Xavier Carcelle Réseaux CPL par la pratique Avec trois études de cas : réseau domestique, réseau d’entreprise et réseau de desserte de collectivité locale
1. X a v i e r C a r c e l l e Rseaux CPL par la pratique Avec
trois tudes de cas : rseau domestique, rseau dentreprise et rseau
de desserte de collectivit locale
2. X a v i e r C a r c e l l e A v e c l a c o n t r i b u t i
o n d e D a v o r M a l e s e t G u y P u j o l l e , e t l a c o l
l a b o r a t i o n d e O l i v i e r S a l v a t o r i Rseaux CPL
par la pratique
3. CHEZ LE MME DITEUR Autres ouvrages sur les rseaux D. Males,
G. Pujolle. Wi-Fi par la pratique. N11409, 2e dition, 2004, 420
pages. G. Pujolle, et al. Scurit Wi-Fi. N11528, 2004, 242 pages. J.
Nozick. Guide du cblage universel. Logements et bureaux - Nouvelle
norme NF C 15-100 - Prises universelles RJ 45. N11758, 2e dition,
2006, 110 pages. G. Pujolle. Les Rseaux. N11987, 5e dition, 2004, 1
120 pages (dition semi-poche). K. Al Agha, G. Pujolle, G.Vivier.
Rseaux de mobiles et rseaux sans fil. N11018, 2001, 490 pages. P.
Mhlethaler. 802.11 et les rseaux sans fil. N11154, 2002, 304 pages.
N. Agoulmine, O. Cherkaoui. Pratique de la gestion de rseau.
N11259, 2003, 280 pages. J.-L. Mlin. Qualit de service sur IP.
N9261, 2001, 368 pages. Ouvrages sur la scurit rseau S. Borderes.
Authentification rseau avec Radius. N12007, 2006, 300 pages. J.
Steinberg, T. Speed, adapt par B. Sonntag. SSL VPN. Accs web et
extranets scuriss. N11933, 2006, 220 pages. L. Levier, C. Llorens.
Tableaux de bord de la scurit rseau. N11973, 2e dition, 2006, 582
pages. B. Boutherin, B. Delaunay. Scuriser un rseau Linux. N11960,
3e dition, 2007, 250 pages. F. Ia, O. Mnager. Optimiser et scuriser
son trafic IP. N11274, 2004, 396 pages. S. McClure, J. Scambray, G.
Kurtz. Halte aux hackers. N25486, 4e dition, 2003, 762 pages.
4. DITIONS EYROLLES 61, bd Saint-Germain 75240 Paris Cedex 05
www.editions-eyrolles.com Le code de la proprit intellectuelle du
1er juillet 1992 interdit en effet expressment la photocopie usage
collectif sans autorisation des ayants droit. Or, cette pratique
sest gnralise notamment dans les tablissements denseignement,
provoquant une baisse brutale des achats de livres, au point que la
possibilit mme pour les auteurs de crer des uvres nouvelles et de
les faire diter correctement est aujourdhui menace. En application
de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire
intgralement ou partiellement le prsent ouvrage, sur quelque
support que ce soit, sans autorisation de lditeur ou du Centre
Franais dExploitation du Droit de Copie, 20, rue des
Grands-Augustins, 75006 Paris. Groupe Eyrolles, 2006, ISBN :
2-212-11930-5, ISBN 13 : 978-2-212-11930-5
5. Mise en page : TyPAO Dpt lgal : novembre 2006 N dditeur :
7373 Imprim en France
6. Franoise
7. Remerciements Mes remerciements vont tout dabord aux ditions
Eyrolles pour leur soutien et leur conance dans lcriture de ce
livre. Je tiens remercier plus particulirement Olivier Salvatori
pour son aide et son important travail de relecture, qui ont t une
grande source de moti- vation pour moi. Je tiens remercier ensuite
Michel Goldberg pour son apport et son expertise prcieuse, qui mont
permis dcrire le premier chapitre, consacr au monde de la
normalisation. Je remercie galement Diego Santaren pour son soutien
indfectible et sa prcieuse relecture. Je remercie enn Davor Males
et Guy Pujolle, qui mont non seulement inspir dans lcriture de ce
livre mais galement guid et apport leur expertise reconnue.
Finalement, je tiens remercier Yves Nouailhetas de la socit Dvolo
et Serge Brachet de la socit Oxance pour leurs prcieuses
aides.
16. Avant-propos Depuis lapparition des premiers produits CPL,
au dbut des annes 2000, les techno- logies des courants porteurs en
ligne ont beaucoup volu pour aboutir une technologie performante.
Aujourdhui, les CPL ont atteint leur maturit et offrent des
performances semblables celles des autres technologies de rseaux
locaux, mais avec une facilit de dploiement incomparable. Grce aux
CPL, il est devenu facile de diffuser nimporte quel type de donnes
dans lensemble dun btiment, y compris les services de vido IP
proposs par les FAI dans leurs offres les plus rcentes. Rappelons
que ces offres visent proposer de plus en plus dapplications IP sur
tous types de terminaux utilisant des interfaces Ethernet pour
communiquer avec les autres terminaux et avec Internet. Labsence
actuelle de standard IEEE pose la technologie HomePlug comme un
standard de fait, en raison de la grande quantit dquipements dj
dploys dans le monde et des perspectives de croissance de cette
technologie dsormais mature. Un groupe de travail de lIEEE devrait
mettre au point dici peu un standard CPL performant, scuris et
respec- tueux des perturbations lectromagntiques susceptibles
daffecter les autres quipe- ments de tlcommunications. Dores et dj,
les problmes dinterfrences avec des bandes de frquences utilises,
par exemple, par les radioamateurs sont techniquement rsolus par
des mcanismes dallocation intelligente des sous-bandes de frquences
communes. Les quipements CPL vont continuer se dvelopper dans un
avenir proche pour intgrer de plus en plus dinterfaces (Wi-Fi,
Ethernet, cble TV, etc.) an de rpondre aux besoins des ingnieurs
rseau doffrir une plus grande connectivit des terminaux
environnants. Organisation de louvrage Cet ouvrage prsente les
technologies CPL dans leur ensemble, des points de vue aussi bien
thorique que pratique, et stend jusquaux conseils dinstallation de
rseaux CPL destination des particuliers, des professionnels comme
des collectivits locales. Lauteur et ses contributeurs se sont
efforcs de transmettre avec pdagogie tout ce quil leur a paru
ncessaire de comprendre pour matriser les techniques utilises par
les CPL,
17. Rseaux CPL par la pratique XVIII technologies la frontire
entre les rseaux lectriques et les rseaux informatiques.
Abondamment illustr, louvrage saccompagne de nombreuses tudes de
cas destines aider les installateurs rsoudre les problmes pratiques
de mise en uvre de rseaux CPL. Le livre est dcoup en treize
chapitres, regroups en deux parties : Chapitre 1. Introduction. Ce
premier chapitre couvre lhistorique des techno- logies CPL et
prsente les travaux des diffrents groupes de travail (alliances,
groupes industriels, etc.) ayant prsid leur dveloppement. Premire
partie. Thorie des CPL. Cette partie se penche sur les
caractristiques des rseaux lectriques et informatiques et dtaille
les diffrentes fonctionnalits proposes dans les CPL pour acheminer
linformation sous toutes ses formes lutilisateur. Chapitre 2.
Architecture. Ce chapitre dcrit les caractristiques des rseaux
lectriques, en sefforant de les situer dans les modles communment
utiliss en tlcommunications. Chapitre 3. Fonctionnalits. Lensemble
des fonctionnalits permettant doffrir des communications optimales
sur un rseau lectrique sont inventories dans ce chapitre. Chapitre
4. Scurit. Les CPL ne souffrent pas des mmes problmes de scurit que
les rseaux Wi-Fi. Ils nen mettent pas moins en uvre un certain
nombre de mcanismes de scurisation des donnes. Chapitre 5. Trames.
La description complte des blocs dinformations transitant sur un
rseau lectrique est fournie dans ce chapitre. Deuxime partie.
Pratique des CPL. Cette partie couvre lensemble des implmen-
tations pratiques des CPL, depuis le contexte des rseaux locaux
domestiques ou professionnels jusqu celui des rseaux de desserte
des collectivits locales. Chapitre 6.Applications. Les
dveloppements rcents des offres daccs Internet des FAI visent
fournir des applications de plus en plus compltes (voix, donnes,
images, ux vido haute dnition) et exigeantes en terme de dbit comme
de scurit. Ce chapitre montre comment les rseaux CPL rpondent ds
prsent ces nouvelles exigences. Chapitre 7. quipements. Le choix
dquipements CPL adapts aux besoins demande une bonne connaissance
des diffrentes fonctionnalits implmentes dans les terminaux CPL
tels que passerelles, ltres, rpteurs et injecteurs, compl- ts
dquipements rseau classiques. Ce chapitre indique les bons critres
de choix en fonction des diffrentes contraintes dinstallation.
