 2002 (Le monde informatique, 01Net, réseaux & télécoms, New York Times …). Mais que se cache t’il derrière cette « nouvelle » technologie ? Est-ce un chemin d’avenir à prendre ? En étudiant le CPL on s’aperçoit vite de certaines limites ; des voix s’élèvent contre son utilisation. Pourquoi tout ce remue-ménage ? Nous avons scindé notre étude en trois parties afin de bien voir les différents enjeux auxquels cette technologie fait face. Dans une première partie, nous développerons brièvement la technologie proprement dite. Puis, dans les parties suivantes, nous verrons que celle ci se découpe en deux grandes architectures : Indoor (et sa spécification Homeplug) et Outdoor. Ceci nous permettra de bien saisir à quels points les deux marchés possibles des CPL sont différents en terme de développement futur. Et nous terminerons enfin par les différents avantages et inconvénients de cette technologie, lesquels bloquent la pérennisation définitive des « Courants Porteurs en Ligne ».



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TABLE DES MATIERES I. LA TECHNOLOGIE CPL __________________________________________________ 5

I.A. LE CPL, C’EST QUOI_______________________________________________________ 5 I.A.1. Définition ____________________________________________________________________5 I.A.2. Une technologie vieille de plus d’un demi siècle ________________________________5

I.B. TECHNIQUES DE MODULATION_______________________________________________ 6 I.B.1. OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing____________________________7

I.B.1.A. Principe : _______________________________________________________________7 I.B.1.B. Remarques : ____________________________________________________________7

I.B.2. Spread Spectrum_____________________________________________________________8 I.B.2.A. Principe : _______________________________________________________________8 I.B.2.B. Remarques______________________________________________________________8

I.B.3. Comparaison OFDM et SS par rapport à la montée en débit _____________________9 I.B.4. Etude d’un cas : la modulation spécifique DS2 _________________________________9

II. LES CPL EN INDOOR ___________________________________________________ 11

II.A. LE HOMEPLUG POWERLINE ALLIANCE _______________________________________ 11

II.B. LES SPECIFICATIONS HOMEPLUG POUR LA COUCHE PHYSIQUE (HOMEPLUG PHY) ___ 12 II.B.1. Les principaux problèmes liés à la couche physique ________________________12 II.B.2. Les techniques utilisées par la norme Homeplug____________________________12 II.B.3. La « Channel adaptation » procédure_______________________________________14 II.B.4. Caractéristiques techniques _______________________________________________14

II.C. LES SPECIFICATIONS HOMEPLUG POUR LA COUCHE LIAISON (HOMEPLUG MAC) ____ 14 II.C.1. Principales caractéristiques de la norme Homeplug au niveau MAC __________15 II.C.2. Résolution des problèmes de contention ___________________________________15

II.C.2.A. Le Virtual Carrier Sense(VCS) _________________________________________15 II.C.2.B. Fenêtre de résolution de contention ___________________________________16

II.C.3. Format des trames Homeplug 1.01 _________________________________________16 II.C.3.A. le champ préambule__________________________________________________17 II.C.3.B. le champ frame control _______________________________________________17

II.C.4. Echange de message entre stations ________________________________________18 II.C.4.A. transmission de données unicast _____________________________________18 II.C.4.B. transmission de données multicast et broadcast _______________________18

II.C.5. Homeplug 1.01 et la sécurité _______________________________________________18

II.D. LES PRODUITS CPL COMPATIBLES HOMEPLUG 1.01 ___________________________ 19

II.E. FUTURS NORMES ET STANDARDS POUR LES RESEAUX CPL INDOOR ______________ 19

III. LES CPL EN OUTDOOR _______________________________________________ 20

III.A. OBJECTIFS _____________________________________________________________ 20 III.A.1. Bref Descriptif ____________________________________________________________20 III.A.2. Une Solution pour les collectivités locales __________________________________22 III.A.3. Complémentarité des technologies d’accès : _______________________________22

III.B. ARCHITECTURE DES CPL SUR LA BOUCLE LOCALE ELECTRIQUE : _______________ 24 III.B.1. Architecture du Réseau électrique HT/MT/BT _______________________________24 III.B.2. CPL sur les lignes et Outdoor______________________________________________25 III.B.3. Mise en œuvre, Couplage : ________________________________________________26



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III.B.4. Technologies, Normes et Standards : ______________________________________28 III.B.4.A. Normes et Standards :________________________________________________28 III.B.4.B. Performances et Caractéristiques _____________________________________28

III.B.5. Exemples D’Equipements : ________________________________________________29

III.C. QUELQUES EXPERIMENTATIONS OUTDOOR ; UNE SOLUTION POUR L’AVENIR ?_____ 31 III.C.1. La Loi et les différentes Organisations _____________________________________31 III.C.2. Quelques Tests Réalisés ou en cours de Réalisation : _______________________33

III.C.2.A. Bref Aperçu : ________________________________________________________33 III.C.2.B. Exemple : La Haye-Du-Puits teste la boucle locale électrique : __________35

IV. AVANTAGES ET INCONVENIENTS : _______________________________________ 36

IV.A. LES AVANTAGES : _____________________________________________________ 36

IV.B. LES INCONVENIENTS : __________________________________________________ 37

V. CONCLUSION : ________________________________________________________ 39

ANNEXE 1 ________________________________________________________________ 40

WEBOGRAPHIE : _______________________________________________________________ 40



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I. LA TECHNOLOGIE CPL

I.A. LE CPL, C’EST QUOI

I.A.1. Définition

Le CPL est une technique qui permet d’utiliser les lignes électriques basse et moyenne tension (220 volts ou 380 Volts), pour y faire passer des ondes courtes à hautes fréquences sur la bande des 9KHz à 30 MHz au moyen d’un couplage avec les signaux électriques (50Hz en France).

Cette technologie vise donc à faire passer de l’information à bas débit ou haut débit sur les lignes électriques en utilisant des techniques de modulation avancées.

I.A.2. Une technologie vieille de plus d’un demi siècle

La technologie sur courants porteurs existe depuis longtemps, mais elle n'était utilisée qu'à bas débit pour des applications de télécommande de relais, éclairage public et domestique.

Le haut débit sur CPL n’a commencé qu’à la fin des années 1990.

1950 : sur fréquence 10 Hz, puissance 10 kW, unidirectionnel : lumières en ville, télécommande de relais. Milieu des années 80 : début des recherches pour utiliser le réseau de distribution électrique comme support de transport de données, sur la bande 5 – 500 kHz, toujours en unidirectionnel. 1997 : premiers tests de transmission de signaux de données sur réseau électrique en bidirectionnel, et début des recherches pour Ascom (Suisse) et Norweb (UK). 2000 : expérimentations en France par EDF R&D et Ascom.



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Début des recherches premières expérimentations pour utilisation [5-500] Hz en France par EDF R&D (Unidirectionnel) et Ascom 1985 2000 1950 1997

Télécommande Test de transmi. De relais. en bidirectionnel

(Unidirectionnel)

Le CPL est donc une technologie qui a quelques années. Cependant à la base, le réseau électrique n’est pas prévu pour le transport de signaux haute fréquence. L’industrie a dû batailler ferme pendant de longues années pour obtenir une technologie relativement viable.

Etudions maintenant les techniques misent en œuvre par la technologie CPL.

I.B. TECHNIQUES DE MODULATION Comme nous l’avons signalé précédemment, le support du réseau électrique n’a pas été étudié pour transporter des signaux Haute fréquence (HF). Il faut donc prendre en compte les contraintes de ce support pour assurer une bonne transmission de ces signaux HF sans pour autant perturber les appareils environnants, ni les fréquences de la bande 1-30 Mhz par rayonnement, certaines fréquences de cette bande étant réservées à l’armée ou bien aux radioamateurs.

Tout ceci doit enfin être étudié pour donner un débit suffisant à l’utilisateur en bout de ligne.

Tout le problème consiste ainsi à limiter la puissance de fonctionnement des courants porteurs tout en assurant un débit suffisant, et limiter les effets du bruit et de la distorsion sur la ligne. La solution : allier un traitement du signal le plus performant possible et effectuer un couplage optimal du réseau CPL au réseau électrique.

Sur les solutions actuelles, deux types de modulation ressortent particulièrement : OFDM et Spread Spectrum.



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I.B.1. OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Cette modulation a été choisie par le comité Homeplug, donc tous les équipements qui respectent la norme Homeplug sont en modulation OFDM.

n.b : la modulation OFDM est utilisée également pour le wireless : 802.11a.

I.B.1.A. Principe :

Emission simultanée sur x bandes de fréquence (situées entre 1 et 30 Mhz) de N porteuses (modulées par exemple en QPSK) sur chaque bande : répartition d'un train binaire haut débit en une multitude de trains (ou canaux) modulés à bas débit.

Le signal est donc injecté sur plusieurs fréquences à la fois, si l'une d'elles est atténuée le signal passera quand même grâce à l'émission simultanée.

OFDM résout également les problèmes de distorsion des signaux transmis en apportant une solution au problème des échos multiples que l'on rencontre quand on monte en débit.

