Presentation Stage CPL&Smart Grid

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Presentation Stage CPL&Smart Grid

  1. 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. 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. 3. Département C2S2 XLIM Réseau de distribution de l'énergie électrique selon les normes européennes [Ones06] 1
  4. 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
  5. 5. Département C2S2 XLIM Systèmes CPL CANAUX CPL MIMOSISO OUTDOOR OUTDOOR INDOOR INDOOR 3
  6. 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. 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. 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. 9. Département C2S2 XLIM Le canal physique Le canal CPL MIMO 3x3 7
  10. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
  21. 21. Département C2S2 XLIM
  22. 22. Département C2S2 XLIM Annexes Réponse fréquentielle du canal CPL MIMO basée sur des mesures [Hashm12a]
  23. 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

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