Chapitre 8. Installation. Il est important de congurer les
quipements correc- tement avant de les installer. Ce chapitre
dtaille les problmatiques dinstallation les plus courantes an
doptimiser le placement des quipements CPL au sein du rseau
lectrique.
18. Avant-propos XIX Chapitre 9. Conguration. Ce chapitre dcrit
les tapes de conguration des quipements sous plusieurs
plates-formes (Windows, Linux, FreeBSD) et pour diffrents types de
technologies CPL. Chapitre 10. CPL domestique. Les particuliers
dsirant installer un rseau CPL dans leur habitation trouveront dans
ce chapitre tout ce quils ont besoin de conna- tre en matire de
critres de choix des appareils ou de conseils dinstallation et de
conguration. Chapitre 11. CPL dentreprise. Depuis la PME jusqu
lentreprise disposant de plusieurs btiments industriels, les
professionnels trouveront dans ce chapitre le dtail des tapes
ncessaires lutilisation optimale du rseau lectrique comme
infrastructure de rseau local. Chapitre 12. CPL de collectivit
locale. Ce chapitre se penche sur le cas parti- culier des
collectivits locales qui souhaitent pallier les difcults
dacheminement de laccs Internet dans des zones mal ou non
desservies. Ce chapitre apporte les lments de comprhension des
problmatiques et principes darchitecture et de gestion de projet
des rseaux de desserte utilisant comme support le rseau lectrique
public. Chapitre 13. CPL hybride. Ce dernier chapitre de louvrage
met en perspective les CPL vis--vis des autres technologies rseau
et montre comment tirer le meilleur parti des diffrentes
technologies de rseau local pour btir des architec- tures hybrides
mlant CPL, Wi-Fi, Ethernet cbl, cble TV et RTC (rseau tl- phonique
commut). qui sadresse louvrage Cet ouvrage intressera tous ceux qui
souhaitent en savoir plus sur les CPL mais vise en particulier les
catgories de lecteurs suivantes : Particuliers qui souhaitent
installer un rseau CPL dans leur domicile, principalement pour
diffuser les services offerts par les fournisseurs daccs Internet.
Architectes, ingnieurs ou administrateurs rseau, qui envisagent de
choisir les CPL comme technologie pour construire leur rseau de
petite, moyenne ou grande taille ou pour les installer en complment
de rseaux existants. lectriciens dsireux de sinitier une
technologie situe au cur de leur mtier. Situes la frontire de
llectricit et des tlcommunications, les technologies CPL
constituent pour ces professionnels une opportunit dtendre leur
activit . tudiants dsirant complter leur formation rseau par un
aperu des techniques de transmission de donnes sur le rseau
lectrique. Dcideurs, qui pourront comprendre tout lintrt des CPL en
remplacement ou complment des autres technologies rseau.
19. Rseaux CPL par la pratique XX Parcours de lecture Ce livre
comportant deux parties distinctes, une partie thorique, qui entre
dans les moin- dres dtails des technologies CPL, et une partie
pratique, qui donne des conseils dinstal- lation de rseaux CPL, les
parcours de lecture recommands suivant le prol du lecteur peuvent
tre les suivants : Le particulier intress par les aspects pratiques
de la mise en uvre de rseaux CPL pourra commencer par le choix des
quipements, au chapitre 7, puis poursuivre par leur installation,
au chapitre 8, leur conguration, au chapitre 9, et leur mise en
uvre sur le rseau lectrique, au chapitre 10. Larchitecte rseau sera
plus particulirement intress par le chapitre 11 prsentant la mise
en uvre dun vaste rseau CPL dans un htel (similaire au cas dun
campus ou dune entreprise). Ltudiant en rseau et tlcoms trouvera
aux chapitres 1 5 les lments thoriques ncessaires sa formation et
la comprhension des technologies CPL. Le dcideur pourra se reporter
au chapitre 1 pour une vision densemble des travaux de
standardisation en cours des rseaux CPL. Le chapitre 7 lui donnera
en outre une ide des prix des quipements CPL et des cots compars
des diffrentes technologies de rseaux locaux. Llectricien
comprendra au travers des chapitres 10, 11 et 12, illustrs de
nombreux exemples pratiques, les tapes de constitution dun rseau
CPL de petite, moyenne ou grande taille. La ncessit de recourir des
professionnels habilits intervenir sur un rseau lectrique place les
lectriciens au cur des dploiements CPL.
20. 1 Introduction Les CPL (courants porteurs en ligne) sont
une technologie daccs haut dbit, qui utilise le rseau lectrique
moyenne et basse tension pour fournir des services de tl-
communications. Producteurs et distributeurs dnergie lectrique ont
depuis longtemps utilis le rseau lectrique pour contrler le rseau
et le piloter distance bas dbit. De nos jours, un producteur ou un
distributeur dlectricit ne peut ignorer la normali- sation. Il est
intressant de remarquer que cest en raison du dploiement des rseaux
lectriques, de leur interconnexion et du nombre sans cesse
croissant dappareils lectriques, que les premiers organismes de
normalisation rseau sont apparus, limage de la CEI (Commission
lectrotechnique internationale). Les technologies CPL La technique
des CPL nest pas rcente dans son principe. Ds 1838, en Angleterre,
Edward Davy a propos une solution permettant de mesurer distance
les niveaux de batterie des sites loigns du systme tlgraphique
entre Londres et Liverpool. En 1897, il prsentait le premier brevet
(British Patent N 24833) dune technique de mesure distance des
compteurs du rseau lectrique communiquant sur les cbles lectriques.
Appels Ripple Control, les premiers systmes CPL ont t labors puis
dploys sur les rseaux lectriques moyenne tension et basse tension
en 1950. La frquence porteuse tait alors comprise entre 100 Hz et 1
kHz. Il sagissait dtablir des communications monodirectionnelles
via des signaux de commande pour lallumage et lextinction distance
des clairages publics ou encore pour des changements
tarifaires.
21. Rseaux CPL par la pratique 2 Les premiers systmes
industriels sont apparus en France en 1960 sous le nom de Pulsadis.
Les puissances mises en jeu avoisinaient la centaine de
kilovoltampres (kVA). Ce nest quensuite quapparurent les premiers
systmes CPL de la bande dite Cenlec, stendant de 3 148,5 kHz et
permettant des communications bidirectionnelles sur le rseau
lectrique BT (basse tension) an, par exemple, de pratiquer des
relevs de compteurs (tlrelve), ainsi que bon nombre dapplications
relevant du domaine de la domotique (alarme dintrusion, dtection
dincendie, dtection fuite de gaz, etc.). Les puissances injectes
taient beaucoup moins importantes que les prcdentes, puisque
rduites des niveaux de lordre dune centaine de milliwatts.
Lexpression courants porteurs en ligne , communment abrge CPL, est
apparue la n de la Seconde Guerre mondiale, en 1945. lpoque,
beaucoup de lignes tl- phoniques et lectriques taient dtruites,
mais il restait davantage de lignes lectriques dinfrastructure que
de lignes tlphoniques. Pour des besoins de communication, des
systmes ont t conus an de transmettre des donnes sur les cbles
haute tension ou moyenne tension, en sinspirant des tlrelves dj
effectues sur les lignes lectriques. La gure 1.1 illustre lvolution
des technologies CPL classes par dbit depuis le dbut des annes
1990. Figure 1.1 Technologies CPL bas et haut dbits HP BPL Dbit
Temps1990 1995 2000 2001 2006 CPL haut dbit CPL bas dbit X10 CEBus
LonWorks Homeplug CC Passeport ASCOM HomePlug1.0 DS2 HomePlug AV
HomePlug Turbo Spidcom Main.net
22. Introduction CHAPITRE 1 3 Organismes de normalisation Cette
section prsente les diffrents organismes de normalisation ainsi que
les notions de normes et de standards que nous allons expliciter.
Il existe une diffrence entre une norme et un standard. Une norme
correspond un document issu dun organisme international, tel que
lISO (International Standardization Organi- zation). Un standard
est issu dun organisme national, tel que lIEEE amricain, ou dune
communaut dtats, comme lETSI. La normalisation seffectue donc aux
niveaux national, europen et international. Chaque comit de
normalisation est responsable de un ou plusieurs domaines de
normalisation. La CEI (Commission lectrotechnique internationale)
et le Cenlec (Comit europen de normalisation en lectrotechnique)
sont chargs de llectrotechnique et lETSI (European
Telecommunications Standards Institute) des tlcommunications. LISO
et le CEN (Comit europen de normalisation) couvrent tous les autres
domaines dactivit. Les termes norme harmonise sont utiliss dans le
contexte des directives europen- nes dites Nouvelle Approche pour
dsigner des normes europennes adoptes selon les orientations
gnrales convenues entre la Commission europenne et les organismes
de normalisation, dans le cadre dun mandat octroy par la Commission
aprs consultation des tats membres. La gure 1.2 illustre les champs
dactivit de chaque comit de normalisation en charge des
technologies CPL. Figure 1.2 Organismes de normalisation en charge
des technologies CPL Europe France International Electrotechnique
et lectricit CEI CENELEC UTE Commission lectrotechnique
internationale Comit europen de normalisation lectrotechnique
Organisation internationale de standardisation Comit europen de
normalisation Association franaise de normalisation Autres secteurs
ISO CEN AFNOR Union internationale des tlcommunications European
Telecommunications Standards Institute Comit franais de lETSI
Tlcommunications ITU ETSI AFNOR (CF ETSI) Union technique de
llectricit et de la communication Cheminement classique de la
normalisation Cheminement exceptionnel de la normalisation
23. Rseaux CPL par la pratique 4 Selon lISO, une norme dsigne
tout document destin une application rptitive, approuv par un
organisme reconnu de normalisation et mis la disposition du public
. LAfnor complte cette dnition de la faon suivante : Une norme est
une donne de rfrence rsultant dun choix collectif raisonn en vue de
servir de base daction pour la solution de problmes rptitifs.