I.B.1.B. Remarques :

Cette modulation a été choisie par le comité Homeplug, donc tous les équipements qui respectent la norme Homeplug sont en modulation OFDM.

NB : la modulation OFDM est utilisée également pour le wireless : 802.11a.

Il y a possibilité avec cette modulation d'éteindre logiciellement certaines porteuses suivant l'état du réseau ou les fréquences interdites en émission.

Le spectre du signal OFDM présente une occupation optimale de la bande allouée grâce à l'orthogonalité des sous porteuses.



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I.B.2. Spread Spectrum

La modulation avec étalement de spectre est optimisée pour lutter contre le bruit, dont elle limite mieux les effets.

I.B.2.A. Principe :

SS consiste à « étaler » l'information sur une bande de fréquences beaucoup plus large que la bande nécessaire, dans le but de combattre les signaux interférents et les distorsions liées à la propagation : le signal se confond avec le bruit.

Le signal est codé au départ, un code est assigné à chacun des usagers afin de permettre le décodage à l'arrivée. L'étalement est assuré par un signal pseudo aléatoire appelé code d'étalement.

A la réception le signal est perçu comme du bruit si le récepteur n'a pas le code.

I.B.2.B. Remarques

SS : Spread Spectrum : Modulation à étalement de spectre

La modulation CDMA : Code Division Multiple Access est une modulation SS, elle est utilisée pour certaines solutions CPL.



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I.B.3. Comparaison OFDM et SS par rapport à la montée en débit

Lorsqu'on fait le point des différentes solutions existantes à ce jour on note que les solutions qui utilisent l'étalement de spectre restent à bas débit, seules les solutions qui utilisent OFDM peuvent monter en débit.

Il semble donc intéressant à ce niveau de tenter une explication en partant de la formule sur la capacité d'un canal :

Formule de Shannon-Tuller, capacité d'un canal de transmission : C=B*log2 (1+S/N)

C désigne la capacité du canal en bit/s B représente la bande de fréquences utilisable, elle est définie et limitée par la norme S est la puissance moyenne du signal, elle est définie et limitée par la norme N est la puissance moyenne de bruit.

La capacité d'un canal de transmission est bien dépendante de la bande passante allouée et de la puissance du signal envoyé, donc à signal faible, débit faible :

• Avec OFDM grâce à cette modulation on choisit les fréquences sur lesquelles le signal est émis, les autres porteuses étant éteintes logiciellement.

Ainsi, selon le pays où l'on se trouve les algorithmes sont configurés spécifiquement selon les réglementations d'émission dans la bande 1-30 MHz.

Et les porteuses émises le sont à un niveau suffisant pour monter en débit.

• Avec SS on reste à bas débit : en effet, la solution ici consiste à émettre le signal à faible niveau, afin de ne pas risquer de perturber les fréquences déjà utilisées (radio émetteurs, pompiers, etc.…).

Ces deux modulations sont très différentes dans leur principe, mais comme elles s'attaquent à deux effets relativement indépendants (bruit pour SS, distorsion pour OFDM), il devient intéressant d'exploiter cette complémentarité pour travailler avec une modulation qui tirerait profit de ces deux techniques.

NB : à ce propos, le projet RNRT « IDILE » en cours actuellement porte sur ce sujet.

I.B.4. Etude d’un cas : la modulation spécifique DS2

DS2, qui a développé une solution spécifique pour l'outdoor, travaille sur une modulation OFDM sur 4 bandes (à ce jour) réparties sur la bande de fréquence allouée aux CPL : la bande de travail est choisie suivant les conditions de qualité du réseau électrique, cela permet ainsi une meilleure adaptabilité pour une performance maximum.



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La configuration se fait à partir d'un PC branché sur l'équipement CPL dit « tête de réseau », c'est-à-dire l'équipement maître présent au niveau du transformateur.

Couche Réseau :

Toute solution CPL doit inclure une couche physique robuste mais également un protocole d'accès à la couche réseau efficace. Ce protocole contrôle le partage du média de transmission entre de nombreux clients, pendant que la couche physique spécifie la modulation, le codage et le format des paquets. Dans la majorité des systèmes CPL, c'est le protocole CSMA/CA ( Carrier Sense Multiple Access, Collision Avoidance) qui a été choisi, comme pour le protocole 802.11a dans les systèmes sans fils. Ce protocole s'appuie sur la fonction CCA Clear Channel Assessment, et qui est robuste aux interférences.

Rappel du principe :

Rester en écoute et attendre que le canal soit libre pour émettre. Après l'émission attendre un acquittement pour être sûr de la bonne réception du paquet.



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II. LES CPL EN INDOOR

Lorsque, pour les courants porteurs en ligne, il est question de réseaux indoors, cela fait allusion à un réseau local, par exemple à l’intérieur d’une habitation, d’un hôpital. Plus généralement, le terme indoor regroupe l’ensemble du matériel situé en aval du compteur électrique. C’est pour cette raison qu’il est fréquent de parler de LAN indoor pour un réseau CPL. Il existe plusieurs techniques pour la mise en place de réseaux locaux., chacune d’elles étant basée sur une infrastructure différente :

• l’utilisation de modems qui utilisent le réseau téléphonique comme canal de communication.

• les réseaux câblés ; ils nécessitent la mise en place de câbles de communication pour relier les nœuds du réseau.

• Les réseaux sans fils, dans lesquels la communication est assuré par les ondes radio.

• Les courants porteurs en ligne, le support de communication étant le réseau électrique existant.

Pour les trois premiers types de réseaux (téléphoniques, câblés, sans fils), il existent des protocoles standards de communication pour assurer la transmission de données entre les nœuds du réseaux (ex : Ethernet, 802.11b, …). Par contre, à ce jour, aucune norme ou standard n’est défini pour le transport de données sur un réseau CPL indoor.

Face à ce manque, au regain d’intérêt pour le CPL indoor et le marché potentiel, un groupe d’industriel s’est regroupé au sein de la Homeplug Powerline Alliance afin de créer une norme (Homeplug 1.01) pour la transmission de données sur les réseaux CPL indoors.

D’autres tentatives de normalisation ont également été publiées, mais, celle qui domine le marché actuellement est la spécification Homeplug. Le chapitre suivant présentera ainsi ce comité et la spécification Homeplug.

II.A. LE HOMEPLUG POWERLINE ALLIANCE Le Homeplug Powerline Alliance a été créé en mars 2000 par 13 acteurs majeurs de l'industrie. Il regroupe notamment les entreprises françaises EDF et France Telecoms. Face à l'absence de standard pour les réseaux CPL de type indoor, ce consortium international a créé la norme Homeplug 1.01. Cette solution est une solution propriétaire ; il faut donc être membre de la Homeplug Powerline Alliance pour avoir accès à l'ensemble des spécifications Homeplug 1.01 et fabriquer de produits compatibles avec. Le comité regroupe maintenant une cinquantaine d'entreprises qui doivent verser annuellement 15000 US$ pour être membre. La norme Homeplug 1.01 intervient au niveau 1 et 2 du modèle OSI (physical & data-link), son objectif principal étant d’assurer la transmission de données sur un réseau utilisant les courants porteurs en ligne. les spécifications Homeplug pour la couche physique (PHY) prennent en compte les données spéciales liées à la transmission sur courant porteurs. Au niveau de la couche liaison de données, les spécifications Homeplug correspondent à la sous couche MAC; elles doivent permettre le partage du medium entre plusieurs stations.



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II.B. LES SPECIFICATIONS HOMEPLUG POUR LA COUCHE PHYSIQUE (HOMEPLUG PHY)

II.B.1. Les principaux problèmes liés à la couche physique

Un important problème pour les courants porteurs est du au fait que le canal de communication sert non seulement à transporter des données informatiques, mais également au transport de l'énergie pour les appareils électriques. Ainsi, les caractéristiques du réseau informatique CPL sont tributaires de l’état de ligne électrique, mais aussi de l'ensemble des autres appareils partageant le réseau électrique (TV, machine à laver, lampe,...). En effet, d'autres appareils électriques peuvent venir se brancher (ou se débrancher) sur le réseau électrique utilisé par le réseau informatique CPL. De plus, ces appareils peuvent avoir des impédances différentes en fonction du temps (ex: un moteur électrique).

Un second paramètre qui peut altérer le transfert de données sur le réseau est celui des interférences. Comme dans les autres types de réseaux, les interférences électromagnétiques doivent être prise en compte, mais également celles dues aux autres appareils branchés sur les réseaux électriques. De fortes sources de bruit sur le réseau électrique peuvent provenir d’appareils tels que les lampes halogènes et fluorescentes, les moteurs électriques, ... Ces interférences peuvent être impulsives, spécifiques à certaines fréquences, ou les deux à la fois.

C'est pour cela que, dans des réseaux CPL indoors, des caractéristiques peuvent fortement varier en fonction:

• des fréquences utilisées • du temps.

Pour faire face aux variations dues aux fréquences plus ou moins bonnes, la norme Homeplug s'appuie sur une méthode appelée “Channel adaptation”, qui permet d'avoir un débit élevé sur certaines fréquences mais moins bon sur d'autres.

