Pierre Achaichia - Etude et application des systèmes de transmission multi-usagers pour le réseau électrique indoor

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1. Thèse: Etude et application des systèmes de transmission multi-usagers pour le de transmission multi-usagers pour le réseau électrique indoor Pierre ACHAICHIA Encadrants Orange Labs Marie Le BOT Pierre SIOHAN Directeur de thèse universitaire Jacques PALICOT (SUPELEC) SIOHAN 1 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
2. Sommaire 1. Contexte de l'étude et Objectifs 2. Contributions sur la couche PHY 3 C ib i l h MAC 3. Contributions sur la couche MAC 4. Conclusion/Perspectives 2 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
3. 1 Contexte de l'étude et Objectifs 1. Contexte de l étude et Objectifs 3 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
4. Contexte de la thèse Les réseaux privés connaissent un nombre grandissant d'é i t " té " l é d'équipements "connectés", avec les conséquences suivantes: – Des exigences de plus en plus grandes en termes de débits Des exigences de plus en plus grandes en termes de débits (TV et videos HD, débits Internet autorisés par l'ADSL, le câble et bientôt la fibre optique…); – Un trafic hétérogène dont les différents flux nécessitent d'être – Un trafic hétérogène, dont les différents flux nécessitent d être priorisés.  Avantages des PLC: – Réseau déjà existant; Réseau facilement accessible dans tout le foyer – Réseau facilement accessible dans tout le foyer. 4 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
5. Objectifs de la thèse  Implication au niveau de la PHY:  Anticiper ces évolutions au niveau des couches PHY et MAC  Implication au niveau de la PHY: Extension de la bande utile jusqu'à 100 MHz; Montrer les avantages apportées par la modulation OFDM/OQAM dans le contexte PLC  Implication au niveau de la couche MAC:  Implication au niveau de la couche MAC: Etudes de différentes Techniques d'accès; Méthodes d'Allocation et de partage de la ressource; Intégration d'une "réelle "QoS. 5 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
6. 2 Contributions sur la couche PHY: 2. Contributions sur la couche PHY: Augmentation de la capacité des réseaux PLC 6 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
7. Plan de la première partie  Spécification HPAV – Présentation du Windowed OFDM Présentation du Windowed OFDM – Mise en évidence des interferences – Calcul de la capacité de transmission  Modulation OFDM/OQAM – Codage OQAM Codage OQ – Intégration de la symétrie hermitienne: HS-OQAM – Filtres prototypes  Scénarios de simulation Canaux PLC et modèle de bruit coloré - Canaux PLC et modèle de bruit coloré - HS-OQAM vs windowed OFDM dans la bande HPAV - HS-OQAM vs windowed OFDM dans la bande HPAV étendue à 100MHz. 7 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
8. Windowed OFDM  Signal transmis ( )  cm,n symboles satisfont à la propriété de symétrie hermitienne, s[k] est donc réel. Masque d'émission PLC 8 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
9. Windowed OFDM: principe 9 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
10. Windowed OFDM: Interférences  Interférence si l'étalement de la réponse impulsionnelle du canal (L T ) est supérieur à GI RI 10 interne Groupe France Télécom (Lh Ts ) est supérieur à GI-RI. Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
11. SINR et capacité de transmission  Expression du SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio) sur  Expression du SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio) sur une sous-porteuse m, en utilisant un égaliseur 1-tap Zero Forcing (ZF): Où Hm représente la réponse en fréquence du canal au niveau de la sous-porteuse m, 2 c and 2 n (m) la variance des symboles et du bruit, respectivement, et PISI+ICI (m) la puissance de l'interférence. p ISI ICI ( ) p  La capacité associée à la sous-porteuse m: avec  le SINR gap défini pour un SER (Symbol Error Rate) cible: 11 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