Rappelons que, par rapport au domaine rglementaire, une norme ne
fait que dnir mthodes et rgles et quelle nest pas obligatoire,
contrairement une rglementation. Comme indiqu prcdemment, pour
lEurope, le cadre rglementaire est x par les directives Nouvelle
Approche, qui numrent les exigences essentielles auxquelles le
produit doit satisfaire. Les normes europennes harmonises, lorsque
leurs prescriptions sont vries, garantissent une prsomption de
conformit ces exigences essentielles. Limportance des normes
harmonises est illustre par le marquage CE. Ce marquage, vritable
passeport de libre circulation des produits en Europe, correspond
une dcla- ration du fabricant indiquant que son produit satisfait
aux exigences essentielles des directives europennes qui le
concernent. Les quipements CPL doivent satisfaire aux exigences des
directives CEM (compati- bilit lectromagntique) et BT (basse
tension). Il convient toujours de distinguer les travaux concernant
le produit et ceux relatifs au systme, le rseau dans le cas des
CPL. ce jour, les travaux sur le produit amendent la publication
internationale CISPR 22, tandis que ceux qui concernent le rseau,
sont exclusivement europens et traits au Joint Working Group
Cenlec/ETSI. Ces travaux visent disposer dune norme rseau harmonise
suite au mandat M 313 donn par la Commission europenne au Cenlec et
lETSI. Cette norme ne cherche pas limiter le dploiement des rseaux
laires, mais limiter leurs missions pertur- batrices. Aprs cinq
annes de recherche dun consensus, constatant la quasi-impossibilit
de d- nir des limites au rayonnement des rseaux laires, il a t dcid
dabandonner lide de publication de cette norme rseau, et les
travaux se sont concentrs sur la norme produit. Entre-temps, la
Commission a publi en avril 2006 une recommandation dnissant un
cadre juridique la demande de lensemble de la communaut CPL. Ce
texte recom- mande aux pays membres de lever toute barrire au
dploiement des rseaux CPL, en contrepartie de lengagement des
installateurs, fabricants de matriel et fournisseurs daccs Internet
respecter les exigences de la directive CEM et utiliser toute
mthode de mitigation distance en cas de perturbation avre sur une
frquence donne. Au Cenlec, les CPL sont suivis par les comits (TC)
et sous-comits (SC) techniques suivantes : TC 205, Systmes
lectroniques pour les foyers domestiques et les btiments (HBES) ;
SC 205 A, Systmes de communication par le rseau lectrique basse
tension ; TC 210, Compatibilit lectromagntique (CEM) , miroir du
CISPR.
24. Introduction CHAPITRE 1 5 Le sous-comit produit SC 205 A a
pour mission de prparer des normes harmonises pour les systmes de
communication utilisant les lignes dalimentation lectrique basse
tension ou le cblage des immeubles comme support de transmission et
utilisant des frquences suprieures 3 kHz et jusqu 30 MHz. Cette
tche inclut lattri- bution des bandes de frquences pour la
transmission du signal sur le rseau basse tension . Extraits de la
recommandation europenne du 6 avril 2005 1. Les tats membres
appliquent les conditions et principes suivants la fourniture de
systmes publics de communication large bande par courant porteur.
2. Sans prjudice des dispositions des points 3 5, les tats membres
lvent tous les obstacles rgle- mentaires injustis, pour les
entreprises de service public notamment, au dploiement de systmes
de communication large bande par courant porteur et la fourniture
de services de communication lectroniques laide de ces systmes. 3.
En attendant que des normes permettant dtablir la prsomption de
conformit des systmes de communication par courant porteur aient t
harmonises en vertu de la directive 89/336/CEE, les tats membres
considrent comme conforme cette directive tout systme de
communication par courant porteur qui : Est constitu dun quipement
conforme la directive et utilis aux ns auxquelles il est destin.
Est install et exploit selon les rgles de lart prvues pour
satisfaire aux exigences essentielles de la directive. La
documentation relative aux rgles de lart doit tre tenue la
disposition des autorits nationales comptentes aux ns dinspection
aussi longtemps que le systme est exploit. 4. Lorsquil est tabli
quun systme de communication par courant porteur provoque des
interfrences nfastes qui ne peuvent tre supprimes par les parties
concernes, les autorits comptentes de ltat membre demandent une
attestation de conformit du systme et, le cas chant, procdent une
valuation. 5. Si lvaluation conduit tablir la non-conformit du
systme de communication par courant porteur, les autorits
comptentes imposent des mesures dexcution proportionnes, non
discriminatoires et transparentes an dassurer la conformit. 6. En
cas de conformit du systme de communication par courant porteur
mais de persistance des inter- frences, les autorits comptentes de
ltat membre doivent envisager de prendre des mesures parti- culires
conformment larticle 6 de la directive 89/336/CEE de faon
proportionne, non discriminatoire et transparente. 7. Les tats
membres rendent compte rgulirement au comit des communications du
dploiement et de lexploitation des systmes de communication par
courant porteur sur leur territoire. Ces comptes rendus doivent
contenir toutes les donnes pertinentes concernant les niveaux de
perturbation (y compris des relevs de mesures, les niveaux
correspondants de signal inject et toutes les autres donnes utiles
ltablissement dune norme europenne harmonise), les problmes
dinterfrences et les mesures dexcution relatives aux systmes de
communication par courant porteur. Le premier de ces comptes rendus
est prvu le 31 dcembre 2005. 8. Les tats membres sont destinataires
de la prsente recommandation. Fait Bruxelles, le 6 avril 2005 par
la Commission, Viviane REDING, membre de la Commission.
25. Rseaux CPL par la pratique 6 Par respect pour le principe
de non-duplication des travaux avec la CEI, les travaux sur la
norme produit sont plus ou moins en attente dans ce sous-comit. La
gure 1.3 illustre les diffrents liens entre les acteurs
(organismes, consortiums, tats, Commission europenne, etc.)
travaillant sur des normes et standards relatifs aux CPL en Europe,
en particulier lIEC (CEI en franais), le Cenlec et lETSI.
Consortiums et associations Outre les organismes et institutions
prcdentes, certaines associations et consortiums jouent un rle de
prnormalisation , voire de standardisation, pour les CPL, notam-
ment les trois acteurs majeurs HomePlug, lIEEE et le consortium
Opera. En Europe, le lobbying en faveur des CPL a t men par le PUA
et le PLC Forum. Figure 1.3 Acteurs de la normalisation CPL PLT
Normalisation rseau STF222 Mesures CPL Mandat 313 Commission
europenne Joint Working Group JWG/CLC/ETSI on EMC COMITE
INTERNATIONAL SPECIAL DES PERTURBATIONS RADIOELECTRIQUES WG3
CISPR/A PLC-PT CISPR/I WG4 CISPR/X IEC TC210 CEM 4WG TC205 SC 205 A
Main communicating systems CISPR22 7 tasks DC ok Ready June 06
Caracterization of electrical network lectro-technique/lectrique
Tlcommunications CENELEC ETSI WG10 General Part
26. Introduction CHAPITRE 1 7 La gure 1.4 illustre les rles de
chacun des acteurs impliqus dans cette prnormalisation des CPL.
