Impact des appareils domestiques sur les transmissions

CPL haut débit et rayonnement électromagnétique du CPL

Jean-Charles LE BUNETEL

Groupe de Recherche en Matériaux,

Microélectronique, Acoustique, Nanotechnologies GREMAN

Workshop Courant porteur en ligne - vendredi 4 novembre 2016

Laboratoire GREMAN

• 2 axes de recherche – Axe 1 : Matériaux : synthèses et propriétés (I. Laffez) – Axe 2 : Microtechnologies, ondes et applications (D. Alquier)

2

• Une équipe de plus de 100 personnes – 42 Enseignants-Chercheurs & Chercheurs – 16 Personnels Administratif et technique – 38 Doctorants – 10 Chercheurs Post-doctorants

• Activités autour du CPL – 4 thèses soutenues (D. Guezgouz, D. Chariag, A. Achouri, R.

Nizigiyimana ) – 2 thèses en cours (I. Aouichak, I. Elfeki)

Contexte et principe du CPL

3 3

∼

∼ PC

PC

Modem CPL

Modem CPL

Câble Ethernet

Technologie CPL = réponse à un besoin (complément au Wifi) - Wifi en mobilité (PC portables, téléphones mobiles) - CPL pour appareils connectés (téléviseurs, PC fixes…)

+ =

Estimation des atténuations entre 2 prises électriques

4

• Modélisation temporelle et fréquentielle entre 1MHz et 100MHz – Du câble par un circuit RLCG fonction de la fréquence – Des impédances réelles des appareils domestiques

• Nécessité de connaitre l’architecture électrique

0 1 2 3 4 5

x 107

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

Fréquence (Hz)

Ampl

itude

(dB)

Fonction de transfert

mesuresimulation

Impact des appareils domestiques

• Campagne de mesure des impédances des appareils domestiques en fonctionnement chez Darty

• Classification – classe 1 : appareils multimédia – classe 2 : lampes fluorescentes et petites alimentations – classe 3 : les aspirateurs – classe 4: appareils chauffants – classe 5: réfrigérateurs et congélateurs

5

6

Fréquence (Hz)

Impé

danc

e (Ω

)

Modèle

Impédances mesurées

Calcul du circuit équivalent pour chaque appareil à l’aide de la méthode des algorithmes génétiques

Modèle équivalent moyen

Classe 1 : Appareils multimedia

• 2 résonances type série : ≈ 300kHz et > 35MHz

7

Fréquence (Hz)

Impé

danc

e (Ω

)

Impédance de la lampe en fonctionnement Impédance d’une résistance de 2Ω Impédance de la lampe éteinte Impédance d’une capacité de 5pF

Impé

danc

e d’

une

lam

pe fl

uore

scen

te

C=5pF

Tperiod=10ms

Ton

Interrupteur contrôlé

R=2Ω

Modèle équivalent

Courtes variations temporelles de l’impédance (5ms) liées au pont redresseur

Source principale de la variation temporelle du canal CPL

Classe 2: Lampes fluorescentes et petites alimentations

8

A B

C Receiver

Transmitter

Lampe fluorescente 3m

7m 8m

D

Spectrogramme mesuré (Oscilloscope + VNA)

Fréquence (MHz)

Fonction de transfert (dB

)

Fréquence (MHz)

Fonction de transfert (dB

)

Variation des atténuations du canal en fonction du temps des

appareils de classe 2

Illustration de l’impact des appareils de la classe 2 sur les

performances des systèmes CPL

9

Coupleur

Coupleur

Modem récepteur

Modem émetteur

30m 15m

15m

32m

40m Lampe 1 Lampe 2

Débit réel réseau sans charges Débit réel deux lampes

Débit divisé par 2

Illustration de l’impact des appareils de la classe 2 sur les

performances des systèmes CPL

• Solution : intercaler un circuit stabilisateur d’impédance entre le réseau et l’appareils de classe 2

Compensation de l’impact de la variation temporelle du canal CPL sur le débit

10

11 Temps (ms)

Am

plitude (V) im

age du courant

Train d’impulsions Impulsion isolée

Bruit généré par une lampe fluorescente

Bruits électromagnétiques générés par les appareils domestiques

• Base de données de bruits temporelles − D’appareils domestiques suite à une campagne de mesure

chez Darty (filtre 1MHz-50MHz) − Mesurés sur le réseau électrique

Réseau électrique

LISN

Oscilloscope

EST

P N T

Sonde de courant

Estimation de bruits électromagnétiques isolés

• Impulsions isolées : bruit apériodique dû principalement aux événements transitoires – le branchement ou le débranchement d’un appareil, – la mise en marche, en veille ou l’arrêt d’un équipement – l’allumage et l’arrêt d’une lampe

12

Simulation basée sur la probabilité de trouver ces impulsions

Ampl

itude

(dBu

V)

Estimation de bruits électromagnétiques périodiques

• Train d’impulsions : bruits impulsifs périodiques issus principalement des appareils des classes 1 et 2

13 Simulation basée sur la probabilité de trouver ces impulsions

Ampl

itude

(dBu

A)

Rayonnement électromagnétique des signaux CPL

• Dispositif de test

14 Débit 200 Mbits/s : Fonctionnement en conditions réelles

Champ EM entre 15 0kHz-30MHz en chambre anéchoïque

• Trous spectraux bandes radioamateur • [8-25]MHz : champ EMCPL > EMréférence rayonnement des câbles lié au CPL pour f > 8MHz