12. Capacités de transmission et débits  En supposant que chaque sous-porteuse peut transporter un nombre réel et non limité de bits: Où F0 represente l'espacement inter-porteuse et Mu l'ensemble des sous-porteuses utiles sous-porteuses utiles.  En supposant un nombre entier et limité de bits par sous-porteuse: avec b(m) prenant ses valeurs dans un ensemble discret de valeurs, correspondant aux constellations autorisées par HPAV: 12 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
13. Offset QAM (OQAM): règle de codage  Modulation multiporteuses avec espacement inter-porteuse F0  Cm,n : symboles QAM de durée T0 , m et n représentant respectivement les index fréquentiels et temporels. a : symboles OQAM à valeurs réelles (PAM) et transmis au am,n : symboles OQAM à valeurs réelles (PAM) et transmis au rythme 2/T0 13 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
14. OFDM/OQAM: Modulateur/Démodulateur Le signal OFDM/OQAM (pour un filtre prototype de longueur Lp ): Conditions pour obtenir la symétrie hermitienne -> HS-OQAM (s[k] réel): 14 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
15. Interference en OFDM/OQAM I t f t j é t ( A filt t t d l • Interference toujours présente (ex. Avec un filtre prototype de longueur Lp =M=2N), mais: • Sur un canal idéal, l'interférence est uniquement présente sur la partie imaginaire du symbole, qui est naturellement éliminée lors de l'extraction de la partie réelle du signal de la partie réelle du signal • Sur un canal réel, l'interférence peut être réduite de manière efficace en choisissant un filtre prototype approprié, et en utilisant à la réception un 15 interne Groupe France Télécom égaliseur Zero Forcing 1-tap ou 3-tap. Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
16. Quelques filtres prototypes: Représentations temporelles Windowed OFDM TFL1 FS4 MM4 1 ude Amplitud 0 −2M −3M/2 −M −M/2 0 M/2 M 3M/2 2M 0 Samples • TFL1: Time Frequency Localization, Lp =M, Perfect Reconstruction (PR) • FS4: Frequency Selectivity, Lp =4M, PR 16 interne Groupe France Télécom • MM4: Mirabassi, Martin [10], Lp =4M, Nearly PR (NPR) Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
17. Quelques filtres prototypes: Représentations fréquentielles −10 0 Windowed OFDM TFL1 FS4 −30 −20 FS4 MM4 B) −50 −40 response (dB −70 −60 requency res −90 −80 Fre 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 x 10−3 −100 −90 Normalized frequency (ω/2π) 17 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
18. HS-OQAM : Pas de CP et sous-porteuses additionnelles Ill t ti l HPAV • Illustration avec le masque HPAV −40 Windowed OFDM −60 −50 −40 Windowed OFDM HS−OQAM using FS4 prototype filter mask −80 −70 −60 SD (dBm/Hz) −100 −90 −80 PSD 13.8 13.9 14 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 −110 −100 Frequency (MHz) • 917 sous-porteuses avec le windowed OFDM et 968 avec l'HS-OQAM (prototypes utilisés: FS4 ou MM4) 18 interne Groupe France Télécom l HS OQAM (prototypes utilisés: FS4 ou MM4). Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
19. Scenarios de simulation  3 classes de canaux PLC utilisées (Classes 2, 5 and 9 [Tlich et al., 2010]) avec: avec: Capacité (class 9)>Capacité(class 5)>Capacité(class 2) 100 é li ti d  100 réalisations de canaux  Utilisation d'un modèle de bruit coloré  Spécification HPAV ([1.8;30] Mhz) et HPAV en bande étendue ([1.8;87.5] Mhz) égaliseurs ZF:  égaliseurs ZF: - 1-tap pour le windowed OFDM - 1-tap or 3-tap (ASCET: Adaptive Sine/Cosine Equalizer for Transmultiplexer) 1 tap or 3 tap (ASCET: Adaptive Sine/Cosine Equalizer for Transmultiplexer) pour l'HS-OQAM Débits réalisés en utilisant les constellations autorisées par HPAV avec = 19 interne Groupe France Télécom  Débits réalisés en utilisant les constellations autorisées par HPAV, avec = 6 dB, i.e. SER=10-2 Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