HomePlug Alliance Lalliance HomePlug regroupe des industriels
couvrant aussi bien la technologie que les services CPL an de
dvelopper les spcications HomePlug (HomePlug 1.0, HomePlug AV et
HomePlug BPL). Aujourdhui, seule la spcication HomePlug 1.0 est
nalise et implmente dans de nombreux produits du march. IEEE
(Institute of Electrical and Electronics Engineers) LIEEE, une
organisation but non lucratif, est la plus grande association
professionnelle internationale technique et une des principales
autorits de secteurs aussi varis que les systmes arospatiaux, les
ordinateurs et les tlcommunications, les technologies biomdicales,
lnergie lectrique ou llectronique grand public. LIEEE diffuse ses
membres des informations, mais aussi des ressources et des services
techniques et professionnels. Pour stimuler lintrt pour les mtiers
lis la technologie, lIEEE propose galement des services ses membres
tudiants dans le monde entier. Une autre partie importante des
partenaires de lIEEE est constitue de prospects, personnes
physiques et morales, qui achtent ses produits et participent ses
confrences et symposiums. Figure 1.4 Consortiums et associations
relatifs aux CPL PHY MAC PHY MAC PHY MAC Spcifs BPL-EU P1901 Tests
dmission lectromagntique des CPL Standard dinteroprabilit CPL HP
SCC HP 1.0, AV HP BPL Association US Organisme de standar- disation
Consortium dindustriels Projet europen Association PLC Utilities
Association Association Association AssociationAssociation CEPCA
Alliance PLC Forum IEEE P1901 PLC-JPUA UPA UPLC PLCAHomePlug Opera
STATUTROLEETCOMMISSION
27. Rseaux CPL par la pratique 8 Opera Le consortium Opera
compte trente-six partenaires originaires de divers pays europens
et dIsral. Tous les organismes et associations impliqus dans le
dveloppement de la technologie CPL sont reprsents dans le
consortium, depuis les services publics jusquaux oprateurs de
tlcommunications, en passant par les fabricants de chipsets et de
modems, les industriels et consultants et les universits. Ce
regroupement de prols diffrents et de comptences varies contribue
la russite des objectifs du consortium. Lobjectif stratgique dOpera
est d offrir le service de laccs haut dbit tous les citoyens
europens, en utilisant linfrastructure la plus universelle, le
rseau CPL . Opera effectue pour cela la recherche et le
dveloppement, ainsi que les oprations de dmonstration et de
dissmination au niveau europen, an de vaincre tout obstacle rsi-
duel et de permettre aux oprateurs de CPL de fournir chaque citoyen
europen les services daccs haut dbit un cot concurrentiel. Les
principales missions dOpera sont les suivantes : amlioration gnrale
des systmes CPL basse et moyenne tension (dbit, facilit de mise en
uvre, etc.) ; dveloppement de solutions optimales pour la connexion
des rseaux CPL aux rseaux backbone ; standardisation des systmes
CPL. PUA (PLC Utilities Alliance) La PUA est une alliance cre
Madrid le 21 janvier 2002 autour de services publics europens
desservant plus de cent millions de clients. Ses membres actuels
sont les suivants : EDF (lectricit de France), France Endesa Net
Factory, Espagne Enel Distribuzione, Italie Iberdrola, Espagne EDP
(Electricidade de Portugal), Portugal EEF (Entreprises lectriques
fribourgeoises), Suisse Unin Fenosa, Espagne PLC Forum Le PLC Forum
est un organisme international cr au dbut des annes 2000 partir de
la fusion de deux associations. Il dveloppe ses activits en
coordination avec les autres organismes travaillant sur les
CPL.
28. Introduction CHAPITRE 1 9 Vers une normalisation de la
technologie CPL Toute normalisation est un processus lent. Cela na
rien dtonnant si lon considre quelle exige le consensus des membres
du groupe de travail considr avant de prendre une quelconque
dcision. Si cette dmarche a prouv son efcacit dans la plupart des
domaines industriels, elle est peut-tre moins adapte aux
technologies de linformation, pour lesquelles les standards
devraient viser davantage satisfaire les besoins immdiats. Futur
standard IEEE Dbut juin 2005, le comit de direction de lIEEE a
valid la cration dun projet de stan- dard CPL sous le titre IEEE
P1901 Draft Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium
Access Control and Physical Layer Specications . Le standard
concernera les quipements CPL haut dbit (suprieur 100 Mbit/s au
niveau de la couche physique), dans la gamme de frquences infrieure
100 MHz, et adressera les techniques daccs et les rseaux intrieurs.
Il sattachera en outre dnir les mcanismes de coexistence et
dinteroprabilit entre les diffrents quipements CPL ainsi que la
qualit du service offert et la condentialit des donnes. La
quasi-totalit des acteurs des CPL font partie de ce projet,
notamment ceux rcapituls au tableau 1.1. Tableau 1.1 Principaux
acteurs de la standardisation IEEE des CPL Advanced Communications
Networks SA Ambient Corporation Arkados, Inc. CEPCA Administration
Conexant Systems, Inc. Corinex Communications Corporation Current
Technologies DS2 Duke Power Earthlink HomePlug Powerline Alliance
IBM IBEC (International Broadband Electric Communications), Inc.
Intel Intellon Corporation Itochu Corporation Mitsubishi Electric
Corporation Mitsubishi Materials Corp. Panasonic Corporation
Pioneer Corporation PUA RadioShack Schneider Electric Powerline
Communications SiConnect Sony Corporation Spidcom Technologies
Sumitomo Electric Industries, Ltd Texas Instruments TEPCO Toyo
Network Systems Co., Ltd Universal Powerline Association Xeline
Yamaha
29. Rseaux CPL par la pratique 10 Future norme dinteroprabilit
Pour faire face la multiplicit des spcications et technologies CPL
prsentes dans les rseaux lectriques domestiques, professionnels et
publics, une norme dinteroprabilit est en cours dlaboration. Le
support de communication quest le rseau lectrique tant partag, ces
diffrentes technologies cohabitent sur les cbles lectriques dans
les mmes bandes de frquences. Les diffrents acteurs du CPL
travaillent donc de concert au sein de lIEEE et du CEPCA (Consumer
Electronics Powerline Communication Alliance) an de les rendre
inter- oprables. Avantages et inconvnients des CPL Comme tout
systme viable, les CPL prsentent des avantages par rapport aux
technologies concurrentes, mais galement des inconvnients. Parmi
les inconvnients, citons en premier lieu limmaturit relative des
produits concer- nant loutdoor (rseaux extrieurs) et l access
(rseaux daccs). Dans le cas du haut dbit, le problme est
essentiellement li la compatibilit lectromagntique et au respect
des contraintes dmission. Les principaux avantages des CPL sont les
suivants : utilisation du rseau lectrique existant, ce qui implique
une couverture potentielle de la totalit du pays considr ;
dploiement rapide ; pas de cblage supplmentaire ; mthode de
cryptage robuste.
30. Partie I Thorie des CPL Cette partie traite essentiellement
de la spcication HomePlug. Issue de lalliance industrielle du mme
nom, HomePlug se focalise sur deux axes principaux, la couche
physique, qui soccupe de la transmission de linformation sur le
support lectrique, et la couche liaison de donnes, qui dnit
larchitecture et les mcanismes mettre en uvre pour permettre cette
transmission sur le rseau dans les meilleures conditions possibles.
Depuis la nalisation de HomePlug 1.0, deux nouvelles versions sont
apparues, qui amliorent la vitesse de transmission, la scurit et la
qualit de service. An damliorer la transmission, la couche physique
utilise les meilleurs mcanismes de codage, de modulation et de
correction derreur, offrant de la sorte une excellente connectivit
entre quipements et de bonnes vitesses de transmission. Ces
dernires sont respectivement, pour HomePlug 1.0, Turbo et AV, de 14
Mbit/s, 85 Mbit/s et 200 Mbit/s, permettant aux CPL dentrer en
concurrence avec les rseaux Ethernet et Wi-Fi. La couche liaison de
donnes met en uvre un ensemble de mcanismes permettant lenvoi des
donnes sous forme de paquets IP dans les meilleures conditions tout
en optimisant les performances. Les techniques daccs au rseau que
dnit cette couche rgissent les performances du rseau. Des
amliorations apportes aux versions successives de la spcication
HomePlug ont modi cette couche en vue de permettre une gestion
optimise de la qualit de service via des processus dallocation de
temps de transmission rpartis (TDMA) ainsi quune gestion efcace de
larchitecture rseau des quipements CPL via une hirar- chisation des
trames de donnes. La qualit de service est un lment essentiel de la
transmission de trac en temps rel, telles la voix ou la vido.
Concernant la scurit, la technologie CPL se dmarque de Wi-Fi, en ce
quelle afche une certaine immunit aux attaques du fait de la
difcult daccs au support physique. Cette immunit est encore
renforce par limplmentation de cryptages DES et AES des trames
changes sur le support lectrique ainsi que par des techniques
dintgrit du rseau, qui permettent de grer les quipements autoriss
participer au rseau CPL.
31. 2 Architecture CPL, ou courants porteurs en ligne, est le
nom gnrique dune technologie rseau utili- sant les cbles
lectriques, issue de nombreux travaux de recherche sur les
transmissions de donnes haut dbit sur le support lectrique.
Larchitecture des rseaux CPL est comparable maints gards celle des
rseaux laires, mais galement celle des rseaux Wi-Fi, comme nous le
verrons dans ce chapitre. HomePlug a t la premire spcication CPL
offrir un dbit compris entre 1 et 5 Mbit/s. Elle a en outre
implment de nouveaux mcanismes pour raccorder des quipements rseau,
que nous allons dtailler de manire prcise. Une autre caractristique
de cette spcication est quelle volue en permanence. De nombreuses
amliorations ont permis daccrotre les dbits, qui restent toujours
partags, et dajouter de nombreuses fonctionnalits, comme la qualit
de service ou la scurit. Lalliance HomePlug est pour linstant le
seul standard CPL de fait, mais des projets de standardisation sont
en cours, comme nous lavons vu au chapitre 1, aussi bien au niveau
de lETSI que de lIEEE. Ce chapitre prsente larchitecture gnrale des
rseaux CPL et en dtaille les deux couches essentielles, la couche
physique et la couche liaison de donnes. Architecture des rseaux
lectriques La technologie CPL, en anglais PLC (Power Line
Communications), vise transmettre des donnes sur un cble lectrique.
