CPL Bas débit versus CPL haut débit dans le cadre du ...

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2 Ιουλ 2012 (πριν από 5 χρόνια και 2 μήνες)

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lippe Cavenel, Lionel Balme and

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1

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CPL Bas débit versus CPL haut
débit dans le cadre du

d
éveloppement d’une solution
Smart Object For Smart Grid

Philippe Cavenel
, Lionel Balme


Société IMMOTRONIC
TM

Historique

Le CPL ou Courant Porteur en Ligne est une
technologie permettant de faire
transiter des
informations numériques sur le réseau basse
tension 230V.

Les premiers systèmes de transfert de
données domotique sur le réseau basse
tension apparaissent dans les années 70 avec
la norme X10 consistant à envoyer des 0 et
des 1 par modulation

d’amplitude sur le 50 Hz
ou 60 Hz à une fréquence de 120KHz. Chaque
appareil connecté au réseau possède une
adresse sur 8 bits permettant d’adresser 256
appareils. La communication est en half
duplex avec un protocole sans acquittement.

Les appareils X10

ne possèdent pas la capacité
d’émettre des informations en retour vers
l’émetteur central qui émet en aveugle et en
boucle la même information en analysant la
trame émise pour s’assurer qu’aucune
perturbation n’a empêché la réception par le
récepteur du m
essage émis. Lorsque la trame
émise est semblable à la trame analysée,
l’émetteur stoppe l’émission et suppose que
le récepteur l’a correctement reçu.

Depuis une dizaine d’années maintenant une
nouvelle technologie est apparue pour le
transfert de données CPL en haut débit. Basée
sur la modulation de fréquence et de phase
multicanaux (Orthogonal frequency
-
division
multiplexing (OFDM) cette technologie e
st
utilisée comme couche physique pour le
transfert IP (Internet Protocol) sur réseau
électrique basse tension avec une évolution
rapide de la norme ces dernières années
(
HomePlug

Powerline
Alliance).

Permettant des transferts de données entre
50 Mb/s et 200Mb/s la norme HomePlug est
utilisée pour construire simplement des
réseaux IP dans les habitations et les
bâtiments tertiaires sans avoir à câbler ceux
-
ci
par du câble Ethernet et des pri
ses RJ45.

Comparatif HomePlug et X10

La norme HomePlug n’a plus rien à voir avec la
norme X10, sa performance et son usage sont
complètement différents.

La norme X10 permet de faire transiter sans
aucune fiabilité très peu d’informations à des
débits très

faibles pour un usage uniquement
domotique, tandis que la norme HomePlug
permet de faire transiter de façon totalement
fiable un très grand nombre d’informations
pour un usage VDI (Voix, Données, Images).

HomePlug pour la domotique,
une mauvaise solution

Autant l’utilisation de la norme X10 n’est pas
satisfaisante pour le développement d’un
réseau intelligent dans l’habitat (contraintes
de performance et de fiabilité, protocole
inadapté), autant l’utilisation du HomePlug est
surdimensionnée pour une utilis
ation
purement domotique où un débit de quelques
kilo bauds est largement suffisant. Par ailleurs
l’utilisation du HomePlug est peu adaptée
lorsqu’il est nécessaire de pouvoir connecter
sur un même réseau basse tension des
centaines d’appareils.

Enfin, il
faut noter que certains pays comme
l’Autriche sont réfractaires à l’utilisation du
CPL haut débit dont les fréquences, dans la
bande des 2 à 30 MHz, pourraient produire
des radiations néfastes pour la santé.

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Développement du
CPL bas
débit ISO/IEC

14543
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3
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5

Afin de trouver une solution intermédiaire
entre l’ancienne technologique X10 et la
norme HomePlug surdimensionnée pour un
usage domotique, une technologie plus simple
que l’approche OFDM est envisageable pour la
mise en place d’un réseau domotique
intell
igent dans les bâtiments. La technologie
FSK (Frequency Shift Keying) permet
d’effectuer des transferts de données en
modulation de fréquence entre 66 KHz et
132,5KHz à un débit compris entre 600 bauds
et 4800 bauds en s’appuyant sur la couche
physique PL1
10 ou PL132 décrite dans la
norme ISO/IEC 14543
-
3
-
5.


Pour le moment une seule norme a été éditée
concernant le CPL bas débit: Norme EN 50065:
transmission de signaux sur les réseaux
électriques BT dans la bande 9 Khz
-
148.5 Khz
dite «

Cenelec

».


La norme en la matière est décrite ci
-
dessous:

The Europ
ean Committee for Electro technical
Standardization in Brussels (CENELEC)
published the standard EN 50065
-
1,"Signalling
on low
-
voltage electrical installations in the
frequency range 3 kHz to 148.5 kHz ".


