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Département C2S2
XLIM
STAGE DE FIN D’ETUDE 2011/2012 C2S2/ESTE
UNIVERSITE DE LIMOGES ******
FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES ******************* MASTER-II THEO
ETUDE ET MODÉLISATION DES CANAUX CPL POUR
UNE TRANSMISSION MIMO-OFDM DANS LE
CONTEXTE DE SMART GRID
Présenté par : Chérif Hamidou SY
Sous la direction de : M. Vahid MEGHDADI
et M. Jean Pierre CANCES
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Conclusion et Perspectives
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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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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
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Occupation spectrale des applications CPL
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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)
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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
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Le canal physique
Le canal CPL MIMO 3x3
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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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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
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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)
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[Rehan Hashmat et al, 2012]
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Réponse fréquentielle de la fonction de transfert
Réponse de notre canal CPL MIMO 3X3
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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)
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[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
)
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Technique de transmission
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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
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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
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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