II.B.2. Les techniques utilisées par la norme Homeplug

Sur le réseau électrique, les fréquences situées entre 40 en 50 Hz sont utilisées pour l’alimentation des appareils électriques. Afin de pouvoir faire transiter des données en plus du courant électrique traditionnel, les courants porteurs en ligne et la norme Homeplug utilisent l’intervalle de bande passante compris entre 4,5 et 21MHz. Cet intervalle est divisé en plusieurs porteuses régulièrement espacées : il est partitionné en 84 porteuses différentes. Avec Homeplug PHY, ces différentes porteuses sont utilisées comme moyen de transmission de l’information selon la technique de transmission OFDM. La figure suivante montre le principe de partager la totalité de la bande passante en un certain nombre de porteuses utilisées pour le transport de données.



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La technique OFDM est généralement utilisée par les technologies DSL, ou la diffusion de la télévision hertzienne. Cependant, contrairement à ces applications qui utilisent un mode de transmission continu, Homeplug PHY utilise OFDM en burst mode: des trames sont transmises par paquets (quand il y a besoin d'en transmettre et non en continu).

Avec OFDM, chacun des flux basses vitesses module sur une des différentes porteuses disponibles. Sur une porteuse, des symboles OFDM sont ensuite générés à partir de données binaires qu'elle doit transmettre. Donc, une trame à transmettre est constituée de plusieurs symboles OFDM. Ces symboles OFDM sont créés au niveau de l’émetteur de la trame par des transformations de Fourier inverse. Ces symboles sont envoyés au destinataire, qui effectue une transformation de Fourier pour retrouver les données binaires.

La spécification Homeplug peut utiliser la technique de modulation DQPSK (differential quadrature phase shift keying=composition par décalage de phase). Cette technique améliore les performances pour les environnements dans lesquels un changement rapide de phase est possible. La phase du signal à transmettre dépend du symbole à transmettre par rapport au symbole précédemment transmis.

Steve Gardner [1] explique Homeplug n’utilise pas la technique QAM (Quadrature Amplitude Modulation=modulation d’amplitude et de quadrature) contrairement aux technologies DSL. La raison est due au fait que les trames à transmettre sont relativement petites. En effet, les bénéfices gagnés par cette technique seraient annihilés à cause du retard pris pour l’accès au canal et l’estimation de la phase de porteuse. Pour utiliser le QAM il faudrait que les données à transmettre aient une certaine taille.



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II.B.3. La « Channel adaptation » procédure

Pour communiquer, deux stations du réseau doivent se mettre d’accord sur un certain nombre de points à respecter concernant la couche physique du modèle OSI. Cette configuration est appelée la « Channel adaptation procedure ». Cette procédure à lieu à chaque fois qu’un nouveau client rejoint le réseau. Mais une fois que le client est intégré au réseau, cette procédure peut se dérouler à nouveau pour agir comme une mise à jour et maximiser les performances du réseau ; deux stations du réseau peuvent ainsi avoir recours à cette« Channel adaptation procedure » dans plusieurs cas :

• après un timeout décidé par les deux stations précédemment • lorsqu’une des deux stations détecte une fluctuation des performances du réseau lors

d’échange de données avec la seconde station.

La deux stations impliquées dans cette procédure se mettent d’accord sur un certains nombre d’options telles que :

• le choix des porteuses utilisées lors de l’échange de données • le choix de la modulation pour chaque porteuse (DBPSK, DQPSK) • le choix d’une méthode de codage pour certaines trames

II.B.4. Caractéristiques techniques

Steve Gardnerr explique qu’en utilisant la technique de modulation DQPSK sur toutes les porteuses, au niveau de la couche physique, le débit entre deux stations atteint 20 Mbit/s. En remontant d’un niveau dans le modèle OSI, le débit maximal théorique délivré par Homeplug PHY à Homeplug MAC n’avoisine que les 14 Mbit/s. Les tests et études réalisées sur la norme Homeplug montre cependant que les débits pratiques constatés n’excédent généralement pas les 7 Mbit/s. Ces valeurs sont atteignables sur une portée de 200 à 300 mètres.

II.C. LES SPECIFICATIONS HOMEPLUG POUR LA COUCHE LIAISON (HOMEPLUG MAC)

Le chapitre précédent a présenté les différentes caractéristiques et techniques utilisées par Homeplug au niveau de la couche physique. Etudions maintenant les spécifications de Homeplug 1.01 pour la couche liaison de données, et plus particulièrement pour la couche MAC. Le but principal de cette couche est de permettre la partage et l’accès à un médium de communication par l’ensemble des stations du réseau. Elle doit gérer les conflits engendrés lorsque plusieurs stations désirent transmettre simultanément.



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II.C.1. Principales caractéristiques de la norme Homeplug au niveau MAC

Le choix retenu par le Homeplug Powerline Alliance au niveau MAC est une variante de protocole CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) ; c’est à dire un protocole à évitement de collision. La méthode développée dans Homeplug 1.01 ajoute différents mécanismes à une technique CSMA/CA permettant d’avoir :

• des classes de priorités pour les trames à envoyer • un système équitable pour ne pas défavoriser certaines stations désirant émettre par

rapport à d’autres • des mécanismes de contrôle de la latence et donc la possibilité de fournir de la

qualité de service.

Face aux différents bruits intervenant lors de l’échange de données entre deux stations, les trames reçues par le destinataire peuvent contenir de nombreuses erreurs. Afin de résoudre ces problèmes et assurer un moyen de transmission robuste pour les couches supérieures du modèle OSI, la spécification Homeplug MAC a donc introduit différents mécanismes:

• des systèmes de détection d'erreurs • le forward error correction (FEC) • l'automatic repeat request (ARQ)

II.C.2. Résolution des problèmes de contention

Ce phénomène de contention intervient lorsque plusieurs stations désirent émettre une trame simultanément. Le protocole utilisé par Homeplug 1.01 au niveau MAC n’est pas exactement une méthode permettant d’éviter les collisions. Néanmoins, deux techniques utilisées permettent de réduire considérablement le nombre de collisions :

• Les Virtual Carrier Sense (VCS) • les fenêtres de résolution de contention

II.C.2.A. Le Virtual Carrier Sense(VCS)

Lorsqu’une station souhaite émettre, elle envoie d’abord un petit paquet de contrôle (RTS : Request To Send) vers le destinataire qui répond avec un paquet CTS (Clear To Send) si le canal de transmission est libre. Toutes les autres stations vont recevoir le RTS ou le CTS. Suite à ces réceptions, elles mettent en place un timer qui les empêchera d’émettre pendant la durée estimée de communication indiquée dans le RTS ou le CTS.



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II.C.2.B. Fenêtre de résolution de contention

Après qu’une trame soit transmise, les différentes stations en lutte pour l’accès au canal entre dans une fenêtre de résolution de contention. Le déroulement de ce mécanisme est le suivant :

• chaque station signale sa priorité aux autres station engagées (en utilisant la technique on/off keying).

• Les stations avec la priorité la plus importante choisissent aléatoirement un slot dans une fenêtre de résolution de contention. (cela correspond à un délai d’attente aléatoire).

Cependant, avec les mécanismes mentionnés, des collisions peuvent se produire : • si une station désirant émettre n’arrive pas à interpréter les messages RTS et CTS

d’autres stations à cause des bruits sur la ligne • si deux stations choisissent le même slot dans une fenêtre résolution de contention

Ainsi, Homeplug 1.01 fournit aussi une méthode permettant d’éviter complètement le phénomène de contention : si celui-ci est appliqué alors l’accès au canal de transmission est passé de nœud en nœud comme dans un réseau de type « Token Ring ».

Etudions maintenant le format des trames Homeplug utilisées notamment pour ces différents mécanismes liés aux problèmes de contention

II.C.3. Format des trames Homeplug 1.01

La spécification Homeplug 1.01 étant une solution propriétaire, le format complet des trames n’est pas disponible ; le Homeplug Powerline Alliance fournit seulement une description partielle du format des trames utilisées ainsi que des mécanismes d’échange de messages. Il existe deux types de trames différentes utilisées pour l’échange de données entre deux stations :

• les trames de données • les trames d’acquittement

La figure suivante montre la composition de ces trames :

Les trames de données contiennent deux delimiters : le « start of Frame » et le « end of Frame », entre lesquels sont les données à transmettre et des informations relatives à ce champ de données.

Format de trames Homeplug 1.01

Start of Frame delimiter

Données

Response delimiter

End of Frame delimiter Trame de données :

Trame de données :



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Les trames d’acquittement ne sont constituées que du « Response » delimiter.

Les trois delimiters ont la même structure (même taille) mais les informations qu’ils contiennent diffèrent selon le type de trame à envoyer. Ce delimiter est constitué de deux champs :

• le préambule • les frame control (25 bits)

La figure suivante montre plus en détails les différents champs et types de trames Homeplug 1.01.

II.C.3.A. le champ préambule

Ce champ possède les propriétés permettant à chaque récepteur de détecter rapidement le type de delimiter envoyé (même en présence d’interférence). Ainsi, pour reprendre le principe des VCS étudié ci-dessus, des problèmes de collisions peuvent se produire si une station n’arrive pas à interpréter un delimiter indiquant un RTS ou CTS.

