Introduction aux CPL
On retient sous l'appellation <B<CPL< b>« Courants Porteurs en Ligne » toute technologie qui vise à faire passer de l'information à bas débit ou haut débit sur les lignes électriques en utilisant des techniques de modulation avancées.
Selon les pays, les institutions, les sociétés, les courants porteurs en ligne se retrouvent sous plusieurs mots-clés différents :
- CPL (Courants porteurs en ligne)
- PLC (Powerline Communications)
- PLT (Powerline Telecommunication)
- PPC (Power Plus Communications)
La technologie sur courants porteurs existe depuis longtemps, mais elle n'était utilisée pendant longtemps qu'à bas débit pour des applications de télécommande de relais, éclairage public et domotique.
Le haut débit sur CPL n'a commencé qu'à la fin des années 1990 :
- 1950 : sur fréquence 10 Hz, puissance 10 kW, unidirectionnel : lumières en ville, télécommande de relais.
- Milieu des années 80 : début des recherches pour utiliser le réseau de distribution électrique comme support de transport de données, sur la bande 5 – 500 kHz, toujours en unidirectionnel.
- 1997 : premiers tests de transmission de signaux de données sur réseau électrique en bidirectionnel, et début des recherches pour Ascom (Suisse) et Norweb (UK).
- 2000 : premières expérimentations en France par EDF R&D et Ascom.
Principe de fonctionnement
En effectuant la technologie CPL à Haut Débit, il est possible de faire passer des données informatiques sur le réseau électrique, et ainsi étendre un réseau local existant ou partager un accès Internet existant via les prises électriques grâce à la mise en place de boîtiers spécifiques.
Le principe des CPL consiste à superposer au signal électrique de 50 Hz un autre signal à plus haute fréquence (bande 1,6 à 30 Mhz) et de faible énergie. Ce deuxième signal se propage sur l'installation électrique et peut être reçu et décodé à distance. Ainsi le signal CPL est reçu par tout récepteur CPL qui se trouve sur le même réseau électrique.
Un coupleur intégré en entrée des récepteurs CPL élimine les composantes basse fréquence avant le traitement du signal.
Cadre juridique et réglementation
Toute technologie qui travaille sur une bande de fréquence définie doit rentrer dans un cadre juridique. Les réseaux CPL sont à la fois des réseaux électriques et des réseaux de télécommunication, ce qui fait que les autorités ont du mal à définir leur cadre juridique. De plus il n'existe pas encore de réglementation précise pour les équipements et les réseaux CPL. Des travaux sont en cours, notamment avec le PLC Forum et l'ETSI, mais les résultats n'ont pas encore été publiés.
Ainsi la mise en place de réseaux CPL est libre pour ce qui est des installations derrière un compteur privé (appelé « Indoor » ou « InHome »), sous réserve de ne pas créer de nuisances, auquel cas le matériel doit être retiré. Pour ce qui est des installations extérieures (appelé « outdoor ») où l'on injecte le signal au niveau du transformateur HTA /BT pour des créations de boucles locales électriques, des autorisations d'expérimentation sont à demander auprès de l'ART tant que la technologie n'est pas mature et les normes pas éditées.
Standardisation
Un seul standard existe et il est américain : le standard Homeplug V1.0.1. C'est un standard qui ne concerne que les installations « indoor » et qui n'est pas interopérable avec les solutions « outdoor » existantes à ce jour. D'autres standards devraient voir le jour sous quelques mois ou années.
N.B. : Tous les équipements commercialisés à ce jour pour le grand public sont des produits « Homeplug ».
Canal de Transmission
Le support du réseau électrique n'a pas été étudié pour transporter des signaux Haute fréquence (HF). Il faut donc prendre en compte les contraintes de ce support pour assurer une bonne transmission de ces signaux HF sans pour autant perturber les appareils environnants, ni les fréquences de la bande 1-30 Mhz par rayonnement, certaines fréquences de cette bande étant réservées à l'armée ou bien aux radioamateurs.
