Stratégies Télécoms & Multimédia

1 - Historique de la technique

Depuis 1897, les industriels ont tenté de mettre au point des systèmes de transmission numérique sur les lignes de puissance électrique. Les techniques à bas débit développées autrefois (X-10, CEBus, LonWorks, BatiBus, etc.) sont encore utilisées pour le besoin d’automatismes à l’intérieur des bâtiments professionnels. La technologie "Courant Porteur en Ligne" (CPL) est utilisée depuis 50 ans, pour le transport des informations à bas ou haut débit sur le réseau électrique public (télécommande de relais d’éclairage public). Depuis une dizaine d’années, plusieurs expérimentations sous protocole IP ont déjà eu lieu (Digital Power Line ou Power Line Carrier ou PowerLine Communications, PLC). Elles ont montré qu’un certain nombre de solutions relatives au canal de transmission, à la modulation et au codage retenus, à la couche MAC mise en place, aux normes relatives au réseau de distribution basse tension et celles du réseau domestique devaient être prises en cohérence afin d’éliminer les parasites industriels et assurer une bonne qualité de service.

Le respect des normes européennes CE et CEM est indispensable pour une utilisation en toute sécurité des produits courants porteurs. Le câblage électrique n’ayant pas été conçu pour transporter des signaux hautes fréquences, il est nécessaire de prendre en compte les effets induits par ce support pour assurer une bonne transmission des signaux hautes fréquences qui portent les données. L’effet antenne que provoque le transport des hautes fréquences peut en effet, par rayonnement, perturber les communications de radio amateur ou militaire. Toute la subtilité consiste donc à en atténuer la puissance tout en assurant un débit suffisant pour l’utilisateur. Pour répondre à ces contraintes, l’expertise dans le domaine du traitement et du couplage de signal différent sur un même média est primordiale.

La technologie CPL consiste à superposer au signal 50 Hz qui sert à véhiculer l’énergie électrique, un signal à plus haute fréquence et de faible énergie sur lequel transiteront les données numériques. Celui-ci se propage sur le réseau électrique et peut être récupéré sur chaque prise. Un signal CPL est reçu par tout récepteur CPL qui se trouve sur le même réseau électrique et qui va éliminer les composantes basses fréquences du signal pour ne conserver que les hautes fréquences et les traiter. Le marché CPL se décline donc en deux réalisations : le "Indoor" (au sein de la résidence ou du lieu professionnel) et le "Outdoor" (le réseau d’accès), le compteur électrique définissant la frontière.

2 - Le canal de transmission

2.1 – En transmission externe (outdoor)

Dans les pays qui ont déployé des réseaux de distribution de puissance électrique, mais qui ne disposent pas de fortes infrastructures en télécommunications, il est tentant d’utiliser les premiers pour distribuer des flux numériques derrière le transformateur moyenne tension. Le réseau de distribution électrique dessert trois milliards de foyers utilisateurs, mais avec des mises en œuvre effectuées selon des normes nationales différentes. Le principe général retenu consiste à délivrer la puissance électrique derrière un filtre passe bas qui sert de protection afin de transmettre la voix, la vidéo et les données jusqu’à 2 ou 10 Mbit/s sur une bande de fréquences comprise entre 30 kHz à 1 MHz, par exemple. La bande de fréquences 5 à 30 MHz offre également des possibilités de transport plus stable et moins perturbé. Des niveaux différents de bruit et des impédances variables sont enregistrés au cours de la journée, provoqués par des commutations d’équipements de réseau. Les diaphonies et les bruits, souvent forts et variables, dépendent de l’usage global du réseau et de l’état de la distribution entre le transformateur et l’appartement. En Europe, le courant électrique est distribué sous 220 volts par grappe de 100 à 300 foyers, ce qui est favorable sur le plan économique. Aux Etats-Unis, la tension de distribution est de 110 volts et concerne des grappes de 10 foyers, d’où un modèle de distribution de données peu économique.