II.C.3.B. le champ frame control

Ce champ contient des informations permettant de gérer le niveau MAC de couche OSI. Ainsi, il permet de connaître la taille du paquet à envoyer, la priorité de celui-ci, … Il est à noter que ce champ est encodé selon la technique FEC (avec interleaving) afin de mieux résister au interférences et autres bruit lors de l’échange des message entre deux stations.



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II.C.4. Echange de message entre stations

Nous avons vu précédemment que les stations avaient recours à la « channel adaptation procedure » afin de se mettre d’accord sur divers paramètres concernant la transmission de données au niveau physique. Ainsi, les trames de données seront transmises seulement sur certaines porteuses définies auparavant par l’émetteur et le récepteur pendant cette phase. Les trames d’acquittement seront transmises avec d’autres porteuses.

II.C.4.A. transmission de données unicast

Si la transmission de données ne fait intervenir que deux stations (un émetteur, un récepteur), alors les trames de données seront transmises sur les meilleures porteuses disponibles (celles subissant le moins de bruit ou d’interférences). Grâce à cela, il n’est pas nécessaire d’utiliser de « lourds » codes détecteurs et correcteurs d’erreurs. Ainsi, l’allègement de ces codes associé au choix judicieux de la porteuse permet à Homeplug 1.01 d’avoir un débit assez élevé pour les communications unicast.

II.C.4.B. transmission de données multicast et broadcast

Dans le cas d’une transmission multicast ou broadcast, les trames de données sont envoyées dans un mode appelé ROBO. Il s’agit d’un mode robuste utilisant l’ensemble des porteuses avec la modulation DBPSK et avec de lourds codes correcteurs d’erreurs. Ces codes ne peuvent pas être allégés car le mode ROBO utilise toutes les porteuses : les bonnes comme les mauvaises. Le débit se retrouve donc amoindri par rapport au communication unicast. Le fait qu’aucune porteuse ne soit désélectionnée signifie qu’en mode ROBO, une trame de donnée peut être reçue par l’ensemble des stations, permettant ainsi une transmission multicast.

Ce mode peut aussi être utilisé pour les transmissions unicast. En effet, cela peut arriver si le canal de communication est très mauvais (et que l’ensemble des porteuses est victime de bruit ou d’interférences).

II.C.5. Homeplug 1.01 et la sécurité

Un problème de sécurité inhérent aux réseaux sur courant porteurs indoor est du au fait que les données informatiques ne s’arrêtent pas au niveau du compteur électrique d’une habitation et peuvent donc circuler au delà et être captées par un voisin. Pour palier à cela, la spécification Homeplug 1.01 utilise au niveau MAC le système de cryptage DES (Data Encryption Standard) avec une clé de 56 bits. Cette clé est partagées par l’ensemble des stations du même réseau indoor. Ainsi, si une station sur un second réseau CPL indoor écoute les communications d’un autre réseau, elle ne pourra pas décrypter les données.



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II.D. LES PRODUITS CPL COMPATIBLES HOMEPLUG 1.01

Les produits respectant la norme Homeplug 1.01 permettent de créer de toute pièce un réseau indoor utilisant les courants porteurs. Ils autorisent aussi l’extension d’un réseau local existant. En effet, il existe des adaptateurs CPL-Ethernet, CPL-Wireless ou encore CPL-USB. Dans les deux premiers cas, pour ajouter une station au réseau, celle-ci doit être munie d’une carte réseau correspondant. Dans le dernier cas, il suffit de posséder une prise USB. Des routeurs pour les réseaux indoor existent également. Le principaux vendeurs de tels produits sont : Asoka Corp, LinkSys group, Samsung, Siemens, ST&T,...

II.E. FUTURS NORMES ET STANDARDS POUR LES RESEAUX CPL INDOOR

Le Homeplug Powerline Alliance travaille sur la mise au point de la norme Homeplug AV, qui est doit permettre un débit théorique de 200Mbps et un débit pratique de l'ordre de 140Mbps.

L'Europe quant à elle travaille avec le PLC Forum sur un standard qui permettrait la coexistence des solutions indoors et outdoors dans la bande de fréquence allouée.

Références

1: Gardner, S., MakWalter B., Yonge L. (2004). Homeplug standard brings networking to the home. document publié par le Homeplug Powerline Allince.

Homeplug Powerline Alliance. (2003). Homeplug field technologies test result



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III. LES CPL EN OUTDOOR

III.A. OBJECTIFS

III.A.1. Bref Descriptif

Nous avons vu plus haut que les CPL pouvaient servir à l’intérieur d’un bâtiment, et couvraient la zone privée de la distribution électrique Basse Tension : derrière un compteur monophasé en général, triphasé dans le cas du résidentiel par exemple. C’est la mise en œuvre d’une architecture Indoor. Mais qu’en est il de leur utilisation sur la partie située en amont du compteur électrique, communément appelée « Outdoor » ou « Access » ?

La partie qui permet de faire passer le flux informatique en amont du point d’entrée global, à savoir le transformateur ou la station électrique d’un quartier, ne peut se faire en CPL, du moins pas en Haut Débit et Haute fréquence. En effet, cette partie est une partie Haute Tension, le CPL ne fonctionne que sur basse ou moyenne tension.

Lorsqu'on parle d'Outdoor pour les CPL, on est alors dans la logique dite d’ « Accès dernier kilomètre » pour un accès Internet à Haut Débit : à partir du transformateur général d’un quartier jusqu'au compteur électrique du domicile. On parle de mise en place d’une boucle locale électrique ou dernier kilomètre (last mile). Cette boucle relie les différentes habitations ou lieux où l’on veut mettre en place une solution CPL. Cette partie est gérée par le fournisseur d’accès.

Il s'agit donc ici d'un couplage à réaliser au niveau du transformateur MT/BT (Moyenne Tension/Basse Tension) : couplage accès Internet Haut Débit (fibre optique, réception satellite ou ligne spécialisée) avec le réseau de distribution BT (Basse Tension).

Cette mise en œuvre doit donc se faire alors avec le concours du distributeur d'électricité et d'un fournisseur d'accès Internet. Ainsi toute la zone desservie par le transformateur (habitations ou entreprises) peut bénéficier de cet accès distribué via le réseau électrique. On verra plus précisément dans le chapitre III-B en quoi consiste l’architecture des CPL en Outdoor.

Nous étudierons dans le chapitre suivant en quoi la solution CPL peut devenir une alternative et notamment être amenée à remplacer la boucle locale d’un accès Haut Débit pour les zones rurales dépourvues de ce type d’accès. Actuellement, en France, EDF n'ayant pas l'autorisation d'être opérateur de télécommunications, l'Outdoor n'existe qu'au point de vue expérimental. Il faudra attendre la privatisation d'EDF pour l'autoriser, lui ou un autre fournisseur d'énergie, à être aussi opérateur de télécommunication. Cependant EDF n’entend pas rester totalement inactif et a lancé plusieurs expérimentations que nous étudierons dans le chapitre III-C.

On peut voir sur les figures suivantes que le couplage est réalisé au niveau du transformateur basse Tension, qui se trouve appartenir à EDF en France :



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III.A.2. Une Solution pour les collectivités locales

La mise en place de câblage classique dans certaines parties isolées du territoire représente un investissement trop important pour les opérateurs télécoms qui n’y voient pas une rentabilité suffisamment importante. Ceci entraîne que le réseau haut débit de l’Internet semble réservé aux zones suffisamment densément peuplées. Il en résulte que des zones d’activité économique importante sont privées de cette technologie, pourtant essentielle à leur développement.

Une possibilité pour les collectivités locales et les entreprises concernées est d’utiliser la technologie CPL afin d’acheminer un flux haut débit depuis un point d’accès préexistant. La capillarité extrêmement fine du réseau électrique permet en effet d’atteindre virtuellement l’ensemble du territoire, et en particulier les zones rurales qui semblaient jusqu’à présent exclues du haut débit.

Concrètement, les CPL sont complémentaires d’une technologie haut débit déjà installée et viennent remplacer la boucle locale qui n’a pas été mise en place pour cause de non rentabilité économique. Par exemple, un opérateur télécoms décide d’installer un réseau haut débit dans une agglomération satisfaisant les critères de rentabilité, mais les communes avoisinantes ne sont pas connectées. Les collectivités locales concernées peuvent décider d’implanter un réseau haut débit utilisant les CPL pour acheminer le flux numérique depuis l’accès déjà existant, afin de pouvoir profiter elles aussi de ce réseau.

En effet, les communes et les communautés de communes sont propriétaires des réseaux d’énergie de moyenne et de basse tension. Elles peuvent donc jouer un rôle important dans la promotion des nouvelles technologies de l’information, l’accès à Internet de tous les citoyens et entreprises et la mise en œuvre de services de proximités interactifs.

Les CPL sont une plate-forme particulièrement flexible, qui peut se déployer suivant les cibles visées, par grappes au niveau d’un transformateur, et en complément avec d’autres infrastructures.

On verra dans le chapitre III-C quelques expérimentations réalisées pour l’outdoor et les possibles futures implantations de cette technologie, notamment sur le territoire français.