20. Réalisations d'un canal et du bruit coloré −60 −40 Attenuation of a class 2 channel realization PSD of a colored noise realization −80 −60 −100 dB −120 −140 0 5 10 15 20 25 30 35 −160 frequency (MHz) 20 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
21. Comparaison des débits: HS-OQAM avec TFL1+1-tap ZF 250 200 250 TFL1 + ZF: 126.86 Mbits/s ; 189.67 Mbits/s ; 223.68 Mbits/s ; Windowed OFDM: 154.43 Mbits/s ; 190.28 Mbits/s ; 196.97 Mbits/s. 150 200 bps) 150 oughput (Mbp 100 Throu 50 Class 2 Class 5 Class 9 0 Channels 917 sous porteuses 21 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11 917 sous-porteuses
22. Comparaison des débits: HS-OQAM (TFL1+3-tap), (FS4+1-tap) 250 FS4 + ZF: 144.1 Mbits/s ; 202.73 Mbits/s ; 223.69 Mbits/s ; TFL1 + ASCET: 141.5 Mbits/s ; 200.38 Mbits/s ; 223.69 Mbits/s. Windowed OFDM: 154.43 Mbits/s ; 190.28 Mbits/s ; 196.97 Mbits/s. 200 bps) 150 oughput (Mbp 100 Throu 50 Class 2 Class 5 Class 9 0 Channels 917 sous porteuses 22 interne Groupe France Télécom 917 sous-porteuses Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
23. Comparaison des débits: HS-OQAM (MM4+1-tap), (MM4+3-tap) 250 MM4 + ASCET: 184.51 Mbits/s ; 226.91 Mbits/s ; 236.12 Mbits/s ; MM4 + ZF: 151.93 Mbits/s ; 214.12 Mbits/s ; 236.1 Mbits/s. Windowed OFDM: 154.43 Mbits/s ; 190.28 Mbits/s ; 196.97 Mbits/s. 200 bps) 150 oughput (Mbp 100 Throu 50 Class 2 Class 5 Class 9 0 Channels ss port : 917 pour windowed OFDM et 968 pour HS OQAM 23 interne Groupe France Télécom ss-port.: 917 pour windowed OFDM et 968 pour HS-OQAM Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
24. Extension de la bande utile de transmission  Bande [1.8; 87.5MHz] 24 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
25. Extension de la bande utile de transmission  Exemple de résultats obtenus dans la bande étendue: 25 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
26. Synthèse des travaux sur la couche PHY.  Intégration de l'interférence dans le calcul de capacité en utilisant la modulation Windowed OFDM. • Dans le contexte HPAV, des gains significatifs en débits sont atteints (jusqu'à 20%) avec la modulation HS-OQAM associé à un filtre prototype sélectif en f é ( MM4 FS4) i i ' é li 3 t ZF fréquence (e.g. MM4 or FS4), ainsi qu'un égaliseur 3-tap ZF.  Les performances de l'HS-OQAM dans les configuration (TFL1+3-tap  Les performances de l HS-OQAM dans les configuration (TFL1+3-tap ASCET) et (FS4+1-tap) sont similaires. Pour des raisons de complexité/latences, (TFL1+3-tap ASCET) est préférée [Lin, Siohan, WSPLC 09].  D'autres résultats ont montré qu'un filtre PR permettra d'atteindre de meilleurs débits dans les canaux les moins sévères qu'un filtre NPR, et que q , q cette situation sera inversée dans de mauvais canaux (classe 2) 26 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
27. Contributions sur la couche PHY.  2 publications: – P. Achaichia, M. Le Bot, P. Siohan “OFDM/OQAM: A Solution to Efficiently Increase the Capacity of Future PLC Networks,” To appear in IEEE Transactions on Power Delivery. – P. Achaichia, M. Le Bot, P. Siohan “Windowed OFDM versus OFDM/OQAM: A P. Achaichia, M. Le Bot, P. Siohan Windowed OFDM versus OFDM/OQAM: A Transmission Capacity Comparison in the HomePlug AV Context,” International Symposium on Power Line Communications, ISPLC 2011, Udine, Italy, April 2011. 27 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
28. 3 Contributions sur la couche MAC: 3. Contributions sur la couche MAC: Diffusion d'un flux broadcast/ multicast dans un réseau PLC 28 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
29. Contributions sur la couche MAC.  Les spécifications actuelles permettent une adaptation du signal au lien physique par la mise en place d'algorithmes de bit-loading. – Ex. sur un canal de classe 2: Ré f é d l T M (TM) d é l  Chaque tone map: Réponse en fréquence du canal Tone Map (TM) adapté au canal • est défini pour un lien donné, • est défini pour un sens de communication Permet d'approcher la capacité de transmission théorique du lien. temps 29 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11 p