Tout ceci doit enfin être étudié pour donner un débit suffisant à l'utilisateur en bout de ligne.
Tout le problème consiste ainsi à limiter la puissance de fonctionnement des courants porteurs tout en assurant un débit suffisant, et limiter les effets du bruit et de la distorsion sur la ligne. La solution : allier un traitement du signal le plus performant possible et effectuer un couplage optimal du réseau CPL au réseau électrique.
Il existe deux méthodes de couplage : couplage capacitif en parallèle sur le réseau électrique ou couplage inductif via un tore de ferrite. En ce qui concerne les installations en intérieur (indoor), le couplage capacitif est fait par défaut lorsqu'on branche l'équipement CPL sur la prise électrique, le problème ne se pose donc que pour les installations en extérieur (outdoor), beaucoup plus complexes à réaliser.
Techniques de modulation de données
Tout l'enjeu des CPL est de « tenir » un débit avec un niveau d'émission faible, d'où une limitation de la puissance de fonctionnement des courants porteurs, ou bien un traitement du signal le plus performant possible pour contourner cette contrainte de niveau d'émission.
Sur les solutions actuelles, deux types de modulation ressortent particulièrement : OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) et Spread Spectrum (ou modulation à étalement de spectre).
OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing
La technique de transmission OFDM est basée sur l'émission simultanée sur n bandes de fréquence (situées entre 2 et 30 MHz) de N porteuses sur chaque bande. Le signal est réparti sur les porteuses. Les fréquences de travail sont choisies en fonction des réglementations, les autres sont « éteintes » de manière logicielle. Le signal est émis à un niveau assez élevé pour pouvoir monter en débit, et injecté sur plusieurs fréquences à la fois. Si l'une d'elles est atténuée le signal passera quand même grâce à l'émission simultanée. Le spectre du signal OFDM présente une occupation optimale de la bande allouée grâce à l'orthogonalité des sous-porteuses.
N.B. : Cette modulation a été choisie par le comité Homeplug, donc tous les équipements qui respectent la norme Homeplug sont en modulation OFDM. C'est notamment cette modulation qui est utilisée pour les transmissions sans fil WiFi (802.11a).
SS Spread Spectrum : Modulation à étalement de spectre
Le principe de la modulation à étalement de spectre (Spread Spectrum) consiste à « étaler » l'information sur une bande de fréquences beaucoup plus large que la bande nécessaire, dans le but de combattre les signaux interférents et les distorsions liées à la propagation : le signal se confond avec le bruit. Le signal est codé au départ, un code est assigné à chacun des usagers afin de permettre le décodage à l'arrivée. L'étalement est assuré par un signal pseudo aléatoire appelé code d'étalement. A la réception le signal est perçu comme du bruit si le récepteur n'a pas le code. Le signal étant émis à un niveau plus faible que celui du bruit, le débit reste faible. La modulation avec étalement de spectre est ainsi optimisée pour lutter contre le bruit, dont elle limite mieux les effets.
La modulation CDMA (Code Division Multiple Access) est une modulation à étalement de spectre utilisée pour certaines solutions CPL.
Lorsqu'on fait le point des différentes solutions existantes à ce jour on note que les solutions qui utilisent l'étalement de spectre restent à bas débit, seules les solutions qui utilisent OFDM peuvent monter en débit à ce jour.
Liaison de données
Toute solution CPL doit inclure une couche physique robuste mais également un protocole d'accès à la couche réseau efficace. Ce protocole contrôle le partage du média de transmission entre de nombreux clients, pendant que la couche physique spécifie la modulation, le codage et le format des paquets.
La méthode d'accès utilisée par les machines utilisant les courants porteurs en ligne est le CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), c'est-à-dire la même méthode utilisée pour les réseaux sans fils WiFi.
Architecture en intérieur (Indoor)
Les solutions CPL commercialisées à ce jour, de type Homeplug pour l'indoor, sont des solutions parfaites pour étendre le réseau local et partager l'accès Internet haut débit existant, notamment à la maison ou en petite entreprise, avec une mise en œuvre simple. Les boîtiers CPL se présentent en général avec un port ethernet ou USB suivant le modèle choisi, et une connexion vers la prise électrique.