Remarque : Afin de favoriser des expérimentations dans ce domaine, la DATAR (Délégation à l’Aménagement du Territoire et à l’Action Régionale), le Ministère délégué à la Recherche et la Caisse des dépôts et consignation ont lancé, début août 2003, un appel à projets commun ouvert en continu jusqu'au 31 juillet 2006.

III.A.3. Complémentarité des technologies d’accès :

Plutôt que de concurrencer les autres technologies (Ethernet, Wifi, DSL), il apparaît que le CPL tend à les compléter. On a montré dans le chapitre précédent combien il pouvait être utile dans le cas des collectivités locales.

Les spécialistes parleront de complémentarité. Géographique, d’abord : le DSL ne couvrira pas l’ensemble du territoire, alors que le réseau électrique est présent partout. Technique,



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ensuite: le transformateur à partir duquel le trafic est injecté dans le réseau électrique peut lui-même être connecté au réseau de l’opérateur – via, par exemple, une liaison SDSL. Si le CPL peut contribuer à réduire la fracture numérique – comme le futur Wimax –, la question du statut de l’opérateur de transport reste à poser. La loi a longtemps interdit aux collectivités locales – pourtant propriétaires de l’infrastructure électrique – d’être opérateurs. La nouvelle loi pour la confiance dans l’économie numérique (LEN) devrait leur permettre de devenir opérateurs de réseaux. Et même, sous certaines conditions, de services.

Effectuons un petit récapitulatif de différentes technologies alternatives aux réseaux haut débit classiques autres que les CPL. On étudiera ensuite de quelles manières ils pourraient être combinés :

- Très à la mode ces derniers temps, la technologie Wi-Fi de transmission de données numériques sans fil présente aussi de nombreux avantages. À partir d’une antenne relais, il est possible de se connecter à un réseau haut débit sans fil dans un rayon de 500 mètres. Le confort d’utilisation est donc très important avec cette technologie ; les débits proposés sont proches de ceux atteints avec les CPL pour un coût peu élevé. Cependant le Wi-Fi a aussi des inconvénients car il connaît des problèmes de transmission à l’intérieur des bâtiments (mur épais, poutres en aciers…), et l’impact des ondes électromagnétiques sur la santé est encore mal connu.

- Les satellites bidirectionnels permettent la connexion immédiate des sites reculés ainsi que l’utilisation simultanée par un grand nombre d’utilisateurs, mais leur coût d’installation risque de dissuader un grand nombre de collectivités locales. En effet, la mise en orbite d’un satellite n’est certainement pas à la portée de tout le monde, même si la parabole réceptrice est relativement bon marché.

Plus que concurrentes des CPL, ces technologies apparaissent finalement plutôt complémentaires, comme l’attestent les expériences de couplage satellite/CPL ou Wi-Fi/CPL qui permettent de profiter des avantages propres à chaque technologie. Ainsi les CPL peuvent compléter la transmission sans fil Wi-Fi, en assurant une meilleure pénétration grâce à la capillarité extrêmement fine du réseau électrique.

Voici un petit tableau récapitulatif des avantages et des inconvénients des technologies Wifi et CPL :

Avantages Inconvénients Wifi • Pas d’interférences avec

les radioamateurs • Prix • Normes • Disponibilités

• Interférences entre différents réseaux Wifi

• Problèmes de portée dans les bâtiments

CPL • Déploiement facile • Normalisation en Cours • Interférences avec

radioamateurs



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De manière générale, les réseaux électriques appartiennent aux collectivités locales, qui n'ont pas la possibilité de devenir opérateur de télécommunications. Pour autant, certaines collectivités rurales s'intéressent à cette technologie, notamment pour mettre des réseaux haut débit à la disposition des opérateurs. Dans l'hypothèse d'un développement des CPL sur un territoire, les conditions de leur utilisation et de leur partage par des opérateurs de télécommunications, resteraient à définir.

Le CPL s'apparente aussi aux technologies câblées. Le courant porteur en ligne assure une sécurité étendue sur le réseau, n'émet pas de rayonnement, et reste très simple d'utilisation (transparent pour les utilisateurs finaux).

Le CPL est une solution simple, efficace et économique au service des particuliers, des PME, des bâtiments d'entreprise, des usines, des musées, écoles, et tout bâtiment nécessitant la mise en place d'un réseau informatique et/ou d'un accès Internet.

Nous verrons cependant dans le chapitre IV que le CPL n’admet pas que des avantages. Les CPL ne sont pas la seule technologie alternative aux réseaux haut débit classiques et la concurrence promet d’être rude.

III.B. ARCHITECTURE DES CPL SUR LA BOUCLE LOCALE ELECTRIQUE :

III.B.1. Architecture du Réseau électrique HT/MT/BT

Avant d’étudier à proprement parler l’architecture Outdoor des CPL, il est important d'effectuer un petit rappel sur l'infrastructure du réseau électrique. Voici un schéma résumant l’architecture du réseau électrique français :



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En résumé, le transport de l’électricité se fait par le biais de :

- THT Très Haute Tension : Interconnexion (grand transport, grands axes nationaux et internationaux) : 225 kV à 400 kV

- HT Haute Tension : Transport Régional et Départemental : 63 kV à 90 kV - MT Moyenne Tension : 5.5 kV à 20 kV - Poste Source MT : point de départ de l'alimentation en énergie électrique.

Le réseau THT et HT appartient en France au Réseau de Transport d’Electricité, le RTE. Le RTE est un service d'EDF, autonome sur le plan de la gestion. En quelques chiffres, le RTE, c’est plus de 70 000 Km de lignes HT et THT, 2 300 points terminaux.

La distribution est ensuite réalisée par :

- Poste de distribution = transformateur de MT en BT, 6 à 8 départs triphasés, puis tronçons monophasés (entre une des phases et le neutre) qui desservent en énergie électrique 150 à 250 utilisateurs. Appelé aussi transformateur HTA/BT.

- BT Basse Tension: triphasé en distribution, puis monophasé dans les habitations ; 380 V entre deux phases, 230 V entre phase et neutre.

Les Hautes tensions concernent le transport et les Moyennes et Basses Tensions serviront aux boucles locales et aux réseaux domestiques. Après avoir raccordé un master, une sorte de point d’accès partagé, sur un transformateur basse tension (150 à 250 utilisateurs), il suffit de brancher un modem sur n’importe quel prise électrique pour pouvoir accéder au réseau haut débit.

Les réseaux MT et BT appartiennent aux collectivités locales, qui donnent une concession à EDF pour l'exploitation et la gestion de ces réseaux publics de distribution.

Les collectivités territoriales ou leurs établissements publics de coopération sont donc les autorités concédant la distribution d'électricité.

NB : Dans certains départements, la concession peut être cédée à des distributeurs non nationalisés (régies, sociétés d'économie mixtes), celles-ci distribuent 5% de l'électricité consommée en France.

III.B.2. CPL sur les lignes et Outdoor

On a vu dans le chapitre précédent (B-1) que le transport de l’électricité s’effectuait sur différents types de lignes à différents voltages. Mais qu’en est-il de l’adaptation de la technologie CPL sur ces différentes lignes ? :

Lignes Haute Tension + de 20 kV : Elles sont inadaptée au Haut Débit mais l’on utilise tout de même les CPL bas débit à basse fréquence (155 kb/s pour 148.5 kHz). Ils servent exclusivement à EDF pour contrôler ses équipements.



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Lignes Moyenne tension 220 V – 20 kV (Outdoor) : C’est un réseau de collecte possible. La distance moyenne entre les transformateurs Moyenne et Basse Tension doit être entre 5 et 10 Kms. Des répéteurs sont alors nécessaires.

Basse tension 220 V (Outdoor) : C’est la Boucle Locale Electrique (BLE) La distance moyenne entre le transformateur Basse Tension et le compteur du domicile doit être de 200 m en ville, et peut être au maximum de 800 m en campagne, des répéteurs sont nécessaires dans ce cas. Le débit est de 25 Mb/s en moyenne partagé pour une grappe de 100 à 200 foyers environ

III.B.3. Mise en œuvre, Couplage :

Prenons par exemple le cas d’un couplage Satellite/CPL. Il s'agit de coupler une arrivée Internet Haut Débit (obtenue par une arrivée Satellite ou bien Fibre optique au niveau du transformateur HTA/BT) au réseau CPL. L’image suivante montre l’exemple d’un couplage avec un accès satellitaire.

• Mise en service au niveau réseau électrique :

o Ici la mise en œuvre au niveau du couplage des équipements CPL de tête de réseau au réseau électrique se fait au niveau d'un transformateur HTA/BT.

o Elle est donc faite par la société exploitante du réseau de distribution. Cf. B-1 o Le couplage au réseau se fait de manière inductive ou capacitive (voir dossier

couplage) au niveau de la sortie générale BT du transformateur ou bien d'un départ BT. Voir B-1.



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• Mise en service au niveau réseau IP :

o L'arrivée d'accès haut débit au niveau du transformateur est réalisée par le fournisseur d'accès.

o La mise en œuvre au niveau routage IP sera réalisée par un prestataire IP.

