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Département C 2 S 2 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

Presentation Stage CPL&Smart Grid

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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

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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

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

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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

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Systèmes CPL

CANAUX CPL

MIMO SISO

OUTDOOR OUTDOOR INDOOR

INDOOR

3

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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

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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

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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

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Le canal physique

Le canal CPL MIMO 3x3

7

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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

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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

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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]

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Annexes

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

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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