Quand le réseau électrique devient un réseau informatique CPL

Quand le réseau électrique devient un réseau informatique
Les données numériques peuvent transiter par le réseau électrique : tel est le fondement du courant porteur en ligne qui se développe de plus en plus.

Entre Ethernet, Wi-Fi, DSL et WiMAX, le courant porteur en ligne (CPL) joue des coudes pour trouver sa place. Il s'agit d'une technologie de transport d'informations numériques (données, voix et vidéo sur IP) par le biais d'un réseau non destiné à cet usage. Le plus commun d'entre eux étant le réseau électrique - bien que le CPL fonctionne également sur le câble coaxial utilisé pour la distribution vidéo, ou encore sur la paire téléphonique.

Le CPL date du milieu du XX ^e  siècle, mais il n'a décollé que tardivement. Les progrès réalisés ces dernières années dans les composants électroniques et les algorithmes de codage ont fait décoller la bande passante de quelques dizaines de Kbit/s à 200 Mbit/s. Le concepteur français de composants Spidcom annonce même 400 Mbit/s d'ici deux ans. Et dans les laboratoires, on s'active déjà autour du gigabit par seconde. En outre, le CPL se montre aujourd'hui plus robuste. Ses performances dépendent de moins en moins de la qualité du réseau électrique. Fiabilité et performances autorisent désormais les constructeurs d'équipements de CPL à voir grand. Ils visent le marché de la distribution de télévision sur IP et des jeux en réseau dans les foyers, ainsi que celui du petit réseau local dans les entreprises.

Les progrès du CPL ne se limitent pas à l'augmentation de débit. La richesse des applications figure de même au rendez-vous. C'est ainsi que l'alliance Homeplug annonce Homeplug Command and Control, un jeu de commandes pour les modems pilotant les équipements domestiques (volets, portail, chauffage, etc.). Les constructeurs rivalisent d'imagination pour fournir une gamme d'appareils identiques à ceux que l'on trouve sur Ethernet. Ils proposent, entre autres, des caméras CPL de vidéosurveillance, ou des concentrateurs qui autorisent le raccordement de plusieurs PC sur une seule prise.

Le constructeur allemand Devolo projette d'ailleurs de lancer une ligne de produits pour le grand public et une autre destinée aux entreprises. Et le français LEA, racheté en 2005 par HF Company, pense à la Homebox, une espèce de Livebox qui ajoute une interface CPL à la panoplie classique (Ethernet, USB et Wi-Fi).

Un marché en attente d'une normalisation

Malheureusement, à la différence d'Ethernet, de Wi-Fi ou de WiMAX, le CPL n'est toujours pas normalisé. Les constructeurs se répartissent entre deux grandes familles, dont les produits demeurent incompatibles. D'un côté, l'alliance Homeplug, la plus ancienne et la plus nombreuse. Et de l'autre, le clan qui entoure l'espagnol DS2 (Design of Systems on Silicon). La première famille accuse un retard technologique sur sa rivale : les produits Homeplug plafonnent à 85 Mbit/s, alors que ceux de DS2 atteignent 200 Mbit/s et sont aussi dotés de fonctions de qualité de service et de gestion SNMP. Mais avec la sortie prochaine du 200 AV, Homeplug reviendra à la hauteur de DS2.

Les deux filières technologiques pourraient se réconcilier autour d'une norme commune. Le P1901, un groupe de travail de l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), travaille sur la couche MAC/PHY. Tandis qu'un deuxième groupe, le P1675, oeuvre sur la sécurité, et un troisième, le P1775, sur la compatibilité électromagnétique.

On oppose souvent le CPL et Wi-Fi. Pourtant, selon l'intégrateur Alterlane, ils se révèlent complémentaires. Par exemple, un modem CPL peut dans le même temps constituer un point d'accès Wi-Fi et un pont Wi-Fi raccordant deux bâtiments équipés de réseaux en CPL et non connectés par la même infrastructure électrique.

Une solution de rechange au réseau local
Les progrès technologiques ont fait bondir le débit du CPL de quelques kbit/s à 200 Mbit/s. En l'absence d'un réseau informatique, il fournit une alternative viable. Et affronte dès lors Wi-Fi.

Pour élaborer un réseau informatique, on n'a pas trouvé mieux que le câble Ethernet (catégories 5E et 6) ou encore la fibre optique. Mais tous les locaux professionnels n'en sont pas équipés, quand le courant électrique arrive quasiment partout. Le courant porteur en ligne (CPL) devient alors une solution pour constituer un petit réseau local. Toutefois, le CPL ne bénéficie pas encore d'une normalisation. Le groupe de travail P1901 de l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) y travaille. Il devrait réconcilier les deux filières technologiques rivales, Homeplug et DS2.

La technologie du CPL date du début des années 50. Son débit de quelques kilobits par seconde l'a longtemps limité à des usages domotiques. Par exemple, EDF s'en servait afin de relever les compteurs à distance. Les progrès des algorithmes de modulation et des composants ont élevé le débit à 14 Mbit/s au début des années 2000, avec la norme de fait Homeplug 1.0. Il s'agit, comme en Wi-Fi, d'un débit partagé entre tous les utilisateurs du réseau. DS2 avait lancé une version à 200 Mbit/s dès la mi-2005. Intellon, chef de file de la famille Homeplug, a riposté avec une version Turbo, mais limitée à 85 Mbit/s. Il a annoncé pour la fin 2006 une version 200 AV (audiovisuel) à 200 Mbit/s. Autre bénéfice des progrès de la technologie, le CPL résiste beaucoup mieux aux défauts du réseau électrique qu'il y a seulement quelques années.