Comme nous l’avons déjà précisé, la partie située en amont du transformateur HTA/BT ne peut se faire en CPL, d’où le couplage réalisé à ce niveau là. La partie HT (+ de 20 kV) n’est pas adapté au haut débit, cependant, EDF utilise le CPL bas débit à basse fréquence (155kb/s pour 148.5 kHz) afin de contrôler ses équipements.

Les expériences mises en place et testées comme celle de La Haye-du-Puits (Cf. plus loin) a nécessité la pose de fibre optique le long des câbles hautes tensions, reliant ainsi le transformateur global du quartier à l’Internet via une liaison fibre optique classique.

Le choix de la fibre est du à la distance plus grande qui peut être parcourue avec cette technologie mais aussi au fait que les rayons lumineux qui transitent par la fibre optique, ne sont pas perturbés par les ondes électromagnétiques (parasites) engendrés par le courant.

Le schéma suivant montre un exemple basique d’une mise en place de CPL.

Il existe un grand nombre de possibilités pour le déploiement. Tout va dépendre de ce que l’on désire faire et de ce que l’on dispose comme technologie de raccordement à l’Internet (si on en a une). En effet, rien n’oblige d’avoir une liaison Fibre Optique vers le Point d’accès à



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Internet fourni par le fournisseur (POP : Point of Presence), on peut avoir une liaison téléphonique ou pas de liaison du tout.

III.B.4. Technologies, Normes et Standards :

III.B.4.A. Normes et Standards :

On a déjà vu qu’il existait un standard, ou plutôt une spécifiécation, pour les CPL Indoor, l’Homeplug V1.0.1, sorti en Novembre 2001. Le problème est que cette norme ne concerne que l’indoor, et n’est pas interopérable avec d’autres solutions, notamment en Outdoor. Il n’existe pas de standards à l’heure actuelle pour le marché de l’Outdoor ce qui constitue un frein à son développement.

Cependant, l’Europe travaille avec le PLC Forum sur un standard généralisé qui permettrait la coexistence des solutions indoor et outdoor dans la bande de fréquence allouée. Le PLC Forum travaille en étroite collaboration avec le CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique) et l’ETSI (European Telecommunications Standards Institute). L’ETSI a lancé, en juillet 1999, son projet PLT (PowerLine Telecommunications), visant à standardiser la technologie CPL à la fois pour le réseau local et les télécommunications sur infrastructure électrique. La première réunion de tests d’interopérabilité s’est déroulée en décembre 2003. La deuxième est prévue pour fin 2004.

Début Février 2004, la commission européenne a lancé le projet OPERA (Open PLC European Research Alliance) dont l’un des objectifs principaux est de définir un standard européen pour la fin 2004, ce qui donnerait plus de poids aux travaux de l’ETSI. Ce projet prend sa place dans un projet de plus grande envergure « Boadband for all ».

L’IEEE étudie une autre technologie qui permet de faire passer du courant électrique sur des câbles Ethernet (150 watts maxi). Cette technologie est en cours de normalisation sous l’appellation 802.3af. Elle est soutenue notamment par Cisco, mais a comme contrainte de devoir conserver pour les appareils purement électriques le réseau électrique habituel. Il faut se doter d’un PSE (Power Source Equipement) qui est un petit module qui permet d’alimenter en courant (à partir d’une connexion au câble via la carte réseau) les appareils tels, les caméras, les disques et autres périphériques …

III.B.4.B. Performances et Caractéristiques

Les liaisons sont au maximum de 800 mètres en « Outdoor » c’est à dire entre votre compteur et le transformateur général (station électrique) de votre quartier (boucle locale électrique). Les fréquences utilisées vont de 1,5Mhz à 30Mhz pour le transport de l’information. Entre 100 et 250 points d’accès « indoor » peuvent être gérés.

Pour éviter des perturbations entre le réseau « Outdoor » et celui « Indoor », les fréquences utilisées peuvent ne pas être les mêmes. Certaines spécifications indiquent d’utiliser en « Outdoor » les bandes de fréquences 1,5 MHz à 10 MHZ et en « indoor » 10 MHz à 30 MHz. Lorsque l’on voit les spécifications des produits vendus, on s’aperçoit qu’ils utilisent plus généralement en « indoor » les bandes 4 MHz à 21 MHz. Notons que les basses



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fréquences utilisées sont celles de la bande définie par le CENELEC norme EN 50065 aussi appelée bande étroite (9kHz à 148kHz).

Au niveau des débits en Outdoor, ils se situent dans un ordre de grandeur allant de 14 à 224 Mbit/s. Certains fournisseurs comme Alterlane indiquent des débits de l’ordre de 45Mbits/s. D’autres comme SpidCom via la technologie FLIP (FLexIble PowerLine) ont testé des débits à 224 Mbits/s. Une spécification proposant le 200Mbits/s est en cours d’élaboration par l’espagnol DS2 (Design of Systems on Silicon qui se situe à Valence) et devrait sortir prochainement. Elle devrait permettre de faire passer de la vidéo voire de la TV Haute Définition.

Au CeBIT d’Hanovre en Mars 2004, la société Française SpidCom, créée en Septembre 2002, filiale de ELSYS Design, effectue une démonstration de sa puce SPC200, basée sur la technologie FLIP (FLexIble PowerLine) développée en partenariat avec EDF, qui permet un débit de 168Mbits/s (224Mbits/s théoriques et 100Mbits/s pratiques) sur courant électrique.

En Outdoor, ces débits sont modulés en fonction d’un nombres importants de critères parmi lesquels : la distance entre la prise électrique et le transformateur, le nombre d’utilisateurs connectés, le nombre de répéteurs installés entre le transformateur et la prise, la charge du circuit électrique (plus il y a de matériels consommant de l’électricité plus le débit diminue), le type de matériel utilisé.

III.B.5. Exemples D’Equipements :

Pour les accès outdoor, la gamme des produits est réservée aux professionnels qui les mettent en place. Le matériel Outdoor, plus spécifique et plus élaboré, reste à des prix encore élevés tant que la solution CPL n'est intégrée que pour des expérimentations, il faudra attendre la libéralisation du marché pour espérer voir les prix baisser un peu.

On a par exemple chez Oxance la gamme des PLA210 et PLA220 qui permettent le raccordement des immeubles en entrée des transformateurs. Le PLA210 permet de gérer jusqu’à 254 adaptateurs. Son avantage est d’utiliser une connectique coaxiale 75 ohms qui permet de se connecter à l’infrastructure télévision d’un immeuble ou d’un groupe d’immeuble. La distance maximale point à point est de 800 mètres. Vous pouvez ainsi relier vos immeubles via le câble télévision pour ensuite redistribuer les données réseau en les injectant dans le réseau électrique d’un immeuble.



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En ce qui concerne les répéteurs, Schneider propose le répéteur CPL, IR LR 1100 (Intermediate Repeater Long Range) qui propose un débit de 36Mbits/s et qui permet d’augmenter la distance outdoor de 400 mètres. Il peut gérer 63 « indoor » et propose un port RJ45 et RS232 (pour une liaison avec le réseau téléphonique).

Concernant les expérimentations outdoor en France, le matériel est de solution Powerplus de chez Mainnet, debit théorique 2Mb/s, ou bien Schneider Electric Powerline Communication, ex-Ilevo –Suède), de technologie DS2, débit théorique 45Mb/s.



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Exemple Matériel EBA (référence design et chipset DS2) :

Equipements Schneider – Ilevo, Injecteur et Répéteur:

III.C. QUELQUES EXPERIMENTATIONS OUTDOOR ; UNE SOLUTION POUR L’AVENIR ?

III.C.1. La Loi et les différentes Organisations

Toute technologie qui travaille sur une bande de fréquence définie doit rentrer dans un cadre juridique. Les réseaux CPL sont à la fois des réseaux électriques et des réseaux de télécommunication, ce qui fait que les autorités ont du mal à définir leur cadre juridique. De plus il n’existe pas encore de réglementation précise pour les équipements et les réseaux CPL. Des travaux sont en cours, notamment avec le PLC Forum et l’ETSI, mais les résultats n’ont pas encore été publiés.

Ainsi la mise en place de réseaux CPL est libre pour ce qui est des installations derrière un compteur privé (appelé « Indoor »ou « InHome »), sous réserve de ne pas créer de nuisances, auquel cas le matériel doit être retiré. Pour ce qui est des installations « Outdoor », des autorisations d’expérimentation sont à demander auprès de l’ART (responsable de la normalisation en France) tant que la technologie n’est pas mature et les normes pas éditées.



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Les services CPL « Outdoor », sont des réseaux dits « ouverts au public » (article L32, point n°3). Ils doivent répondre aux exigences de l'article L33-1 du code des postes et télécommunications.

- Cet article soumet en particulier l'activité des opérateurs de réseaux ouverts au public à un régime d'autorisation préalable, et ce quelle que soit la technologie utilisée.

- Cependant, tant qu'une technologie n'est pas mature, que ce soit sur le plan technique et économique, le réseau mis en place doit faire l'objet d'une demande préalable d'autorisation, mais à titre expérimental, conformément à l'article L33-1.

- Cette autorisation est donnée sur une zone géographique très restreinte, et un bilan doit être fait au bout de 6 mois.