2.2 – En transmission intérieure (indoor)

Les solutions CPL sont des solutions idéales pour étendre un réseau local, partager l’accès Internet haut débit existant dans une maison ou une entreprise. Cette technologie présente dans toutes les pièces ne nécessite pas de nouveau câblage. Il suffit de placer un adaptateur dans la prise de courant pour recevoir les hauts débits. Un système de cryptage des données peut être associé (par exemple, un DES à 56 bits ou AES 128 bits). L’échange de l’information numérique au sein du réseau domestique peut s’effectuer à un débit supérieur à celui du réseau d’accès.

7 - Type de réseau domestique associé

La difficulté consiste à obtenir une convergence des couches inférieures du réseau externe avec celles du réseau domestique, pour toutes les applications désirées. Or, il n’est pas seulement question de faciliter l’accès vers Internet et la distribution (ou l’agglomération) des flux entrants (ou sortants), car les utilisateurs ont des objectifs différents en ce qui concernent les applications (voix, données, images, applications professionnelles, etc.). La confidentialité des messages est aussi un critère important. Les différents systèmes domestiques actuellement disponibles ont des caractéristiques et des objectifs assez différents, comme le résume le tableau suivant.

Il existe deux classes de systèmes, ceux en bande étroite qui sont sujet à réglementation pour les automatismes d’immeubles (jusqu’à 500 kHz), et ceux en large bande pour les LAN (de 1 à 30 MHz) qui ne sont soumis qu’aux règles de la diffusion radioélectrique. Les industriels respectent la réglementation des signaux CPL dans la gamme des signaux radio fréquences (entre 1,7 et 88 MHz), les équipements devant fournir la portée maximum avec le minimum de puissance. La compétition est vive afin de satisfaire les demandes des ISP dans toute la gamme des applications du multimédia interactif.


8 – Mise en oeuvre

Les principaux points à résoudre concernent la portée du système, le partage des flux de données entre les utilisateurs desservis par le même transformateur électrique et l’identification des applications distribuées. L’allocation de débit par abonné peut être effectuée de façon dynamique. Le système de gestion de réseau doit assurer la sécurité. La distance à couvrir limite le débit disponible. Le transfert des données sous IP dans l’arborescence du réseau électrique astreint à donner une numérotation des abonnés différente de celles des réseaux IP classiques. Aussi, une traduction d’adresse est nécessaire pour tous les échanges de paquets dans les deux sens de transmission, ce qui alourdit les procédures.

9 – Evolution de la normalisation et réalisations

9.1 – Premiers réseaux

Divers industriels (dont Siemens, Nortel, RWE Powerline, etc.) ont abandonné les anciennes modulations proposées. D’autres ont conçu un système plus stable et plus fiable reposant sur la technique OFDM, après définition de nouvelles normes (NB30 en Allemagne). En Allemagne, 22 villes disposent de connexions en fibre optique à 155 Mbit/s en ATM, qui sont diffusées sur la base de 2 Mbit/s par foyer et d’une ligne téléphonique sur ligne de puissance. Trente pays ont déjà expérimenté le système Power Line Telephony. En France, quelques milliers d’utilisateurs reçoivent par cette technologie entre quelques centaines de kbit/s à 15 Mbit/s par foyer. L’intérêt majeur de la prolongation de ces études est soutenu par la compétition entretenue autour des réseaux locaux domestiques et du développement des services domestiques (Domestic Appliances) soit par utilisation de câblages domestiques, soit par l’emploi de techniques radioélectriques. Les prix, par rapport à ceux pratiqués pour l’ADSL, les modems câble et les liaisons radio à courte distance (NFC) stimulent les recherches. Le marché s’oriente vers les applications liées aux réseaux domestiques, d’abord sur les véhicules, ainsi que pour l’habitat (du type écoles, hôpitaux, résidences, etc.).