La mise en œuvre d'une solution CPL en intérieur demande au niveau informatique comme configuration minimum un PC avec carte Ethernet ou une prise USB selon le choix du boîtier. Attention tout de même à la disponibilité des drivers (pour les modèles en USB) selon le système d'exploitation.
- Pour la mise en place d'un boîtier Ethernet, l'installation est équivalente à celle d'un réseau local Ethernet filaire.
- Pour la mise en place d'un boîtier USB, la configuration se fait via le pilote fourni, une carte réseau virtuelle est alors à configurer comme la carte Ethernet en réseau local.
Au niveau électrique, l'installation ne pose aucun souci à l'intérieur d'un logement derrière un compteur monophasé dans la mesure où les adaptateurs se branchent directement sur les prises électriques. En revanche l'intégration est plus complexe dans les immeubles, que ce soit en résidentiel avec une arrivée triphasée et différents compteurs, ou bien dans les bâtiments de grande taille, tels que des collèges, des hôpitaux ou immeubles administratifs. La mise en œuvre d'une solution CPL « étendue » nécessite alors une double compétence : expertise en réseau électrique et en réseau informatique, ainsi que l'utilisation de matériel différent des boîtiers Homeplug vendus pour l'indoor.
La solution grand public actuellement vendue, Homeplug, possède un débit théorique de 14 Mb/s. D'autres solutions existent toutefois avec des débits allant de 2 Mb/s à 45 Mb/s. Une solution à 100 Mb/s a été testée en laboratoire.
Les débits réels se voient amputés de la partie du trafic réservé à la gestion du système. Pour autant les débits obtenus restent suffisants pour la majorité des applications domestiques si on part des 14 Mb/s de Homeplug par exemple.
La sécurité du réseau CPL
Rôle de la phase électrique : le signal passe les phases par induction, mais le signal est très vite dégradé d'une phase à l'autre. Rôle du compteur électrique : le signal CPL passe le compteur électrique, ce dernier ne constitue donc en aucun cas une barrière pour le réseau CPL.
Aspect sécurité réseau local : Tout réseau CPL doit être sécurisé comme tout réseau local, avec la mise en place notamment d'un système pare-feu (firewall), cependant il existe deux niveaux de sécurité intrinsèques aux équipements CPL :
- un cryptage DES (avec une clé de 56 ou 128 bits),
- la possibilité de création de réseaux séparés sur un même circuit électrique avec deux clés de cryptage différentes, configurables via un utilitaire généralement fourni avec l'équipement.
Architecture en extérieur (Outdoor)
Des expérimentations sont en cours pour des installations extérieures, avec un couplage entre l'arrivée Internet Haut Débit et le réseau électrique via un transformateur HTA/BT pour la création d'une boucle locale électrique.
Avantages et inconvénients
Avantages CPL :
- Mobilité
- Souplesse
- Simplicité de mise en œuvre en indoor
- Stabilité de fonctionnement
- Complémentaire aux solutions filaires et sans-fils
Inconvénients CPL :
- Mise en œuvre et bon fonctionnement dépendant de l'architecture du réseau électrique
- Manque de standardisation et de normes
- Problème d'interopérabilité entre les différents équipements
- Prix à ce jour, marché à développer
Les solutions CPL peuvent être vues comme des solutions complémentaires ou alternatives aux réseaux filaires traditionnels, aux réseaux sans fils et au VDSL.
Suivant les architectures des réseaux existants, des bâtiments ou des contraintes techniques, l'une ou l'autre des solutions peut être choisie, mais l'on peut également envisager une solution en complément d'une autre !
Les débits des solutions CPL sont amenés à augmenter, le standard Homeplug AV est à l'étude pour diffuser des canaux de télé numérique.
De nombreux projets de recherche portent sur ces solutions et leurs évolutions, tout est à venir, il faut donc suivre de près les informations sur le sujet !