En France, EDF, n’est pas autorisé à faire un travail de fournisseur réseau de manière directe. Il a donc créé une filiale Edev CPL en Mai 2003.

Cependant, le blocage se situait jusqu'alors au niveau du statut particulier d'EDF, entreprise publique, même si c'est une de ses filiales à 100%, Edev CPL Technologies, qui assure l'activité CPL proprement dite. «Leur statut [à EDF] ne leur permet pas de vendre autre chose que de l'énergie. Nous ne pouvons donc pas passer à la phase commerciale», explique le gérant d'Isofac.

Dans les textes, la situation vient cependant d'évoluer. Contacté par ZDNet, EDF a indiqué que le projet de loi modifiant le statut d'EDF-GDF, voté par le Parlement en juillet et entré en vigueur le 9 août, lève le principe de spécialité.

Théoriquement EDF peut donc s'ouvrir à d'autres activités, nous a-t-on confirmé à la Commission de régulation de l'énergie, autorité administrative indépendante régulant les marchés de l'électricité et du gaz. En pratique, le périmètre d'activité d'EDF sera précisé dans son nouveau statut, qui sera déposé vraisemblablement en février prochain. Rien ne sera donc possible avant 2005.

Reste que cela aura pris du temps. Pour le fournisseur d'accès Internet par satellite Infosat, basé à Rouen, le gouvernement n'était pas très pressé de changer le statut d'EDF, «car ce dernier peut alors entrer en concurrence avec France Télécom et vampiriser son activité ADSL», estime un de ses dirigeants.

En résumé, le probable changement de statut d’EDF en SA en Février 2005 lèvera le principe de spécialité d’EDF et cela lui permettra de s’ouvrir à d’autres activités telle que celle d’opérateur réseau sur lignes électriques.



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III.C.2. Quelques Tests Réalisés ou en cours de Réalisation :

III.C.2.A. Bref Aperçu :

Le plus grand nombre d'expérimentations Outdoor en cours est en Europe: la topologie du réseau électrique se prête bien à cette solution, et les opérateurs d'énergie en soutiennent le développement.

Cette technologie étant en pleine émergence, en particulier au niveau de l’Outdoor, il y a en ce moment dans le monde plus d'expérimentations que de réelles commercialisations. Il faut savoir que dans ce contexte de technologie émergente, il faut faire la part des choses entre ce qui est décrit et ce qui existe réellement comme installation.

Lorsqu’on étudie quelques chiffres issus du PLC Forum, on peut voir qu’il existe 60 expérimentations en cours dans 26 pays et 12 essais de commercialisation En France, les expérimentations qui ont pu être recensées sont menées en collaboration avec les intégrateurs, par les sociétés Alterlane et Defidev. Defidev est une société issue de l'essaimage de EDF, indoor et outdoor. EDEV CPL Technologie, filiale 100% EDF, vient d'être créée spécialement pour les expérimentations en outdoor.

En Europe , de nombreuses expérimentations en outdoor ont déjà été réalisées ou sont en cours avec les principales sociétés distributrices d'énergie sur les solutions MainNet, DS2 en particulier (Cf. B-4). Ces expérimentations sont avant tout d'ordre technique, mais certaines sont aussi des tests de commercialisation. En Allemagne, la phase de commercialisation a déjà débuté, ainsi qu’en Espagne, en Norvège et en Suède.

Les Etats-Unis quant à eux n'en sont qu'au démarrage des premières expérimentations en Outdoor : en effet la topologie du réseau énergie est très segmentée aux E.U. : 1 transformateur BT alimente 8 utilisateurs au plus, la solution est moins rentable : les solutions outdoor doivent de plus être développées spécifiquement pour le réseau américain, le réseau BT étant en 110V au lieu de nos 230V. Cependant des articles parus récemment dans la presse US démontrent la volonté de développer ces expérimentations. De plus, la ville de Manassas, située près de Washington, a été entièrement câblée par les CPL.

Voici un bref aperçu de l’état des expérimentations Outdoor en France :

RSEIPC (Régie du Syndicat Electrique Intercommunal du Pays Chartrain) à Chartres : Couplage CPL/SAT pour amener un accès Haut Débit aux communes isolées.

EDEV CPL Technologie filiale 100% EDF, déploiement de réseaux CPL sur réseaux HTA et BT : - Expérimentations d'outdoor avec le Conseil Général de la Manche : couplage SAT/CPL sur la commune de La Haye-du-Puits. - Ainsi que sur Courbevoie et Rosny sous Bois avec le Sippé-rec et ADP Télécom.



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Communauté de Communes du Vercors : Couplage Satellite CPL dans les communes d'Autran et Lans en Vercors en cours depuis octobre 2003.

En France, depuis l’année dernière EDF-R&D (Recherche et Développement) a lancé une expérience sur une quarantaine d’usagers dans des quartiers résidentiels de Strasbourg et l’opérateur Télé2 propose un test sur une quinzaine de clients résidentiels à Courbevoie, test qui pourrait être étendu à une centaine d’utilisateurs d’ici décembre.

En octobre 2002, deux conventions ont été signées entre EDF et le Sippé-rec (syndicat intercommunal de la périphérie de Paris) pour tester un modèle d’accès Internet basé sur les CPL, et une expérience est actuellement menée auprès d’une cinquantaines d’entreprises à Rosny-sous-Bois par ADP Télécom.

Rappelons que les précurseurs ont été les Suisses avec un test en 2001 à Fribourg sous le contrôle de l’OFCOM (Office Fédéral de la COMmunication).

Un guide a été produit en Février 2003 suite aux différentes expérimentations et aux 4400 mesures sur 236 points concernant les perturbations engendrées par les PLC. De très nombreuses voix s’élèvent alors contre l’utilisation du CPL. Certains, comme Jacques Mézan de Malartic, parlent même « de cancer des ondes courtes. (Cf. Inconvénients des CPL)



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III.C.2.B. Exemple : La Haye-Du-Puits teste la boucle locale électrique :

La Haye-du-Puits est le premier village de France à être équipé d’une boucle locale électrique (BLE). Concluante, la phase de tests est terminée, et la commercialisation d’un accès Internet à haut débit auprès des 2 000 habitants est imminente. Ce projet est à l’initiative du conseil général de la Manche qui, après avoir implanté il y a déjà trois ans la technologie des CPL (courants porteurs en ligne) dans les LAN des collèges du département, investit le domaine de la BLE. Moyennant la présence à proximité d’une dorsale Internet (fibre optique, satellite), la BLE permet de desservir en haut débit les territoires enclavés.



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IV. AVANTAGES ET INCONVENIENTS : Maintenant que nous avons une idée un peu plus précise de ce qu’est la technologie CPL, que ce soit en Indoor ou en Outdoor, essayons de voir plus précisément ce qu’apporte réellement cette technologie, ses avantages et ses inconvénients.

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. Le journal en ligne ZDNzet.fr dans un article d’Août 2003 écrit par Jacques Harbonn n’y va pas par quatre chemins : « L’Internet et l’électricité portés par un même courant : Longtemps attendu, annoncé et repoussé, le déploiement de réseaux informatique via l’électricité commence à se développer et fonctionne parfaitement. Démonstration. » . D’autres prennent à contre-pieds cet optimisme, comme l’article de Jacques Mézan qui titre :« Les CPL ou le cancer des ondes courtes ».

Qu’en est-il vraiment ?

IV.A. LES AVANTAGES : Bien entendu, les avantages de cette technologie diffèrent suivant l’utilisation que l’on en fait, Indoor ou Outdoor. En Indoor, on ne peut que remarquer la simplicité de mise en œuvre. Elle apporte en outre une souplesse d’installation en fonction des besoins (on achète les boîtiers au fur et à mesure) ainsi qu’une complémentarité des réseaux déjà existants, filaires ou sans-fil. De plus, compte tenu de l’installation électrique d’une habitation, les CPL apporte en quelque sorte une certaine « mobilité » au vu du nombre de prises électriques. Il est indéniable que le CPL possède des avantages non négligeables, que nous avons essayons de répertorier ici :

- L’utilisation des câbles électriques évite de refaire du câblage spécifique informatique ou de configurer des connexions Sans-Fil. D’où une économie de câblage.

- Presque toute la planète utilise l’électricité. Il paraît donc possible facilement ou simplement de faire accéder un très grand nombre de la population aux réseaux informatiques et donc à l’Internet.

- Cette technologie peut être très utile pour désenclaver des endroits dans lesquels aucune technique ne peut les raccorder. Le réseau électrique est généralement présent. On a vu en Outdoor la possibilité d'amener des accès Internet Haut Débit pour les communes privées d'ADSL grâce à des couplages CPL/SAT par exemple.

- Les débits sont corrects 14Mbits/s et sont en cours d’évolution rapide vers les 200 Mbits/s.

- Il n’est pas nécessaire d’installer de pilotes sur les PC, les matériels sont « autonomes ». Il faut juste configurer sa carte réseau Ethernet ou son port USB. Ceci implique que tous les matériels utilisant une de ces deux technologies peuvent se connecter au réseau CPL.