The EN 50065
-
1 regulates all power
-
line
signallin
g within the frequency range 3 kHz to
148.5 kHz, and it has been adopted by the
German Electro technical Commission in DIN
and VDE as DIN
-
EN 50065
-
1,classification VDE
0808, as well as by many other European
national committees.


Four different frequency
bands are specified:




the A
-
band (3 kHz
-

95 kHz), reserved for
power companies,



the B
-
band (95 kHz


125 kHz), that can be
used by all applications without any access
protocol,



the C
-
band (125 kHz


140 kHz), reserved
for home network systems. A mandatory

access protocol (CSMA/CA = Carrier Sense
Multiple Access/ Collision Avoidance)
facilitates the coexistence of different
incompatible systems in the same frequency
band.
And last but not least



the D
-
band (140 kHz
-

148.5 kHz), that is
specified for alarm
-

and security
-
systems
without any access protocol.


For all four frequency bands, a maximum
output level is required by EN50065
-
1 for the
signal transmission via power
-
line.


For the use in home network systems, the C
-
band with a maximum level of 116 dB (
μ
V) is
the best choice, because a media access
protocol is required. The maximum output
level has to be measured by a peak level
detector and a given receiver circuit during a
period of one minute. Additionally, the EN
50065
-
1 defines noise levels for all f
requency
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bands, mandatory for any electrical appliance
connected to the mains in Europe. Thus, the
potential parasitic influence by disturbances is
decreased to a minimum.
(Source DOMOLOGIC
Home Automation GmbH)

Approche Smart Object
s

Quelque soit la solution retenue pour le
transfert physique des données la domotique
ne se développera que lorsque les objets
pourront communiquer entre eux de façon
simple et transparente pour les utilisateurs
avec une interface utilisateur ultra simple e
t
conviviale.

Afin de communiquer entre eux, les objets
communicants doivent utiliser un protocole de
communication commun. Aussi, la mise en
place d’un réseau de communication nécessite
l’emploi d’une norme commune à tous les
fabricants, fiable et éprouv
ée.

Dans cet esprit, les premiers modules
domotiques de la nouvelle génération sont
apparus avec le standard propriétaire Zigbee
permettant la communication sans
-
fil sur de
courtes distances (de 10 m à 100 m) de petits
dispositifs à consommation très rédu
ite et à
très faible coût. Le standard ZigBee est conçut
autour de la norme
IEEE

802.15.4

qui définit
les couches physique (PHY) et
d’accès au
support (MAC) pour les réseaux personnels
sans
-
fil (WPAN).

Ratifiées le
14 décembre

2004
, les
spécifications
complètes de ZigBee 1.0, qui
définissent également les couches supérieures
du modèle de communication, sont
développées par ZigBee Alliance et ne sont
disponibles que pour les membres de cette
communauté industrielle. Bien que
propriétaire, cette norme est

donc le premier
pas vers la mise en place d’un réseau
intelligent dans le bâtiment. Cependant,
l’expérience montre qu’un standard
propriétaire constitue un frein au
développement des technologies et des
services dans le domaine des réseaux.

Considérant le

succès en termes de fiabilité et
de passage à l’échelle du standard IPv4 et de
son successeur IPv6 utilisés par Internet pour
la communication entre les ordinateurs du
monde entier, l’Internet Engineering Task
Force (IETF) réfléchit à la possibilité
d’app
liquer IPv6 aux réseaux sans
-
fil de type
IEEE 802.15.4. De cet effort né en 2007 le
standard ouvert 6LoWPAN (
IPv6

over Low
power Wireless Personal Area Networks) qui
définit les mécanismes de compre
ssion
d'encapsulation et d'en
-
tête permettant aux
paquets IPv6 d'être envoyés et d'être reçus
sur les réseaux sans
-
fil à très basse
consommation de type IEEE 802.15.4.

Ce standard apporte un avantage indéniable
sur les standards propriétaires existants

: l
es
réseaux sans
-
fil à très basse consommation de
type IEEE 802.15.4 deviennent directement
intégrables au sein d’Internet. Ce standard
semble alors le meilleur candidat pour la mise
en place de réseaux d’objets intelligents. C’est
dans cette optique que se

constitue l’IPSO
Alliance (http://www.ipso
-
alliance.org) dont
l’objectif est la promotion de l’approche
6LoWPAN pour les smart objects.