30. Contributions sur la couche MAC.  Mise en évidence d'une carence des réseaux actuels (HPAV et IEEE P1901) concernant la diffusion d'un flux en et IEEE P1901) concernant la diffusion d un flux en broadcast: Les stations sont isolées les unes des autres 30 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
31. Contributions sur la couche MAC.  Mise en évidence d'une carence des réseaux actuels (HPAV et IEEE P1901) concernant la diffusion d'un flux en et IEEE P1901) concernant la diffusion d un flux en broadcast: – 5 Stations à joindre = 5 Tone Maps j p 31 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
32. Contributions sur la couche MAC.  Mise en évidence d'une carence des réseaux actuels (HPAV et IEEE P1901) concernant la diffusion d'un flux en et IEEE P1901) concernant la diffusion d un flux en broadcast: – Solution Possible: LCG (Lowest Channel Gain): ( ) 32 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
33. Contributions sur la couche MAC.  Mise en évidence d'une carence des réseaux actuels (HPAV et IEEE P1901) concernant la diffusion d'un flux en et IEEE P1901) concernant la diffusion d un flux en broadcast: – Solution proposée: Réaliser un merging "intelligent" des TM. p p g g g 33 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
34. Contributions sur la couche MAC.  Réalisation du merging: – Evaluation de la similarité entre les Tone Maps selon un critère donné: – On crée des TM communs si le regroupement permet une amélioration de l'efficacité de la transmission: Ex.: amélioration de l efficacité de la transmission: – Evaluation de l'amélioration apportée par le merging: 34 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
35. Contributions sur la couche MAC.  Algorithme de merging: 35 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
36. Scénario de simulation  N = 5 Stations  100 Tone Maps générés sur des canaux de classe 2  1000 simulations  Pour chaque simulation, évaluation du gain par rapport à la solution de référence, apporté par: – La Solution optimale en testant toutes les combinaisons possibles – La solution de merging utilisant la distance absolue entre les La solution de merging utilisant la distance absolue entre les Tone Maps (Critère 1) – La solution de merging utilisant la distance pondérée entre les Tone Maps (Critère 2) Tone Maps (Critère 2) – la solution LCG 36 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
37. Contributions sur la couche MAC.  Performances de l'algorithme de merging pour N = 5 Stations à joindre: 37 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
38. Contributions sur la couche MAC.  1 article soumis à Globecom: – P. Achaichia, M. Le Bot, P. Siohan, "An Efficient Technique for Broadcast Transmissions in Power Line Networks".  1 brevet. 38 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
39. 4 C l i / ti 4. Conclusion/perspectives 39 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11
40. Conclusion et perspectives  Gains de 20 % sur la couche Physique;  Solution efficace pour gérer les flux broadcast;  Pistes possibles pour la suite: merci – Recherche d'optimisations possibles au niveau de la MAC pour améliorer l'efficacité de la transmission, en exploitant les données connues au niveau de la PHY (ns-2) merci données connues au niveau de la PHY (ns 2). – Proposer une alternative au CSMA/CA permettant une meilleure gestion de la QoS, en tenant compte des variations de la qualité de la liaison (ns 2) de la qualité de la liaison (ns-2). – Etude du MIMO PLC, intégré dans HPAV 2 (extension possible du travail effectué pour la diffusion d'un flux broadcast) broadcast). – Allocation de ressource dans le cas d'une transmission Point à Multipoint dans un réseau PLC. 40 interne Groupe France Télécom Orange Labs - Recherche & Développement -Etude et application des systèmes de transmissions multi-usagers pour le réseau PLC – 14/04/11