De son côté, la société française LEA, associée à Legrand et ST Microelectronics, a mis en œuvre la modulation OFDM entre 2 et 30 MHz, choisie par HomePlug, pour distribuer à l’intérieur des appartements les flux numériques, soit sur les prises de courant ordinaires équipées d’adaptateur et de filtres, soit sur de nouvelles prises. Les hôtels et les parties communes d’immeubles peuvent de la même façon bénéficier de ce partage des hauts débits (12 Mbit/s par prise, ou plus) sans avoir à repasser des câbles nouveaux ou à subir les dommages créés par les parasites radioélectriques de diverse nature. Les abonnés peuvent partager le débit de leur connexion ADSL entre le décodeur de la télévision et l’équipement d’adaptation (la Box) à travers la distribution de l’installation électrique de leur résidence. La cible des consommateurs s’élargit et la demande s’oriente vers la convergence numérique et multimédia.

Les produits CPL à 85 Mbit/s répondent aux besoins actuels en haut débit voix/données/vidéo dans l’habitat, en attendant la disponibilité des composants à 200 ou 500 Mbit/s nécessaires à la convergence multimédia et domotique.

9.2 – Le projet Opera

Lancé à l’initiative de plusieurs régies de fourniture d’électricité, la seconde phase du projet européen Opera (Open PLC European Research Alliance) vise à la réalisation d’un système d’accès pour communication numérique à 200 Mbit/s sur lignes de distribution de puissance électrique, sur la base de la technologie de la société espagnole DS2, en utilisant la modulation OFDM. Le débit de 224 Mbit/s, utilisable sur quelques centaines de mètres, est partagé entre les utilisateurs, derrière le transformateur basse tension. Le déploiement économique des applications sur réseaux électriques, tels que l’accès à Internet à haut débit, l’apprentissage à distance, la téléphonie sur protocole IP, l’habitat intelligent, la vidéo sur IP (IPTV sur CPL), etc. fait partie du projet.

9.3 – Les travaux de normalisation

Trois domaines sont distingués : le réseau d’accès (entre le transformateur basse tension et l’entrée au domicile), la signalisation multimédia et énergétiques et la partie domestique (In-Home). L’interopérabilité des équipements doit être définie par la norme. Trois techniques concurrentes, visant le transport des flux numériques à l’extérieur et à l’intérieur des résidences, s’affrontent : le MoCA, le HomePlug Alliance et le DS2.
• "L’Alliance pour le multimédia sur coaxial" (Multimedia over Coax Alliance, MoCA), dont la norme version 1.1 atteint les 175 Mbit/s, tient les normes de qualité de service demandée pour la distribution télévisuelle par câble coaxial.
• Le groupe HomePlug Alliance a ratifié les normes HomePlug AV et HomePlug 1.0. Le groupe de travail P1901 de l’IEEE a rédigé un cahier des charges sur le CPL. La norme s’appuie sur les couches PHY et MAC pour les fréquences inférieures à 100 MHz et pour les débits supérieurs à 100 Mbit/s, sur la base de la norme HomePlugAV (Green Version).
• Les spécifications du DS2 ont été rédigées par l’association UPA (Universal Powerline Association), pour le raccordement d’accès sur la ligne locale électrique (norme européenne Opera pour un CPL à 200 Mbit/s) et pour les réseaux personnels. Mais les débits proposés (95 Mbit/s) sont assez peu performants en qualité de service. L’UPA travaille sur une nouvelle norme qui sera disponible ultérieurement.
• L’UIT-T a adopté une norme de portée générale à 1 Gbit/s (G.8080) pour tout support en paires métalliques, appelée "G.hn" (pour home networking). Les divergences de vues entre groupes industriels sur ce qui concerne le réseau d’accès (DS2 avec des applicatifs à 280 et 400 Mbit/s, et projets Pansonic, HomePlug ou Mitsubishi) et réseau domestique (projets HomePlug et Panasonic) devraient progressivement se résoudre.

9.4 - Réalisations commerciales

L’Alliance HPPA (HomePlug Powerline Alliance) a élargi son audience technologique auprès des industriels. Ces derniers estiment en effet que lorsque la mise en place d’un équipement de communication se limite à un simple branchement sur une prise de courant, sa clientèle potentielle est forte. La transmission de signaux télévisuels en haute définition est possible jusqu’à 200 Mbit/s, ce qui permet également d’utiliser le réseau électrique domestique comme un réseau local (LAN) pour des émissions télévisuelles. De nouveaux industriels ont rejoint l’Alliance, pour l’étude des applications relatives à la sécurité, à la grille de calcul "Grid Net", et des communications cellulaires.