IP for Smart Objects seeks to extend the use of
IP networking into resource
-
constrained
devices over a wide range of low
-
power link
technologies
-

IEEE 802.15.4 represents one
such link. Extending I
P to low
-
power, wireless
personal area networks (LoWPANs) was once
considered impractical because these
networks are highly constrained and must
operate unattended for multiyear lifetimes on
modest batteries. Many vendors embraced
proprietary protocols, as
suming that IP was
too resource
-
intensive to be scaled down to
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operate on the microcontrollers and low
-
power wireless links used in LoWPAN settings.
However, 6LoWPAN radically alters the
calculation by introducing an adaptation layer
that enables efficient

IPv6 communication
over IEEE 802.15.4 LoWPAN links.
(source
IPSO)

En avril 2009, ZigBee Alliance annonce sa
volonté d’intégrer à ses spécifications le
standard 6LoWPAN propos
é par l’IETF. Si
6LoWPAN a été conçu au départ pour les
réseaux sans
-
fil, son application ne se limite
pas au monde de la radio.

C
onclusion

et perspectives

L’étude du CPL s’inscrit donc dans l’usage que
l’on souhaite en faire
. O
n comprendra que le
CPL haut débit n’est pas à ce jour la solution
pour la mise en place d’un réseau
communicant pour les appareils électriques.
Le CPL bas débit doit donc être retenu pour
l’approche filaire, tout comme l’approche IEEE
802.15.4 semble être

la solution radio bas
débit et basse consommation retenue par
rapport à l’approche radio haut débit WiFi
IEEE 802.11.

Réseaux d’objets intelligents

Il semble établi que la mise en place d’un
réseau d’objets communicants dans l’habitat
nécessite

:

1)

des tec
hnologies physiques de
communication fiables et
énergétiquement sobre,

2)

un protocole de communication
standard qui permet l’interopérabilité
des différentes technologies
physiques de communication,

3)

une approche «

plug and play

»,

4)

un framework applicatif ouv
ert
facilitant le développement
informatique de services logiciels
exploitant les réseaux d’objets
communicants.


En ce qui concerne le point (1), les approches
IEEE 802.15.4 et CPL bas
-
débit sont
complémentaires

: suivant la topologie de
l’habitat ou de l
a nature des équipements
électriques, ces deux approches cohabiteront
au sein d’un même espace. L’interopérabilité
entre elles est donc un enjeu crucial.


Cet enjeu motive le point (2). La norme
émergeante
6LoWPAN
semble être une très
sérieuse candidate pour remplir le rôle de
protocole standard. Elle offre l’avantage de
rendre homogène, en termes d’adressage, les
réseaux informatiques classiques et les
réseaux dédiés aux objets intelligents. Ainsi,
les objets et le
s ordinateurs sont alors réunis
au sein du même réseau, rendant
techniquement possible l’avènement du
concept d’Internet des objets *1+. De plus,
6LoWPAN
permet de garantir une bonne
interopérabilité avec les objets communicants
basés sur ZigBee, déjà sur
le marché, et
d’assurer une approche plug & play.

Technologie
FSK

et 6LoWPAN

Concernant la couche physique de
communication,

il faut bien noter que
l’association d’une pile protocolaire 6LoWPAN
à l’approche FSK sera déterminante pour que
cette technologie
soit utilisée dans le cadre de
réseaux d’objets intelligents.

Le prototype CPL bas débit développé par
IMMOTRONIC
TM

démontre la pertinence de
l’utilisation du modem CPL FSK au sein
d’équipements électriques afin de les rendre
intelligents. L’étape d’après

sera

de montrer
qu’il est possible d’associer une pile 6LoWPAN
à

cette technologie.

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5

-

Aut
eurs


Philippe Cavenel is a French
engineer in computer science
from “Institut National
Polytechnique de Grenoble”.
After 8 years spent at Bull S.A
Company to develop AIX

pty
driver and industria
l supervisor application for
nuclear plant and chemical industry, he
reached STMicroelectronics to develop SRAM
on the fly characterization process, post
processing layout analysis tool and
participated into different European projects.
Since March 2009, h
e is the CEO of
IMMOTRONIC Company to develop new home
automation concept.

Lionel Balme holds its PhD in
computer science in 2008
from the University of
Grenoble.
Lionel spent

6
years at the Laboratoire
d’Informatique de Grenoble (LIG) working
in
the fiel
d of

human computer interaction
engineering for ambient intelligence
. Its
research interest naturally focused on smart
building and smart object. He joined
IMMOTRONIC Company as an R&D engineer in
February 2010.

Références

1.

Constantine, A., Valhouli, “The
I
nternet of Things: Networked objects
and smart devices”, research report,
The Hammersmith group, February
2010.