15

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30

Fréquence (MHz)

Am

plitu

de (d

BµV

/m)

avec-flux sans flux

• Modélisation analytique du champ à partir des courants simulés

MeasureModel

Frequency (Hz)

E (d

BμV

/m)

MeasureModelMeasureModel

Frequency (Hz)

E (d

BμV

/m)

Champ EM entre 15 0kHz-30MHz en environnement réel

16

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25 30

Am

plitu

de (d

BµV

/m)

Fréquence (MHz)

E sans flux CPLE flux CPL

• Position et dimension des câbles inconnus

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Am

plitu

de (d

BµV

/m)

Fréquence (MHz)

E flux CPL 80kHzE flux CPL 80kHz

Champ EM du CPL bas débit

• Champ mesuré en environnement réel 1V injecté

17 • Maxi à 52dBµV/m soit 0,4mV/m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Am

plitu

de (d

BµV

/m)

Fréquence (MHz)

E flux CPL 80kHz + lampe Fluo

E flux CPL 80kHz

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Am

plitu

de (d

BµV

/m)

Fréquence (MHz)

E flux CPL 80kHz lampe + LED

E flux CPL 80kHz

France Inter

CPL à 80kHz

Conclusion

• Transmission CPL facilement perturbée par l’environnement électrique

• Modélisation de l’environnement – Estimation des atténuations entre 2 prises – Classification des appareils domestiques identification des

perturbateurs

• Modélisation temporelle – Prise en compte des bruits impulsionnels – Temps de simulation très long

• Modélisation fréquentielle aperçu rapide des atténuations • Rayonnement CPL faible similaire aux ondes radios • GREMAN - partenaire d’industriels : LAN, ST

Microelectronics, AEG Power Solutions… 18

Merci pour votre attention

Questions?

19

Thèses sur la thématique CPL

• 4 thèses soutenues: – Djamel Guezgouz : thèse CIFRE avec le LAN : Contribution à la

modélisation du réseau électrique domestique en vue de la caractérisation du canal de propagation CPL

– Dhia Chariag : thèse ministérielle : Elaboration d’un outil d’analyse de la topologie d’un réseau électrique domestique

– Anouar Achouri : Thèse CIFRE avec le LAN : Contribution à l’évaluation des technologies CPL bas débit dans l’environnement domestique

– Richard Nizigiyimana : Thèse sur le projet ECCO : Diagnostic de réseaux électriques & communication par CPL

20

Thèses sur la thématique CPL

• 2 thèses en cours – Mohamed Nait Mezaine : thèse sur projet MDE MAC3 au

PRISME d’Orléans : Maîtrise de la demande d'énergie par mesure aveugle de consommation des charges au compteur

– Ismail Aouichak : Thèse région : Adaptation d’une installation électrique domestique à la transmission de données

– Imene ELFEKI : Thèse CIFRE avec le LAN: Modélisation de la perte d’insertion et du bruit en vue de l’émulation temps réel d’un canal G3

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Activités de recherche

• Projets réalisés et en cours – CPL DIAG (AAP Région Centre) : Diagnostic de réseaux

électriques & communication par CPL GREMAN, PRISME et le LAN

– MDE MAC 3 (AAP Région Centre) : Maîtrise de la demande d'énergie par mesure aveugle de consommation des charges au compteur

PRISME, GREMAN et Avidsen – DiceDo (Projet Interne SEEDS) : Discrimination des charges

électriques domestiques par des mesures très larges bandes IREENA, GREMAN

– Actions de Recherches Collaboratives Tours-Poitiers : Création d’une bibliothèque de bruits néfastes à la transmission par courant porteur en ligne pour les réseaux électriques intelligents

Xlim Poitiers, GREMAN

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23

Modélisation des bruits électromagnétiques dans l’habitat

• Campagne de mesures au compteur et dans 3 pièces dans 13 habitats

• Fonction des appareils branchés au secteur et du moment où est faite la mesure

⇒Reste à faire le lien entre les appareils et le bruit global

Modélisation empirique des canaux CPL dans la bande [9kHz-500kHz]

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• Campagne de mesure de canaux – 13 habitats – 20 mesures toutes les 2 h sur 24h (entre compteur et 3 pieces)

– Classification en fonction de la capacité : 5 classes

• Modélisation par des filtres RII et FIR

• Implémentation d’une carte numérique

⇒Émulation du canal

Modélisation empirique des canaux CPL dans la bande [9kHz-500kHz]

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• Extension à la modélisation du réseau BT et HTA – Modèle circuit – Mesures issues du projet SOGRID

• Implémentation d’une carte numérique ⇒Émulation du canal ⇒Test de communication sur compteur Linky

Identification d’un réseau électrique d’un habitat

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• Elaboration d’un système de mesure basé sur la mesure du temps de propagation d’une impulsion

• Développement d’une interface pour dessiner le réseau avant simulation fréquentielle par la méthode multi-trajet

⇒Détermination de tous les canaux de propagation possible dans un habitat

⇒ Identification du canal le plus performant ⇒Comment améliorer les canaux de propagation ⇒Non prise en compte des bruits impulsionnels