Impact des appareils domestiques sur les transmissions CPL haut débit et rayonnement électromagnétique du CPL

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1 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

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

3 Contexte et principe du CPL + = PC PC Modem CPL Câble Ethernet Modem CPL Technologie CPL = réponse à un besoin (complément au Wifi) - Wifi en mobilité (PC portables, téléphones mobiles) - CPL pour appareils connectés (téléviseurs, PC fixes ) 3

4 Estimation des atténuations entre 2 prises électriques 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 Fonction de transfert Amplitude (db) mesure simulation Fréquence (Hz) x

5 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 Classe 1 : Appareils multimedia 2 résonances type série : 300kHz et > 35MHz Modèle Impédances mesurées Impédance (Ω) Modèle équivalent moyen Fréquence (Hz) Calcul du circuit équivalent pour chaque appareil à l aide de la méthode des algorithmes génétiques 6

7 Classe 2: Lampes fluorescentes et petites alimentations Impédance d une lampe fluorescente Impédance (Ω) Impédance de la lampe en fonctionnement Impédance d une résistance de 2Ω Impédance de la lampe éteinte Impédance d une capacité de 5pF Fréquence (Hz) C=5pF Ton Interrupteur contrôlé Modèle équivalent Tperiod=10ms R=2Ω Courtes variations temporelles de l impédance (5ms) liées au pont redresseur Source principale de la variation temporelle du canal CPL 7

8 Variation des atténuations du canal en fonction du temps des appareils de classe 2 A 3m Transmitter D 8m 7m C Receiver B Lampe fluorescente Fonction de transfert (db) Fréquence (MHz) Fonction de transfert (db) Spectrogramme mesuré (Oscilloscope + VNA) Fréquence (MHz) 8

9 Illustration de l impact des appareils de la classe 2 sur les performances des systèmes CPL 40m Lampe 1 32m Lampe 2 15m Coupleur Modem émetteur 30m 15m Coupleur Modem récepteur Débit réel réseau sans charges Débit réel deux lampes Débit divisé par 2 9

10 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 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 Train d impulsions Impulsion isolée Réseau électrique Sonde de courant LISN P N T Oscilloscope EST Amplitude (V) image du courant Bruit généré par une lampe fluorescente Temps (ms) 11

12 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 Amplitude (dbuv) Simulation basée sur la probabilité de trouver ces impulsions 12

13 Estimation de bruits électromagnétiques périodiques Train d impulsions : bruits impulsifs périodiques issus principalement des appareils des classes 1 et 2 Amplitude (dbua) Simulation basée sur la probabilité de trouver ces impulsions 13

14 Rayonnement électromagnétique des signaux CPL Dispositif de test Débit 200 Mbits/s : Fonctionnement en conditions réelles 14

15 Champ EM entre 15 0kHz-30MHz en chambre anéchoïque Trous spectraux bandes radioamateur [8-25]MHz : champ EM CPL > EM référence rayonnement des câbles lié au CPL pour f > 8MHz Modélisation analytique du champ à partir des courants simulés Amplitude E (dbμv/m) (dbµv/m) avec-flux Measure sans flux Model Frequency Fréquence (Hz) (MHz) 15

16 Champ EM entre 15 0kHz-30MHz en environnement réel Position et dimension des câbles inconnus E sans flux CPL E flux CPL Amplitude (dbµv/m) Fréquence (MHz) 16

17 Champ EM du CPL bas débit Champ mesuré en environnement réel 1V injecté Amplitude (dbµv/m) CPL à 80kHz E flux CPL 80kHz E flux CPL 80kHz lampe + + LED Fluo E flux CPL 80kHz E flux CPL 80kHz France Inter 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Fréquence (MHz) Maxi à 52dBµV/m soit 0,4mV/m 17

18 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

19 Merci pour votre attention Questions? 19

20 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

21 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 21

22 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 22

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 23

24 Modélisation empirique des canaux CPL dans la bande [9kHz-500kHz] 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 24

25 Modélisation empirique des canaux CPL dans la bande [9kHz-500kHz] 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 25

26 Identification d un réseau électrique d un habitat 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 26