Ce cble fait donc ofce de support (couche PHY du modle OSI) de la
transmission des donnes. Contrairement dautres supports de
communication, comme les cbles Ethernet, coaxiaux, bre optique,
etc., ce rle de support de transmission des donnes nest pas la
fonction principale du cble lectrique.
32. Partie I THORIE DES CPL 14 Le transport des donnes doit
donc sajouter celui de lnergie lectrique (en France et en Europe
200 V/50 Hz, aux tats-Unis et au Japon 100 V/60 Hz) dans les cbles
permettant dalimenter les quipements lectriques en nergie partir du
rseau public dlectricit. Les rseaux lectriques sont dcoups en
diffrentes catgories selon leur niveau de tension, comme indiqu au
tableau 2.1. Cette classication des rseaux lectriques en niveaux de
tension permet de sparer les rles de chacun des acteurs des rseaux
lectriques en terme de responsabilit sur ces rseaux. limage du
rseau tlphonique commut (RTC) de France Tlcom, le rseau de
distribution lectrique est compos dun central lectrique et dun
rseau de desserte jusqu labonn. Ce rseau sappuie sur une
architecture en toile, chaque branche de ltoile tant le cble
tlphonique reliant labonn au central. Dans le rseau RTC, le central
tlphonique sert daiguilleur entre le trac IP venant des modems des
abonns sur la bande de frquences 20 kHz-1,1 MHz et les
communications tlphoniques classiques sur la bande de frquences 300
kHz- 3 300 kHz. Du point de vue de la modlisation rseau, le central
tlphonique fait ofce de commutateur Ethernet et de routeur IP vers
la liaison plus haut dbit de la dorsale IP (voir gure 2.1). Dans le
rseau de distribution lectrique, appel EGS (lectricit Gaz
Services), du nom de lentit dEDF qui opre la distribution en gaz et
en lectricit de ses 26 millions dabonns, cest le transformateur
MT/BT qui fait le lien entre le rseau MT et les rseaux de desserte
et de distribution, dont chacun alimente en moyenne 200 compteurs
EDF dabonns (voir gure 2.2). Le transformateur MT/BT peut tre vu
comme le concentrateur Ethernet du rseau EGS et comme la passerelle
vers la dorsale IP grce des liens de transit IP haut dbit. Tableau
2.1 Niveaux de tension lectrique Appellation actuelle Ancienne
appellation (toujours dusage) Niveaux de tension usuels en France
HTB Trs Haute Tension (THT) 400 000 V 225 000 V Haute Tension (HT)
90 000 V 65 000 V HTA Moyenne Tension (MT) 20 000 V BT Basse
Tension (BT) 380 V (triphas) 220 V (monophas)
33. Architecture CHAPITRE 2 15 En terme de responsabilit,
chaque partie du rseau lectrique est opre par des entits
distinctes, auxquelles revient la charge de lalimentation et du
transport lectrique, ainsi que, le cas chant, du transport de
donnes pour les rseaux CPL. Figure 2.1 Architecture simplis du
rseau tlphonique commut Figure 2.2 Architecture simplie du rseau de
distribution lectrique Logement abonn 1 Routage IP Central
tlphonique DSLAM Tte de ligne N cbles paires de cuivre Logement
abonn 2 Modem ADSL Prises RJ-11 FT de l'abonn 1 Backbone IP Prises
lectriques du rseau lectrique domestique Transformateur MT/BT Ttes
de colonne montante d'immeuble ou d'habitation Dpart de lignes BT
Rseau MT et HT Lignes lectriques en srie ou en parallles vers les
ttes de colonne montante
34. Partie I THORIE DES CPL 16 La gure 2.3 illustre cette
distinction des responsabilits lgard des diffrentes parties du
rseau lectrique national. Caractristiques du cble lectrique Le
support de communication utilis dans les technologies CPL est le
cble lectrique, qui nest pas, au dpart, conu pour transporter des
donnes, et dont les caractristiques physiques sont avant tout
adaptes au transport du signal 220 V/Hz. Cette section prsente un
certain nombre de ces proprits physiques an de faire mieux
comprendre les capacits (avantages et limitations) quoffre ce
support la transmission de donnes. Impdance Un cble lectrique
prsente une impdance Z (valeur absolue des composantes rsisti- ves,
inductives et capacitives des lments du rseau lectrique), qui, nest
pas xe. Les quipements branchs et dbranchs en permanence sur le
cble lectrique modient limpdance du cble, rendant difcile une
modlisation du support de communication et donc du canal de
transmission. Figure 2.3 Responsabilits des oprations sur le rseau
lectrique Abonn EDF ou rgie lectrique EDF ou rgie lectrique
Collectivits locales Abonn EDF ou rgie lectrique Responsabilit des
oprations sur le rseau Proprit du rseau lectrique RTE RTE Rseau de
transport d'nergie Compteur EDF ou rgie Tte de colonne montante
Transformateur MT/BT Transformateur HT/MT Rseau lectrique
domestique de l'abonn EDF ou rgie lectrique
35. Architecture CHAPITRE 2 17 Par principe, un quipement
lectrique peut tre branch ou dbranch du rseau tout moment,
engendrant une modication de limpdance globale du rseau lectrique.
De plus, cet appareil peut subir une modication de sa propre
impdance en fonction de son mode de fonctionnement, de sa vitesse
de fonctionnement, de son tat de vieillissement, de sa conception,
etc. Des tudes ont montr que limpdance des quipements lectriques BT
varie classiquement entre 10 et 1 k. Capacit et inductance Les
diffrents quipements qui sont connects sur le rseau lectrique ont
chacun une certaine capacit et une certaine inductance vis--vis du
courant lectrique qui circule sur le circuit 220 V alternatif la
frquence de 50 Hz. Linductance (L), aussi appele bobine ou self,
dun circuit ou dun diple lectrique est une valeur qui traduit le ux
dinduction cr par le courant lectrique traversant ce circuit. Le
dplacement de charges lectriques dans un matriau de susceptibilit
magn- tique () non nulle cre un champ magntique (H) et une
induction magntique (B). Dans le cas dun matriau qui se limite une
surface circonscrite, typiquement un cble lectrique, le champ
magntique provenant du courant qui traverse ce circuit cre un ux
dinduction. Linductance peut tre propre au circuit ou mutuelle avec
un autre circuit lectrique. Linductance vis--vis du champ magntique
() et du courant lectrique (I) peut tre exprime par la formule : L
= En rgime sinusodal (cas du courant lectrique 220 V/50 Hz), cette
quation est expri- me en valeurs efcaces par la loi dOhm, en
fonction de la tension (U), du courant lectrique (I) et de la
frquence (f) : L = (exprime en henry) La capacit (C), aussi appele
condensateur ou capacitance, dun circuit lectrique est une valeur
qui traduit lnergie potentielle stocke dans un champ lectrique
constitu de deux plaques conductrices spares se faisant face et de
charge lectrique oppose. Cette nergie potentielle, ou capacit, est
proportionnelle la charge lectrique stocke par le diple lectrique
constitu de ces deux plaques. Cette charge lectrique peut tre
galement exprime en ux lectrique () et associe au potentiel
lectrique entre les deux plaques du diple : C = (exprime en
coulomb) 1 --- U 2fI ----------- V ----
36. Partie I THORIE DES CPL 18 En rgime sinusodal (cas du
courant lectrique 220 V/50 Hz), cette quation est expri- me en
valeurs efcaces par la loi dOhm, en fonction de la tension (U), du
courant lectrique (I) et de la frquence (f ) : C = (exprime en
farad) Limpdance (Z) dun circuit lectrique est compose dune partie
rsistive (R), dune partie inductive (L) et dune partie capacitive
(C), qui le caractrisent compltement du point de vue lectrique. Ces
caractristiques inuent sur le comportement global du rseau
lectrique en fonction des niveaux de courant lectrique circulant
dans ce rseau. Du point de vue informatique, ces caractristiques se
traduisent par une modlisation particulire de la couche physique an
dobtenir la meilleure qualit possible du canal de transmission.