- L’installation et la configuration des matériels sont très simples pour les adaptateurs et assez simple (si rien de technique n’est mis en place style NAT, DNS, VLAN, FireWall …) pour le reste de matériels.

- Il existe des passerelles vers les autres technologies que sont l’ADSL, le câble, le satellite …



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- Les matériels ne sont pas plus chers que ceux associés à des technologies équivalentes comme le Sans-Fil.

- Les matériels, même si il n’y a pas de normes, sont compatibles les uns avec les autres dans leur grand ensemble.

- Les champs d’applications sont importants. Ils vont de la domotique en passant par la vidéo (TVHD en préparation, télésurveillance…), la voix et bien sûr le transport des données.

- Cette technologie a une capacité en terme de profit pour les industriels très importante.

- Les distances permises par le CPL sont importantes (100 à 800 mètres). - Certains industriels indiquent que les perturbations sont minimes. Peut-être parlent ils

des perturbations du CPL par les interférences extérieures ? - Sécurisation possible avec du DES 56 bits (voir AES (Advanced Encryption

Standard) 128 Bits chez certains fournisseurs comme Oxance). - Le CPL est une technique plus sûre car il est plus difficile d’écouter un câble

électrique que de capter une onde hertzienne (Wifi). - L’utilisation du CSMA/CA plus d’autres techniques vues dans les chapitres

précédents permettent, malgré la bande partagée par tous, d’éviter un trop grand nombre de collisions.

IV.B. LES INCONVENIENTS : Si cette technologie n’avait que des avantages, cela ferait déjà longtemps qu’elle aurait supplanté les autres. Nous avons déjà vu qu’il était plutôt question de complémentarité des technologies afin de tirer profit des avantages de chacune d’entre elles. Mais quels sont les inconvénients des CPL ? Et bien, souvent les avantages sont aussi des inconvénients et cela se confirme avec le CPL.

- Le débit même élevé en « indoor », est partagé par tous les matériels connectés à une même ligne électrique. Plus vous avez de matériels, moins votre débit sera important.

- Ce problème se retrouve en « outdoor », où le point d’accès global (pour un immeuble, pour la boucle locale …) est aussi partagé par tous les utilisateurs connectés. Pour ces raisons, les débits effectifs sur du 45Mbits/s sont plus proches des 2 à 5 Mbits/s. On retrouve ces chiffres en Wi-Fi 802.11b.

- L’usage en entreprise reste limité à seulement certaines situations compte tenu de l’état actuel de la technologie. Les débits de la norme Homeplug, 14 Mbits/s en théorie, mais plutôt 6 Mbits/s en pratique, la disqualifie pour un réseau d'entreprise, à moins que celle-ci ne soit de petite taille et n'ait des besoins limités.

- L’installation est simple si elle est basique. Mais dès que vous vous lancez dans la configuration des outils avancés, des connaissances réseaux sont nécessaires comme avec toutes technologies réseau que ce soit du Wifi, du câble …

- Les tests effectués pour faire passer de la vidéo sur le CPL en 45Mbits/s se sont avérés négatifs. Il y a encore du travail.

- Le manque de norme, même si la spécification Homeplug est la plupart du temps prise en compte, est un frein au développement réel de cette technologie. Rien ne garantit sa pérennité, même pas le futur Homeplug AV prévu pour 2005. On a vu déjà les concurrents de cette norme, l’espagnol DS2 le français SpidCom.



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- La sécurisation proposée est faible. 56 Bits ne représente que 7 octets. Le sans-fil même avec des cryptages plus importants (128 voir 256 bits) est une solution peu sécurisée alors le CPL … De plus, le câble électrique, du fait des interférences importantes que le passage des ondes courtes hautes fréquences engendrent, est « facilement » écoutable.

- La sécurisation via le cryptage ne se fait qu’à l’intérieur du réseau électrique (prolongement possible dans de rares cas). Une fois le signal sorti de la prise via l’adaptateur, il n’y a plus de cryptage. Il est donc possible de récupérer les données en clair. Rappelez-vous que la topologie est une topologie Bus, donc chaque matériel connecté à la prise (à travers un hub par exemple ou une borne sans-fil) récupère ces données qu’elles soient pour lui ou non. Le tri se fait alors au niveau des couches physiques de la carte réseau en étudiant les en-têtes Ethernet des paquets. Il est donc possible au moyen d’un « sniffer » de récupérer ces paquets non cryptés.

- Les limitations qu’elles soient au niveau des distances, du nombre des utilisateurs connectés à un point d’accès, ou sur les adaptateurs, les débits … du fait de l’absence de norme ne sont pas clair et dépendent d’un grand nombre de critères difficiles à évaluer. Les débits et les distances dépendent des matériels utilisés, du nombre de connexions, des distances, des parasitages du réseau électrique …

- Les lignes électriques sont soumises à de fortes variations de performance dès que des matériels « gourmands » électriquement y sont connectés. Un exemple amusant : un particulier se plaint que lorsqu’il passe l’aspirateur, tout le réseau CPL plante du fait de la charge trop importante. La conclusion peut être : « CPL et aspirateur ne font pas bon ménage ». De plus, même avec des appareils ménagers de moindre importance le débit chute invariablement (démarrage du réfrigérateur, allumage d’un néon …).

L’un des principal problème, le plus bloquant pour la pérennisation de cette technologie, est du aux parasitages des ondes courtes aux alentours des réseaux CPL mis en place. Il faut bien se mettre en tête que les câbles électriques ont été développés pour y faire transiter des ondes courtes à basses fréquences (50 ou 60 Hz). Les protections (« blindages ») sont « efficaces » pour ce type d’ondes, et évitent au maximum les parasitages des alentours par le flux de courant. Par contre, rien n’a été prévu pour empêcher les parasitages des ondes courtes à hautes fréquences (celles du CPL 1,5Mhz à 30Mhz), le câble électrique n’est pas prévu pour cela.

De nombreuses voix (sauf celles des industriels), s‘élèvent pour dire attention, le CPL n’est pas sans danger.

Le site des radioamateurs http://plc.radioamateur.ch se fait l’écho de ces protestations.

Vous avez même à votre disposition des vidéos prouvant ce qui est avancé.

Ce n’est pas le seul.

Il faut savoir que ces ondes courtes à hautes fréquences sont utilisées par les radios amateurs. C’est le seul système qui permet de communiquer « directement » sans passer par des satellites, des lignes téléphoniques, juste en positionnant des antennes. Vous vous dites, les radios amateurs c’est une faible population sans grande importance … Ne croyez



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pas cela, ces ondes sont très utilisées par les services de sécurité comme la Croix-Rouge, les militaires, les pompiers, la police …Mais aussi dans les pays en voix de développement. Le problème vient que dans les zones où se situent des déploiements de CPL, les parasitages sont tels qu’il est alors impossible d’utiliser ces ondes courtes par les radios amateurs.

V. CONCLUSION : Les solutions CPL peuvent être vues comme des solutions complémentaires ou alternatives aux réseaux filaires traditionnels, aux réseaux sans fils et au VDSL.

Suivant les architectures des réseaux existants, des bâtiments ou des contraintes techniques, l’une ou l’autre des solutions peut être choisie, mais l’on peut également envisager de les utiliser conjointement en utilisant leur complémentarité et les avantages propres à chacune.

Les débits des solutions CPL sont amenés à augmenter et ce en Indoor comme en Outdoor. La spécification Homeplug AV notamment est à l’étude pour diffuser des canaux de télé numérique pour les architectures Indoor.

De nombreux projets de recherche portent sur ces solutions et leurs évolutions, tout est à venir, il faut donc suivre de près les informations sur le sujet !



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ANNEXE 1

WEBOGRAPHIE :

Homeplug http://www.homeplug.org/

Tutorial Courant Porteur en Ligne de Frédéric Jacquenod http://www.jacquenod.cicrp.jussieu.fr/jacqueno/Web/Cpl/

CPL France http://www.cpl-france.org/index.php

CommentCaMarche.net http://www.commentcamarche.net/cpl/cpl-intro.php3

PLC Et Radioamateurs http://plc.radioamateur.ch/

Von Info : Power Line Communication, Le PLC, le Pour et le Contre http://www.von-info.ch/hb9afo/PLC_01.htm

01 Net http://www.01net.com/

Projet Opera http://www.ist-opera.org/

UTC (United Telecom Council) http://www.plcdatabase.utc.org/

UPLC http://www.uplc.utc.org/

PLC Forum http://www.plcforum.org/

ART http://www.art-telecom.fr/publications/c-publique/consul-hautdebit.pdf

Adminet, Wiki CPL http://www.adminet.com/cgi-bin/wiki?CPL

Oxance http://www.oxance.com/french/produits.html

DS2 http://www.ds2.es

Defidev http://www.defidev.com/

Site EDF R&D http://www.edf.fr/index.php4?coe_i_id=20003

RTE http://www.rte-france.com

VLAN.org http://vlan.org/breve396.html

Haut Debit sur le site du gouvernement http://www.haut-debit.gouv.fr/pourquoi-comment/cpl.html



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Office Fédéral de la Communication (OFCOM) http://www.bakom.ch/fr/geraete/technik/plc/faq/index.html

Documents

Courant Porteur en Ligne