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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
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Département C2S2
XLIM
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Département C2S2
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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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Fonction de transfert du canal CPL MIMO
𝐻 𝑓 =
ℎ11 𝑓 ℎ12(𝑓) …
ℎ21(𝑓) ℎ22(𝑓) ⋯
⋮
ℎ 𝑁1(𝑓)
⋮
ℎ 𝑁2(𝑓)
⋱
⋯
ℎ1𝑀(𝑓)
ℎ2𝑀(𝑓)
⋮
ℎ 𝑁𝑀(𝑓)
ℎ𝑖𝑗(f) = 𝑨 𝒈 𝒑 . 𝒆−𝒋𝝋 𝒑 . 𝒆−(𝒂 𝟎+𝒂 𝟏 𝒇 𝒌)𝒅 𝒑. 𝒆−𝒋𝟐𝝅
𝒅 𝒑
𝝑
𝒇𝑵 𝒑
𝒑=𝟏
𝑦 𝑛 = ℎ 𝑛𝑚 𝑥 𝑚 + 𝑤 𝑛
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: 𝑝 𝑖𝑒𝑚𝑒
trajet
𝜗 = 2. 108
𝑚/𝑠: vitesse de la lumière dans le
câble électrique
𝑑 𝑝: longueur du 𝑝 𝑖𝑒𝑚𝑒
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
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−𝑗2𝜋
𝑑 𝑝
𝜗
𝑓
10
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a0
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a1
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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]
Département C2S2
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Réponse fréquentielle de la fonction de transfert
Réponse de notre canal CPL MIMO 3X3
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0 5 10 15
x 10
7
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Fréquence en Hz
AtténuationducanalendB
PN-PN
PPE-PPE
NPE-NPE
PN-PPE
PN-NPE
NPE-PN
NPE-PPE
PPE-PN
PPE-NPE
Département C2S2
XLIM
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:
𝑛 𝑛𝑎𝑟𝑟𝑜𝑤𝑏𝑎𝑛𝑑 𝑡 = 𝐴𝑖 𝑡
𝑁
𝑖=1
. sin(2𝜋𝑓𝑖 𝑡 + 𝜑𝑖)
𝑛𝑖𝑚𝑝 𝑡 = 𝐴𝑖. 𝑖𝑚𝑝
𝑡 − 𝑡 𝑎𝑟𝑟,𝑖
𝑡 𝑤,𝑖
𝑖
𝑁 𝑂𝑀 = 10 log10(
1
𝑓 𝑥 + 10 𝑦
)
12
[OMEGA] et [Rehan Hashmat et al, 2012]
OMEGA: hOME Gigabit Access
Département C2S2
XLIM
Les bruits
0 10 20 30 40 50 60
-0.1
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0
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Le Bruit de fond
Temps en seconde
Niveaudebruitenvolt(V)
0 10 20 30 40 50 60
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
Le Bruit à bande étroite
Temps en seconde (s)
Niveaudebruitenvolt(V)
0 10 20 30 40 50 60
-2
-1
0
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Le Bruit Impulsif
Temps en seconde (s)
Niveaudebruitenvolt(V)
0 10 20 30 40 50 60
-2
-1
0
1
2
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Niveaudebruitenvolt(V)
13
Département C2S2
XLIM
Technique de transmission
14
S/P IFFT P/S
Ajout du préfixe
cyclique
CANAL CPL MIMO
Suppression du
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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
Département C2S2
XLIM
Validation de la simulation
𝑇𝐸𝑆4𝑄𝐴𝑀 = 𝑒𝑟𝑓𝑐 0.5 ∗ 10
𝑆𝑁𝑅
10 −
1
4
𝑒𝑟𝑓𝑐 0.5 ∗ 10
𝑆𝑁𝑅
10
15
0 2 4 6 8 10 12
10
-5
10
-4
10
-3
10
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10
-1
10
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Département C2S2
XLIM
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 45
10
-6
10
-5
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-6
10
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10
-4
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-3
10
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10
-1
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Département C2S2
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18
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Département C2S2
XLIM
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XLIM
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Département C2S2
XLIM
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Presentation Stage CPL&Smart Grid

  • 1. 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
  • 2. Département C2S2 XLIM 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
  • 3. Département C2S2 XLIM Réseau de distribution de l'énergie électrique selon les normes européennes [Ones06] 1