La société Linksys, filiale de Cisco, a industrialisé des adaptateurs conformes aux normes de l’Alliance HPPA, de sorte que l’Ethernet du réseau local peut être prolongé sur un autre équipement par l’intermédiaire du circuit d’alimentation. Deux réalisations de ce type ont été commercialisées, l’une "Turbo" qui convient à des débits plus faibles, et la version "AV" qui répond aux besoins de la télévision à haute définition et des jeux vidéo.

La société Devolo AG est devenue en trois ans, le leader en technologie CPL avec plus de 70% de parts de marché en Europe, selon GfK. La gamme des produits Devolo, basée sur la technologie CPL HomePlug AV et réalisée avec les composants d’Intellon, répond à toutes les exigences des professionnels. L’adaptateur Devolo permet de naviguer en IP sans fil dans chaque pièce de la maison, à 500 Mbits/s dans le réseau électrique local et à 54 Mbits/s dans un réseau Wi-Fi. Il offre la possibilité de configurer et de gérer un réseau local complet de produits CPL à partir d’une adresse de la Toile ou via SNMP. Pour assurer la protection des données, le chiffrement selon la méthode AES 128 bits (Advanced Encryption Standard) est possible. La fonction Qualité de Service (QoS) permet d’attribuer le débit en fonction des priorités de trafic de données, jusqu’à 200 Mbits/s avec une qualité maximale des données vocales et vidéo. La portée de 200 mètres entre adaptateurs permet de desservir toute la maison avec un débit élevé.

Darty propose un service télévisuel sur CPL à 200 Mbit/s, appelé "DartyBox", optimisé pour la vidéo en haute définition. Il permet de recevoir jusqu’à 27 programmes. La DartyBox permet de relier les différents éléments de la maison, l’ordinateur et la télévision sans câble et sans limite de distance.

La filiale de l’EDF, la société ERDF (Electricité Réseau Distribution France) a engagé le processus de remplacement de 35 millions de compteurs électriques du parc français. Atos Origin est responsable de la phase d’expérimentation. Le système d’information des relevés à distance constitue le cœur du système de comptage communicant appelé AMM (Automated Meter Management). Le protocole de communication retenu à cet effet est un CPL (Courant Porteur en Ligne) ouvert qui permet l’interopérabilité des matériels de comptage.

La société Spidcom, partenaire du projet Opera, a ouvert l’industrialisation. L’exploitant Belgacom a choisi les équipements de Corinex, basé sur le DS2 pour connecter les décodeurs de télévision aux habitations résidentielles. L’industriel Pirelli Broadband Solutions a également choisi le DS2 pour distribuer le haut débit à l’intérieur des résidences.

Organismes concernés par ces études

Cable Labs - Spécialisés en réseaux câblés de télévision
Digital Living Network Alliance - Qualité de service et labels.
DS2 – Créée en 1998, la société espagnole “Design of Systems on Silicon S.A. (DS2)” a été l’une des premières entreprises à investir dans la réalisation de composants et d’équipements pour la technologie CPL (Power line Communications)
HGI - Réseaux de télévision des exploitants de télécommunications. Les normes de la phase 1 ont été révisées et la version 2 définit les paramètres de QoS.
IEEE802.1 AVB - Adaptation de la couche MAC de l’Ethernet 802 pour en renforcer la qualité de service. Le but est d’abord étudier la question sur des câblages Ethernet, puis sur 802.11.
MoCA -"Alliance pour le multimédia sur coaxial" (Multimedia over Coax Alliance).
Universal Plug and Play Forum - Paramètres de qualité de service de haut niveau sur une API qui accepte 8 niveaux de priorité. La norme version 3.0 fournit les paramètres de QoS.
Références : UIT-T, Revue de l’IEEE Communications Magazine, EI, LEA, etc.