Communication par courant porteur, selon Farnell

Le déploiement de réseaux de distribution intelligent (smart grids) pourrait permettre de réduire de 15% les émissions de carbone d'ici 2020, et de réduire dans le même temps de 10% la facture énergétique des ménages européens. Pour atteindre ce but, l'UE demande à tous les états membres d'avoir installé des compteurs intelligents dans 80% des logements ; un effort majeur qui devrait encourager les utilisateurs finaux à mieux utiliser l'énergie, tout en permettant aux fournisseurs d'énergie de réduire leurs coûts en évitant la relève manuelle des compteurs.       Compteurs intelligents pour Smart Grid             Comme pour tout projet de grande envergure, de nombreux "problèmes" se posent. Beaucoup ont trait à la communication entre les fournisseurs d'énergie et leurs compteurs installés. D'autres questions concernent la façon dont ces compteurs intelligents peuvent s'intégrer dans des réseaux domestiques contenant d'autres appareils intelligents et connectés tels que des appareils ménagers, des périphériques multimédias, ou des points de charge pour véhicules électriques.L'implantation d'un smart grid doit coûter moins qu'elle ne permettra d'économiser, être extensible et souple pour autoriser les évolutions technologiques qui permettront de répondre aux futures demandes, et ne doivent préserver la possibilité des clients de changer de fournisseur.                       Facteurs de standardisation             Pour la liaison courte distance entre le compteur intelligent et le concentrateur de données local, un certain nombre d'approches avec ou sans fil à courte portée sont envisagées. Parmi les candidats, la communication par courants porteurs (PLC) offre un certain nombre d'avantages tels que la réutilisation efficace des câbles d'alimentation installés comme canal de transmission robuste. La PLC n'est pas une technologie nouvelle ; plusieurs normes ouvertes ou propriétaires existent déjà. De nouvelles propositions émergent également, dans la mesure où l'essor des smart grids fait porter l'attention sur l'accroissement du débit de données, et sur la réduction des coûts et de la consommation.                            Au niveau mondial, des bandes de fréquence de 10kHz à 500kHz sont utilisées pour la signalisation des lignes électriques. En Europe, CENELEC A (60-86kHz), le CENELEC B (110kHz) et CENELEC C (132.5kHz) sont généralement utilisés. Cette gamme de fréquences est soumise aux perturbations telles qu'interférences, bruit de fond, bruit impulsionnel, ou retards de groupe. Les premières implantations PLC utilisant la modulation FSK (codage fréquentiel) présentaient un BER (Bit Error Rate, ou taux d'erreurs de bits) élevé. Ceci n'a eu que peu d'effet sur les performances des applications AMR (Automatic Meter Reading, ou relève automatique de compteurs. ST Microelectronics a introduit son premier modem PLC monolithique pour AMR en 1989, utilisant la modulation FSK et supportant la transmission jusqu'à 1200 bauds. Les évolutions ultérieures ont porté la vitesse à 4800 bauds avec le transpondeur PLC actuel ST7540, destiné aux applications très compactes, simples et économiques. Un certain nombre de solutions à modulation S-FSK (FSK étalé) sont également disponible.     Capacités PLC croissantes d'AP                              Pour les applications de compteurs intelligents et de smart grids, le marché s'oriente vers des communications plus puissantes et une intégration tendance SoC (système sur puce). Un certain nombre de nouvelles normes basées sur OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, ou multiplexage à division de fréquence orthogonale) sur le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM), permettent de surmonter surmonte les limitations de débit des systèmes FSK et S-FSK.                          Maxime a développé la norme G3-PLC utilisant l'OFDM pour obtenir des débits plus élevés et améliorer la robustesse des transmissions. L'OFDM permet d'utiliser beaucoup plus de tonalités qu'une modulation à porteuse unique comme FSK, et par conséquent utilise la bande passante disponible de manière plus efficace. Ceci permet d'utiliser des algorithmes de codage de canaux plus complexes, ce qui se traduit par moins de bits perdus, et donc un meilleur débit pertinent même avec un SNR (rapport signal/bruit) inférieur. Maxim a implémenté un PHY à base OFDM dans ses transpondeurs numériques de lignes MAX2986 et MAX2990. L'OFDM offre des performances sensiblement supérieures à celles d'un modem FSK à porteuse unique fonctionnant en bande CINELEC A. Le modem S-FSK peut transmettre à 2 kbits/s avec un BER de 10-4 à 12 dB de SNR. Par opposition, un système PLC 3G de type OFDM peut transmettre jusqu'à 32 kbits/s avec seulement 4 dB de rapport signal/bruit, soit un gain en performance de 8 dB, accompagné d'un débit supérieur. Des débits plus élevés peuvent être réalisés dans de plus hautes bandes de fréquence. PLC-3G est une norme ouverte, développée en partenariat avec Sagem et ERDF (Electricité Réseau Distribution France) en France. Mais ce n'est pas la seule norme OFDM sur le marché.                             