  • 4. Département C2S2 XLIM 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
  • 6. Département C2S2 XLIM 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
  • 7. Département C2S2 XLIM 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
  • 8. Département C2S2 XLIM 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
  • 9. Département C2S2 XLIM Le canal physique Le canal CPL MIMO 3x3 7
  • 10. Département C2S2 XLIM Fonction de transfert du canal CPL MIMO 𝐻 𝑓 = ℎ11 𝑓 ℎ12(𝑓) … ℎ21(𝑓) ℎ22(𝑓) ⋯ ⋮ ℎ 𝑁1(𝑓) ⋮ ℎ 𝑁2(𝑓) ⋱ ⋯ ℎ1𝑀(𝑓) ℎ2𝑀(𝑓) ⋮ ℎ 𝑁𝑀(𝑓) ℎ𝑖𝑗(f) = 𝑨 𝒈 𝒑 . 𝒆−𝒋𝝋 𝒑 . 𝒆−(𝒂 𝟎+𝒂 𝟏 𝒇 𝒌)𝒅 𝒑. 𝒆−𝒋𝟐𝝅 𝒅 𝒑 𝝑 𝒇𝑵 𝒑 𝒑=𝟏 𝑦 𝑛 = ℎ 𝑛𝑚 𝑥 𝑚 + 𝑤 𝑛 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: 𝑝 𝑖𝑒𝑚𝑒 trajet 𝜗 = 2. 108 𝑚/𝑠: vitesse de la lumière dans le câble électrique 𝑑 𝑝: longueur du 𝑝 𝑖𝑒𝑚𝑒 trajet 𝐴, 𝑎0, 𝑎1 𝑒𝑡 𝑘: paramètres d’atténuation f: fréquence Phase aléatoire 8
  • 11. Département C2S2 XLIM Fonction de transfert du canal CPL MIMO 𝐻 𝑓 = ℎ11 𝑓 ℎ12(𝑓) … ℎ21(𝑓) ℎ22(𝑓) ⋯ ⋮ ℎ 𝑁1(𝑓) ⋮ ℎ 𝑁2(𝑓) ⋱ ⋯ ℎ1𝑀(𝑓) ℎ2𝑀(𝑓) ⋮ ℎ 𝑁𝑀(𝑓) ℎ𝑖𝑗(f) = 𝑨 𝒈 𝒑 . 𝒆−𝒋𝝋 𝒑 . 𝒆−(𝒂 𝟎+𝒂 𝟏 𝒇 𝒌)𝒅 𝒑. 𝒆−𝒋𝟐𝝅 𝒅 𝒑 𝝑 𝒇𝑵 𝒑 𝒑=𝟏 𝑦 𝑛 = ℎ 𝑛𝑚 𝑥 𝑚 + 𝑤 𝑛 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: 𝑝 𝑖𝑒𝑚𝑒 trajet 𝜗 = 2. 108 𝑚/𝑠: vitesse de la lumière dans le câble électrique 𝑑 𝑝: longueur du 𝑝 𝑖𝑒𝑚𝑒 trajet 𝐴, 𝑎0, 𝑎1 𝑒𝑡 𝑘: paramètres d’atténuation f: fréquence Phase aléatoire 9
  • 12. Département C2S2 XLIM Pamètres de simulation de la fonction de transfert 𝐻(𝑓) = 𝐴 𝑔 𝑝. 𝑒−𝑗𝜑 𝑝 𝑒−(𝑎0+𝑎1 𝑓 𝑘)𝑑 𝑝 . 𝑒 −𝑗2𝜋 𝑑 𝑝 𝜗 𝑓 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]
  • 13. Département C2S2 XLIM Réponse fréquentielle de la fonction de transfert Réponse de notre canal CPL MIMO 3X3 11 𝑑 𝑝 =[2; 7; 11; 12; 16; 19; 20; 22; 23; 25] en m 0 5 10 15 x 10 7 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Fréquence en Hz AtténuationducanalendB PN-PN PPE-PPE NPE-NPE PN-PPE PN-NPE NPE-PN NPE-PPE PPE-PN PPE-NPE
  • 14. Département C2S2 XLIM 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: 𝑛 𝑛𝑎𝑟𝑟𝑜𝑤𝑏𝑎𝑛𝑑 𝑡 = 𝐴𝑖 𝑡 𝑁 𝑖=1 . sin(2𝜋𝑓𝑖 𝑡 + 𝜑𝑖) 𝑛𝑖𝑚𝑝 𝑡 = 𝐴𝑖. 𝑖𝑚𝑝 𝑡 − 𝑡 𝑎𝑟𝑟,𝑖 𝑡 𝑤,𝑖 𝑖 𝑁 𝑂𝑀 = 10 log10( 1 𝑓 𝑥 + 10 𝑦 ) 12 [OMEGA] et [Rehan Hashmat et al, 2012] OMEGA: hOME Gigabit Access
  • 15. Département C2S2 XLIM Les bruits 0 10 20 30 40 50 60 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 Le Bruit de fond Temps en seconde Niveaudebruitenvolt(V) 0 10 20 30 40 50 60 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 Le Bruit à bande étroite Temps en seconde (s) Niveaudebruitenvolt(V) 0 10 20 30 40 50 60 -2 -1 0 1 2 3 Le Bruit Impulsif Temps en seconde (s) Niveaudebruitenvolt(V) 0 10 20 30 40 50 60 -2 -1 0 1 2 3 Le Bruit Total Temps en seconde (s) Niveaudebruitenvolt(V) 13
  • 16. Département C2S2 XLIM 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
  • 17. Département C2S2 XLIM Validation de la simulation 𝑇𝐸𝑆4𝑄𝐴𝑀 = 𝑒𝑟𝑓𝑐 0.5 ∗ 10 𝑆𝑁𝑅 10 − 1 4 𝑒𝑟𝑓𝑐 0.5 ∗ 10 𝑆𝑁𝑅 10 15 0 2 4 6 8 10 12 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 X: 6 Y: 0.04536 SNR en dB TES X: 10 Y: 0.001543 Courbe théorique Courbe simulée
  • 18. Département C2S2 XLIM 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 45 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 X: 10 Y: 0.06577 SNR en dB TES X: 5.971 Y: 0.1238
  • 19. Département C2S2 XLIM 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 35 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 X: 10.04 Y: 0.02537 SNR en dB TEB X: 20.04 Y: 0.001765 X: 6.009 Y: 0.05489
  • 20. Département C2S2 XLIM 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
  • 22. Département C2S2 XLIM Annexes Réponse fréquentielle du canal CPL MIMO basée sur des mesures [Hashm12a]
  • 23. Département C2S2 XLIM Annexes 0 5 10 15 x 10 7 -160 -155 -150 -145 -140 -135 -130 DSP du bruit de fond Fréquence en Hz NiveaudebruitendBm/Hz