Limpdance peut sexprimer en valeurs complexes par la loi dOhm comme
la somme de ses composantes rsistives, inductives et capacitives, j
exprimant la partie imaginaire dun nombre complexe : Z = R + jL2pf
+ (exprime en ohm pour la valeur absolue) Lensemble des impdances
des diffrents circuits lectriques traverss par le courant lectrique
forme donc un rseau complexe dimpdances en srie et en parallle, qui
peuvent tre connectes et dconnectes en permanence du rseau. De
plus, ces diff- rentes impdances induisent des champs magntiques et
lectriques mutuels, qui se traduisent par des courants lectriques
proportionnels les uns par rapport aux autres. Du point de vue du
canal de transmission, cette caractristique peut se rvler tonnante,
comme nous le verrons. Les caractristiques inductives et
capacitives modiant en permanence le canal de transmis- sion
physique, cela ncessite une optimisation et une consolidation des
techniques de transmission CPL. Bruits et perturbations
lectromagntiques Le canal de transmission rcolte un certain bruit
des diffrents quipements lectriques connects ou proximit du cble
lectrique. Les diffrents types de bruits qui peuvent tre perus sur
et autour du cble lectrique sont les suivants : bruits
impulsionnels dus aux arrts/dmarrages des appareils lectriques ;
bruits blancs large bande, dont la densit spectrale de puissance
est la mme pour toutes les frquences ; I 2fI ----------- 1 C2f
-------------
37. Architecture CHAPITRE 2 19 bruits priodiques plusieurs
frquences ; bruits harmoniques, composs des multiples frquences
utiliss par les quipements lectriques branchs sur le rseau et qui
sont, par exemple, des multiples de 50 Hz (300, 600, etc.). Ces
bruits sont exprims globalement par le rapport signal sur bruit, ou
SNR (Signal to Noise Ratio), gnralement mesur en dcibels (dB). En
plus des bruits sur le support lectrique, les appareils lectriques
connects ou dconnects du rseau lectrique mais proximit du cble
lectrique engendrent un certain nombre de perturbations sur le
canal de transmission. Ce sujet technique fort complexe est appel
CEM (compatibilit lectromagntique), ou EMC (Electro-Magnetic
Compatibility). Du point de vue de la CEM, chaque appareil
lectrique aliment en nergie est gnra- teur de perturbations
lectromagntiques conduites, cest--dire transportes sur le cble
lectrique, ou induites, cest--dire mises dans lenvironnement radio
de lquipement perturbateur. De nombreux groupes de travail du
Cenlec (europen) et de la CEI (international) ont mis en place des
rgles xant les limites des perturbations autorises pour chaque
classe dquipement lectrique, y compris les quipements CPL. De leur
ct, les organismes de standardisation et de normalisation des
tlcommunications ETSI (europen) et ITU (international) travaillent
sur les seuils de perturbation an doptimiser le canal de trans-
mission et les techniques de traitement du signal mettre en uvre
pour obtenir les meilleures performances des CPL. LIEEE travaille
galement sur ces sujets pour optimiser la couche physique du modle
ISO. Le groupe de travail ISRIC (International Special Radio
Interference Committee) Working Group 3 a x les limites de
perturbations autorises des appareils lectriques CPL dans la bande
150 kHz-30 MHz. Les perturbations CEM reues et provoques par les
CPL font lobjet de nombreux autres travaux et tudes en vue
dharmoniser les niveaux dmission de chaque appareil et dobtenir un
canal de transmission efcace avec ces niveaux dmission. Attnuation
De mme que le signal radio subit une attnuation de sa puissance en
fonction de la distance parcourue par les ondes ou que le signal
DSL sattnue le long du cble paires de cuivres du RTC, le signal
lectrique perd de sa puissance en fonction de la distance
parcourue. Il est important de prendre en compte cette
caractristique du cble lectrique pour implmenter un rseau CPL. Nous
dtaillons au chapitre 8 les paramtres congurer
38. Partie I THORIE DES CPL 20 pour offrir les meilleures
performances au rseau CPL, ces dernires variant grandement en
fonction de la porte et de lattnuation du signal. Les diffrences
dimpdances sur le rseau lectrique provoquent des effets tels que
les multitrajets, qui entranent des notches , ou pics damplitude du
signal CPL, importants certaines frquences. Dans un habitat
domestique, lattnuation du signal sur le cble lectrique est de
lordre de 20 60 dB, en fonction de la charge rseau. Lattnuation
minimale de lensemble compteur/disjoncteurs est de 30 dB pour un
qui- pement mettant un signal une frquence suprieure 20 MHz. Pour
les frquences situes en dessous de 20 MHz, la valeur moyenne de
lattnuation est denviron 50 dB. Un coupleur CPL de bonne qualit
permet toutefois de rduire lattnuation de 10 15 dB pour certaines
frquences. La frquence du signal dun modem HomePlug 1.0 tant
comprise entre 4 et 25 MHz, la densit spectrale de sa puissance est
de 50 dBm/Hz. Nous reviendrons sur les cons- quences de cette
valeur au chapitre 8. Le tableau 2.2 rcapitule quelques valeurs
dattnuation pour les principaux quipements du rseau lectrique. Les
diffrences mesures effectues indiquent que, dans un rseau de
distribution basse tension, lattnuation moyenne du signal est de
lordre de 50 dB/km. Tableau 2.2 Attnuation des principaux
quipements lectriques dun rseau lectrique quipement lectrique
Attnuation Commentaire Compteur lectromcanique 15 dB Les compteurs
lectromcaniques attnuent le signal CPL mais ne le bloquent pas, si
bien que le signal CPL se pro- page hors du rseau lectrique priv.
Compteur lectronique 15 dB Idem Disjoncteur 5 dB Sil traverse un
trop grand nombre de disjoncteurs pour relier deux quipements CPL,
le signal CPL risque dtre trop att- nu. Multiprise 10 dB La qualit
de fabrication de la multiprise inue normment sur lattnuation. Il
faut donc viter de brancher les quipe- ments CPL sur des
multiprises. Compteur lectronique + disjoncteurs 20 30 dB Lensemble
compteur + disjoncteurs nattnue pas assez le signal pour empcher
quil se propage hors du rseau lec- trique priv dun appartement ou
dune entreprise. Compteur lectromcanique + disjoncteurs 30 dB
Au-dessus de 20 MHz 50 dB En dessous de 20 MHz
39. Architecture CHAPITRE 2 21 Couplage entre phases Un signal
lectrique alternatif haute frquence circulant dans un cble
lectrique provoque un champ lectromagntique, appel couplage,
proximit de ce cble. Le couplage est appel diaphonique lorsque
linduction concerne deux cbles dun mme rseau lectrique et
tellurique lorsquelle seffectue entre des cbles de deux rseaux
lectriques diffrents. Rponse frquentielle Selon la nature des cbles
lectriques (matriau, constitution, ge, etc.), la rponse du cble,
cest--dire sa capacit propager le signal, aux signaux HF diffre
notablement. Nous dtaillons les consquences de cette caractristique
sur la mise en place dun rseau CPL au chapitre 8 et montrons
comment la prendre en compte dans le choix de la topologie rseau et
celui des cbles lectriques. Sensibilit des interfaces Les
quipements lectriques sont constitus dinterfaces analogiques, qui
permettent leur couplage au support lectrique (inductif ou
capacitif). Dans le cas des CPL, ces interfaces permettent en outre
la transmission du signal numrique sur les cbles lectriques. Selon
les composants lectroniques utiliss, linterface analogique prsente
une certaine sensibilit , qui inue sur sa capacit transmettre le
signal CPL sans trop de dgra- dation. Cette sensibilit est modlise
par une impdance entre le cble lectrique et les circuits numriques
de lquipement. Modlisation des rseaux lectriques La modlisation dun
rseau lectrique permet danticiper les phnomnes qui se produi- sent
lors de la transmission des donnes (perturbations, perte de liens,
etc.) et den proposer une reprsentation susceptible daider
lingnierie du rseau. La modlisation des rseaux lectriques, quils
soient domestiques, dentreprise ou publics (dans le cas des rseaux
de distribution lectrique) est un sujet technique difcile, qui
exige de prendre en compte de nombreux paramtres (topologie, nature
des cbles, perturbations, quipements branchs sur le rseau, heures
de la journe, etc.). Comme il nexiste pas doutil de modlisation
complet des rseaux lectriques, ling- nierie des rseaux CPL de
tlcommunications se limite modliser la couche physique de transport
du signal CPL. Les mesures effectues sur les rseaux lectriques ont
permis de quantier limpdance moyenne dune ligne lectrique dans les
frquences hautes du type de celle utilises par les quipements
CPL.