Une autre norme, PRIME (pour Powerline Intelligent Metering Evolution, ou évolution de comptage intelligent pour lignes électriques) est mis en avant par l'Alliance PRIME, qui compte parmi ses membres STMicroelectronics et TI, ainsi que des fabricants de compteurs, des fournisseurs de service et des fournisseurs d'énergie.                      Intégration système souple  Traditionnellement, les solutions PLC ont été implémentées à l'aide de plusieurs puces, avec un schéma de modulation fixe. TI et ST supportent cette approche avec des produits standards comprenant des modems et des transpondeurs compatibles avec les normes établies.                          À l'avenir, les applications de comptage intelligent performantes nécessiteront des capacités améliorées et une plus grande flexibilité. Des contrôleurs PLC sur une puce (SoC), comme la plateforme F28x de TI, sont désormais disponibles et remplissent ces conditions. Les contrôleurs F28xx intègrent des noyaux DSP évolués, à côté de périphériques robustes tels que CAN, temporisateurs et blocks PWM, combinant ainsi un niveau d'intégration élevé, une puissance de 150 MIPS sur 32 bits optimisée pour le contrôle, et la simplicité d'utilisation d'un microcontrôleur. Cette approche SoC simplifie la conception et garantit d'obtenir un système compact et économique. Les instructions de type MCU et la mémoire flash embarquée permettent un prototypage rapide. La flexibilité logicielle et la pérennité font aussi partie des forces de l'approche SoC. Cette famille fournit en effet un chemin de migration facile d'une modulation à l'autre, au fur et à mesure de l'évolution des normes.       De même, la plateforme STarGRID™ de ST combine un modem, un noyau DSP, un gestionnaire de protocole programmable, un frontal analogique, un filtrage et un driver de ligne électrique sur une seule puce, offrant ainsi un maximum d'options et un gage de pérennité. ST couvre un certain nombre de besoins fonctionnels et de demandes du marché avec cette plate-forme, qui comporte trois dispositifs principaux. Le ST7570 dispose de la modulation S-FSK jusqu'à 2.4 Kbits/s, d'une pile de protocole conforme IEC 61334-5 et de services de communication évolués associés. Le ST7580 offre la modulation double canal n-PSK et peut intégrer plusieurs piles de protocole. Le troisième membre de la famille, le ST7590, assure la modulation OFDM jusqu'à 128 kbits/s, et intègre la première pile conforme au protocole PRIME.     Les plateformes ST et TI illustrent comment les fournisseurs de CI cherchent à proposer le côté pratique d'un système sur puce, tout en gardant la possibilité de s'adapter aux évolutions des normes et des demandes du marché. Les changements rapides sont inévitables, à la mesure des attentes des consommateurs vis-à-vis des compteurs intelligents et des smart grids, que les fournisseurs d'énergie et les gouvernements continuent de mettre en avant. L'homologation récente de la norme G.hn du HomeGrid Forum par l'Union Internationale des télécommunications (ITU-T) est une réponse aux appels pour une plateforme technique réellement unifiée pour les applications de réseau câblé domestique. G.hn est conçu pour permettre à chaque fil de la maison de servir à connecter les dispositifs multimédia, les systèmes domotique et de sécurité, ainsi que les compteurs intelligents et les véhicules électriques.         Un autre standard ouvert intéressant apparu récemment est l'UMI™ (pour Universal Meter Interface, ou interface compteur universelle). L'UMI, qui compte Renesas parmi ses licenciés, garantit la flexibilité en séparant effectivement les fonctions de métrologie et de transmission, et en fournissant une base pour une interopérabilité "plug and play".      Conclusion    Des compteurs intelligents sont déjà déployés dans certains états européens, et de nombreux tests sont en cours dans toute l'UE. Les fournisseurs doivent être en mesure de fournir des solutions rapidement au marché, tout en conservant une flexibilité d'adaptation à d'autres normes alors que de plus en plus de territoires terminent leurs consultations et passent en phase de déploiement. Plusieurs options se présentent aux concepteurs, notamment le recours à des SoC programmables permettant l'implantation logicielle de différents protocoles de pointe. Encore un exemple de la façon dont les entreprises high-tech sont au centre de la vision populaire d'un futur plus écologique. Auteur : Alistair Winning, Farnell