40. Partie I THORIE DES CPL 22 La gure 2.4 illustre la courbe
de limpdance exprime en ohm (impdance en valeur absolue) en
fonction de la frquence. Cette impdance varie de 50 150 ohms pour
les frquences des CPL. Les travaux de Nicholson et Malak ont permis
dexprimer limpdance moyenne dune ligne lectrique par la formule :
Zc = O L = mH/m (inductance linaire de la ligne lectrique) C = mF/m
(capacitance linaire de la ligne lectrique) Les travaux de Downey
et Sutterlin ont permis de modliser le circuit lectrique qui-
valent dune ligne lectrique. Ce circuit, compos de rsistances,
dinductances et de capacitances peut tre schmatis comme illustr la
gure 2.5. Figure 2.4 Impdances moyennes dune ligne lectrique en
fonction de la frquence Frquence Impdance (ohm) 20 kHz 100 kHz 1
MHz 10 MHz 30 MHz 10 100 500 L C ----
41. Architecture CHAPITRE 2 23 Limpdance dune ligne lectrique
est dcrite par lquation suivante : Z = R() + s L (exprime en ohm) o
R est la rsistance du cble lectrique en fonction de la frquence du
signal qui se propage dans le cble, s la section du cble lectrique
et L linductance de la ligne lectrique. Limpdance dpend de la
charge branche sur la ligne lectrique, cest--dire des qui- pements
lectriques (tels que schoirs lectriques, lampes halognes, etc.)
branchs sur le rseau, avec leur impdance propre. Ces lments de
modlisation des rseaux lectriques permettent de donner des ordres
de grandeur des valeurs caractristiques des rseaux lectriques
inuant sur le transport des signaux CPL. Modlisation des quipements
lectriques sur le rseau De la mme manire quil est difcile de
modliser des rseaux lectriques, il est difcile de modliser les
quipements lectriques branchs sur le rseau lectrique. Ces qui-
pements de toutes sortes sont en effet branchs et dbranchs de
manire alatoire, modiant la charge du rseau en permanence. De plus,
les caractristiques de ces quipements changent au cours de leur
vie, des heures de la journe, de leur frquence dutilisation, etc.,
rendant parfois peu able cette mod- lisation. lexception dEMTP, qui
permet de modliser lensemble dun rseau lectrique avec ses diffrents
cbles en fonction de la topologie, il nexiste gure doutil
susceptible de faciliter lingnierie et la comprhension des
comportements des signaux CPL sur les cbles lectriques. Le Cenlec
travaille toutefois la mise au point dun projet destin faciliter la
mod- lisation des rseaux lectriques domestiques. Figure 2.5 Circuit
schmatique dune ligne lectrique selon le modle de Downey et
Sutterlin R/m L/m C/m - 23 pF/m Charge branche sur le rseau
lectrique
42. Partie I THORIE DES CPL 24 Architecture mdia partag Nous
verrons aux chapitres 10, 11 et 12, consacrs linstallation de
rseaux CPL domestiques, dentreprise et de collectivits locales, que
les topologies des rseaux lectriques peuvent tre vues comme des
mdias partags entre tous les quipements au travers desquels se
propagent les diffrents signaux CPL transportant les donnes changes
entre les terminaux dun rseau local. Nous distinguons dans cette
section les rseaux dits publics , qui fournissent llectri- cit aux
particuliers, entreprises et collectivits, et les rseaux dits privs
, constitus par les rseaux de distribution de llectricit dun
btiment depuis les compteurs jusqu lensemble des prises du btiment.
Nous verrons que la notion de mdia partag est quivalente pour ces
deux types de rseaux. Rseaux publics On appelle rseau lectrique
public, un rseau de distribution qui alimente les btiments,
appartements, immeubles et entreprises dun quartier, dune
agglomration ou dune collectivit locale. Ce rseau est public dans
la mesure o quiconque peut souscrire un abonnement pour tre aliment
par la rgie lectrique locale ou par un fournisseur tel quEDF. La
gure 2.6 illustre schmatiquement un rseau lectrique public
alimentant six comp- teurs lectriques, derrire lesquels se trouvent
des quipements CPL connects au rseau Figure 2.6 Rseau lectrique
public et mdia partag Rseau lectrique public Rseau lectrique priv
Signal CPL
43. Architecture CHAPITRE 2 25 lectrique priv de lhabitation.
Selon les types de topologie du rseau lectrique public (toile,
anneau, etc.), le mdia est plus ou moins partag entre tous les
compteurs en fonction des ramications du rseau. Sur cette gure,
deux ramications lectriques aboutissent plusieurs compteurs et aux
qui- pements CPL. Le signal CPL se propage entre les diffrents
quipements connects au rseau lectrique tout le long de ces
ramications, incluant les ensembles compteur + disjoncteurs, aux
attnuations du signal prs. Cela permet de voir le rseau lectrique
comme un bus de donnes, auquel les quipements CPL sont connects de
part et dautre. Rseaux privs Un rseau lectrique priv se situe
derrire le compteur dalimentation du rseau lectrique public et ne
concerne, en terme de responsabilit, que les occupants de
lhabitation (appartement, maison, bureau, usine, etc.). La
topologie de ce type de rseau, contrairement celle des rseaux
lectriques publics, ne dispose pas de rgles dingnierie bien dnies
et peut tre spcique chaque instal- lation (ajout de parties de
rseau ou de tableaux lectriques, topologie en srie, etc.).
Nanmoins, toutes les ramications du rseau partent gnralement de
lensemble compteur + tableau lectrique, et le signal CPL circule
dans lensemble des ramications en repassant par le tableau
lectrique. La gure 2.7 illustre un exemple de rseau lectrique
simpli, avec trois ramications depuis le tableau lectrique. droite
de la gure, le signal CPL se propage entre les diffrentes prises an
de connecter les quipements CPL. Cet exemple montre que le rseau
lectrique priv peut tre vu comme un mdia partag de type bus de
donnes. Figure 2.7 Rseau lectrique priv et mdia partag Signal
CPL
44. Partie I THORIE DES CPL 26 Analogie avec le concentrateur
rseau Les deux exemples prcdents de rseaux lectriques public et
priv dmontrent que tout type de rseau lectrique peut tre vu comme
un vaste bus de donnes sur lequel se connectent les quipements CPL
du rseau. En terme dquipement de tlcommunications, lanalogie la
plus vidente est celle dun concentrateur, ou hub, dont les
diffrents quipements CPL connects au rseau lectrique
reprsenteraient les diffrents ports Ethernet. La gure 2.8 illustre
schmatiquement cette analogie. Notions de rpteurs Comme nous le
verrons au chapitre 7, ddi aux quipements CPL, il peut tre
ncessaire de rpter le signal an dagrandir sa zone de couverture et
de connecter davantage dquipements. Lorsque le signal CPL est trop
attnu pour pouvoir tre interprt par les quipements CPL du rseau,
lquipement rpteur le ramplie et le rgnre le long du cble lectrique.
Il existe deux types de rpteurs de signal permettant dagrandir la
couverture rseau : Les rpteurs physiques , qui amplient rellement
le signal et le rmettent le long de la ligne lectrique. Cette
rptition est dite physique , car elle intervient sur le signal
physique lui-mme et non sur les trames logiques. Ce type de rpteur
ne diminue donc pas la bande passante de lensemble du rseau CPL.
Figure 2.8 Analogie des rseaux CPL avec un concentrateur rseau
Ports Ethernet Ports Ethernet
45. Architecture CHAPITRE 2 27 Les rpteurs logiques , qui
rptent le signal au niveau des trames de donnes. Ce type de rpteur
est constitu de deux quipements CPL relis par leur interface
Ethernet, lun des quipements tant connect un segment du rseau
lectrique et lautre au segment du rseau lectrique inaccessible par
le signal CPL du fait dune attnuation trop importante. Ce type de
rpteur divise par deux la bande passante de lensemble du rseau CPL
puisquil produit deux rseaux logiques distincts sur le mme rseau
lectrique. Architecture en couches Le modle OSI (Open Systems
Interconnection) en couches offre une base commune la description
de tout rseau informatique. Ce modle comporte sept couches, dont
chacune dcrit un protocole indpendant des autres couches et fournit
un service la couche sup- rieure et demande des services de la
couche infrieure. Dans le cadre de ce modle, les rseaux CPL se
situent au niveau des couches 1 (physique) et 2 (liaison de donnes)
pour fournir un service de connexion Ethernet aux couches
suprieures. La gure 2.9 illustre la place des technologies CPL dans
le modle OSI. La couche 1 (physique) est constitue logiquement par
le cble lectrique sur lequel circule le signal Figure 2.9 Place des
technologies CPL dans le modle OSI Cble lectrique Signal CPL
Adresse IP Applications rseau Ports TCP Modle OSI Application
Prsentation Session Transport Rseau Liaison de donnes Physique
Adresse MAC Adresse MAC
46. Partie I THORIE DES CPL 28 CPL. Lquipement CPL fournit un
terminal (classiquement un PC) un service de connexion Ethernet au
niveau de la couche 2 (liaison de donnes) au moyen dun adres- sage
MAC et dune connectique RJ-45. Le terminal utilise les services du
rseau CPL pour accder aux services des couches suprieures (IP, TCP,
HTTP, etc.). La couche physique La couche physique des technologies
CPL est constitue par le cble lectrique et plus gnralement par les
rseaux lectriques. La technique utilise pour transporter le signal
CPL sur ce support consiste ajouter aux 220 V/50 Hz du circuit
lectrique un signal modul de faible amplitude autour dune frquence
centrale dite frquence porteuse F. La couche physique consiste en
ce signal modul (nous dtaillons les techniques de modulation au
chapitre 3) de faible amplitude, transport sur les cbles lectriques
une frquence dtermine par la technologie CPL considre et la
rglementation en vigueur. La gure 2.10 illustre la somme des
signaux CPL et 220 V/50 Hz qui se superposent sur les cbles
lectriques pour constituer la couche physique des rseaux CPL.
Figure 2.10 Somme du signal CPL modul et du signal lectrique 220
V/50 Hz Signal CPL (signal modul en AM, FM ou PM avec porteuse F)
Signal 220 V/50 Hz Cble lectrique
47. Architecture CHAPITRE 2 29 Les bandes de frquences Le
signal CPL tant un signal modul en amplitude, frquence ou phase
autour dune frquence porteuse F, il est ncessaire de mettre en
place des rgles dutilisation de chaque bande de frquences entre 0
et quelques dizaines de gigahertz par le biais dorga- nismes de
rgulation nationaux ou europens. Deux bandes de frquences sont
alloues aux technologies CPL : 3 148 kHz pour les CPL dits bas dbit
; 2 20 MHz pour les CPL dits haut dbit. La gure 2.11 illustre la
place des frquences CPL relativement dautres technologies rseau.
Figure 2.11 Bandes de frquences utilises par les rseaux CPL Digital
Radio Mondiale (radio ondes courtes numriques) 3 K 0 175 Hz 3 K 148
K 162 K 252 K 1 M 2 M 30 M 87 M 108 M 2,4 G 2,483 G 5,15 G 9 K 95 K
125 K 140 K 148 K 4,3 M1,6 M 20,9 M 30 M f f F(Hz) A B C D Bandes
de frquences Cenlec Exemples de technologies CPL haut dbit dans la
bande de frquences 1,6-30 MHz HomePlug 1.0 CPL MT Access Pulsadis
CPL bas dbit AM FM Wi Fi Wi Fi CPL haut dbit Amateurs et DRM Micro
sans fil (32 MHz) Bande ISM (868 MHz) GSM (900 MHz et 1,8 GHz)
48. 3 Fonctionnalits Ce chapitre prsente les fonctionnalits des
rseaux CPL. Les technologies utilises dans ces rseaux sont assez
simples pour tre intgres sur une puce unique et permettre la
ralisation de composants trs bas cot. Elles resteront dactualit
jusqu larrive de nouvelles interfaces CPL permettant daugmenter le
dbit des quipements. Les fonctionnalits des CPL tirent parti de
nombreux dveloppements technologiques des rseaux xes, notamment
lADSL, Wi-Fi, Ethernet, etc. La composante lectrique des CPL
ncessite pour sa part de recourir des technologies permettant de
abiliser le lien CPL, qui constitue le principal point faible de ce
type de rseau. Les principales fonctionnalits des CPL sont les
suivantes : Le mode rseau, qui permet de grer lorganisation du
rseau et les communications entre les diffrents quipements CPL. Le
mode de gestion des trames CPL, notamment la fragmentation et le
rassemblage, qui permet de pallier le problme de la transmission
dimportants volumes de donnes. La technique daccs au mdia, qui
inclue la synchronisation des quipements du rseau et la gestion des
priorits. La qualit de service, qui autorise la transmission des
donnes de type voix ou vido dans les environnements CPL.
49. Partie I THORIE DES CPL 32 Fonctionnalits du mode rseau Une
des fonctionnalits importantes des rseaux CPL est le mode rseau,
qui permet de grer lensemble des quipements CPL dun mme rseau. Un
rseau tant, par dnition, constitu de plusieurs quipements qui
changent des donnes, il est ncessaire de mettre en place une
gestion de ces changes an quils soient organiss et optimiss. Il
existe plusieurs manires dorganiser un rseau. Les diffrentes
technologies CPL utilisent un des trois modes rseau suivants : Mode
matre-esclave. Peut tre compar un rseau IP de type client-serveur,
dans lequel un quipement matre gre les changes entre les quipements
CPL du rseau. Les esclaves peuvent schanger des donnes entre eux
selon la gestion du matre. Mode pair--pair. Peut tre compar un
rseau IP de type peer-to-peer, o tous les quipements CPL du rseau
jouent le mme rle et ont le mme niveau hirarchique. Ces quipements
peuvent changer les uns avec les autres sans tre contrls par un
quipement matre. Mode centralis. Mlange des deux prcdents, dans
lequel un quipement centralisa- teur est responsable de la gestion
du rseau et des changes entre quipements CPL. Les autres quipements
peuvent galement changer entre eux sans avoir passer par le
centralisateur. Les principaux avantages et inconvnients de ces
trois modes sont rcapituls au tableau 3.1. Tableau 3.1 Avantages et
inconvnients des modes matre-esclave, pair--pair et centralis Mode
Avantage Inconvnient Matre-esclave Administration centralise Rle de
passerelle pour le rseau CPL Gestion des niveaux de QoS (TDMA)
Gestion des rles de chaque quipement Hirarchisation des rseaux CPL
et IP Supervision du rseau facilite Besoin de redondance Points de
faiblesse en matire de scurit Encombrement possible de la bande
passante Conguration plus complexe Pair--pair Distribution de la
bande passante Distribution des tables de routage CPL au niveau
physique Facilit de dploiement Pas de hirarchisation du rseau
Faible dnition de la passerelle CPL Centralis Administration
centralise Seul le trac dadministration passe par le coordinateur.
Point de faiblesse sur le centrali- sateur Besoin du coordinateur
pour la gestion des trames TDMA
50. Fonctionnalits CHAPITRE 3 33 Le mode matre-esclave Le mode
matre-esclave permet dutiliser la logique du rseau lectrique compos
dun compteur lectrique en tte de rseau, considr comme un matre du
rseau lectrique, et de ses disjoncteurs et dparts, considrs comme
des esclaves de ces disjoncteurs , sur lequel sappuie le rseau CPL
pour son support physique, et de placer lquipement dit matre sur la
partie en tte de rseau et les quipements esclaves sur les diffrents
brins du rseau. Dans le cas de rseaux CPL sur les rseaux lectriques
MT ou BT publics, les principales fonctionnalits attendues du matre
sont les suivantes : Gestion des connexions scurises des diffrents
quipements esclaves. Chacun des quipements appartient un rseau
logique priv, grce un canal de connexion ddi sur le support
lectrique, qui fait ofce de support partag. Les trames CPL
circulent donc librement sur les diffrents brins du rseau
lectrique. Gestion de la qualit de service (QoS) des liens
physiques CPL entre les esclaves et le matre par le biais de
diffrentes mthodes danalyse du niveau physique (niveau signal sur
bruit dans chaque sous-bande de frquences, calcul des nombres de
bits/Hz transmissibles, etc.). Cette gestion de la QoS est assure
par une table de qualit des diffrents liens, situe au niveau du
matre CPL. Possibilit de crer des VLAN ou des liens interquipement
esclaves via une adminis- tration centralise des cls de cryptage
aux niveaux physique et ventuellement logique. Supervision des
quipements an dintgrer des outils dadministration rseau IP (de type
pile SNMP) en amont du rseau CPL selon une architecture plus
complte de rseau IP. Gestion de la redondance avec dautres
quipements matres. Lquipement matre intgre ainsi toute
lintelligence du rseau CPL, offrant une gestion optimise de
larchitecture via des interfaces embarques ou dportes, accessibles
depuis des protocoles standards, gnralement HTTP ou IP, avec des
piles SNMP mises jour en permanence en fonction des uctuations du
rseau lectrique. Pour le cas des rseaux CPL sur les rseaux
lectriques BT domestiques (appartement, maison, PME, hpital, htel,
cole, etc.), les fonctionnalits attendues des diffrents quipements
CPL matres il peut y en avoir plusieurs sur le rseau lectrique an
de constituer une architecture logique distincte ou de rpter les
signaux CPL sont les suivantes : Gestion des niveaux de qualit des
liaisons CPL entre les quipements esclaves et lquipement matre,
ainsi quentre quipements esclaves.
51. Partie I THORIE DES CPL 34 Gestion de la QoS par le biais
des paramtres de bande passante utile (au niveau de la couche TCP),
de la jitte et de la latence. Gestion de connexions scurises au
moyen de cls de cryptage pour chaque rseau logique an dassurer un
isolement logique de chaque quipement CPL esclave, par exemple,
dans une architecture dhtel ou de rsidence universitaire. Cette
fonctionna- lit permet de dtecter automatiquement des quipements
nouvellement branchs ou les quipements dj branchs. Gestion de la
redondance entre quipements matres an de garantir le bon fonction-
nement de lensemble de larchitecture CPL des dbits atteignant 200
Mbit/s, et davantage encore dans les annes venir, au niveau
physique. Le tableau 3.2 rcapitule les principales fonctions
attendues de lquipement CPL matre et les solutions techniques
correspondantes. Le mode pair--pair La thorie des rseaux de
tlcommunications sest beaucoup appuye sur le principe de la
hirarchisation des quipements rseau. Ce principe a t remis en cause
avec lavne- ment des architectures de type ad-hoc, que ce soit dans
les rseaux sans l ou les rseaux dchange de chiers sur Internet,
dits peer-to-peer, ou pair--pair. Les rseaux dcentra- liss offrent
de nombreux avantages par rapport aux rseaux hirarchiss ou en mode
matre-esclave. Dans larchitecture CPL en mode pair--pair il