Le premier marché visé est celui du transport de la télévision numérique sur IP ou des jeux à l'intérieur des foyers, de la prise ADSL aux décodeurs. Rares, en effet, sont les appartements ou les maisons câblés en Ethernet. Mais, de même, les entreprises installées dans des locaux non câblés, les écoles, les établissements de santé et les sites classés peuvent installer facilement un réseau CPL pour quelques postes. Le nombre d'utilisateurs ne subit pas une limitation du fait du système lui-même, mais de la bande passante partagée.

Une sécurité renforcée

De fait, comme en Wi-Fi, le débit pratique se cantonne à la moitié, voire au tiers de celui annoncé. Pour 85 Mbit/s théoriques, il avoisine 40 Mbit/s, et 80 Mbit/s pour le système à 200 Mbit/s. En revanche, le CPL se distingue de Wi-Fi par sa facilité de mise en oeuvre et sa sécurité. En Wi-Fi, il faut repérer le bon réseau (SSID, ou Service Set Identifier), se caler sur le canal correct et entrer une clé WEP - ou, mieux, une clé WPA - pour se connecter au réseau si celui-ci est sécurisé.

En CPL, chaque équipement se raccorde via un câble Ethernet à son modem, lui-même branché sur une prise électrique. Le réseau est alors constitué. La sécurité repose pour l'heure sur une clé de cryptage DES à 56 bits, et sur une clé AES à 128 bits pour le futur 200 AV. Tout modem non doté de cette clé ne peut se connecter au réseau logique. Un pirate ne peut donc capturer des trames pour les analyser et casser la clé, comme cela se pratique en Wi-Fi. Autre atout du CPL, sa portée dépasse les deux cents mètres, alors que celle de Wi-Fi se limite souvent à cent mètres - surtout en intérieur.

A l'origine, le CPL et Wi-Fi n'étaient pas dotés de mécanismes de qualité de service. La norme 802.11e les apporte aux réseaux sans fil. Pour le CPL, la qualité de service existe déjà dans les équipements de la famille DS2, car le constructeur visait d'abord le marché des opérateurs de la boucle locale. Par la suite, ses matériels d'intérieur en ont hérité. Le 200 AV de chez Homeplug sera pourvu de fonctions de qualité de service.

Ces mécanismes n'étaient pas indispensables pour des réseaux domestiques constitués de quelques PC. Ils le deviennent pour transporter des flux vidéo temps réel, comme la télévision dans les foyers, ou pour des applications de voix sur IP dans les entreprises. Les tenants du CPL affirment que le 802.11e reste insuffisant pour des applications exigeantes telles que la télévision sur IP. Dans le clan Wi-Fi, on en est conscient. Un industriel comme Ruckus propose une solution propriétaire pour corriger ces défauts.

Le câble coaxial (TV), un autre support efficace

Reste que, si les deux technologies s'affrontent souvent, elles se complètent aussi. C'est la politique menée par Alterlane, un intégrateur issu d'EDF. « Nous installons des points d'accès sur des modems CPL pour desservir, par exemple, un entrepôt ou un parc, explique Thomas Albert, ingénieur réseaux chez Alterlane. Autre cas, nous utilisons un pont Wi-Fi pour raccorder deux réseaux CPL situés dans des bâtiments éloignés. »

Enfin, le champ d'application du CPL ne se limite pas au réseau électrique. Cette technologie fonctionne aussi sur câble coaxial et sur paires téléphoniques. « Dans un hôtel en Chine, poursuit Thomas Albert, nous avons utilisé le réseau coaxial de distribution de la télévision pour fournir l'accès à haut débit à Internet dans les chambres. » Quant à la paire torsadée du réseau téléphonique, elle peut servir à alimenter en haut débit un immeuble desservi par une fibre optique.

Faut-il adopter le CPL ? Avantages

Simplicité. Il suffit de brancher un modem CPL sur une prise életrique pour mettre un équipement en réseau.

Sécurité. Le cryptage en DES aujourd'hui et en AES demain empêche tout modem non configuré de se connecter.

Ubiquité. Si le réseau Ethernet n'est pas partout, le courant électrique est, en revanche, omniprésent. Le CPL permet de déployer un petit réseau sans avoir à réaliser de travaux.

Inconvénients

Pas de normalisation. Pour le moment, il existe deux familles technologiques incompatibles : Homeplug et DS2.

Nombre d'utilisateurs limité. Le débit de 85 ou de 200 Mbit/s est partagé entre tous les équipements connectés, et non affecté à chacun d'eux. Le nombre d'utilisateurs s'en trouve limité.

Une mise en oeuvre aisée en entreprise

Une passerelle fait interface entre les réseaux intérieur et extérieur ADSL. Reliée au réseau électrique, elle y injecte les données. Des modems connectés à des PC sont branchés sur les autres prises. Le réseau est constitué... Au niveau 2, il fonctionne comme Ethernet. Et au niveau 3, c'est un réseau IP, comme s'il se fondait sur un câblage classique.

Une boucle locale pour les zones dépourvues d'ADSL
A la différence de l'ADSL, le réseau électrique est présent partout. Grâce à la technologie du CPL, il sert de boucle locale dans les zones oubliées par les opérateurs télécoms.

L'ADSL va desservir plus de 95 % de la population, et non du territoire. WiMAX, système de transmission sans fil à haut débit, couvrira le reste. Les opérateurs promettent Internet à quasiment tout le monde. Pourtant, un troisième réseau d'accès existe, déjà déployé, et qui innerve tout le pays : celui de l'électricité. D'où l'idée de l'employer comme boucle locale grâce à la technologie du courant porteur en ligne (CPL), en concurrence avec les solutions télécoms classiques ou en attente de leur arrivée.

Dans ce cas, l'opérateur amène, via une boucle optique, le trafic jusqu'aux transformateurs qui alimentent un quartier. Il place des injecteurs en tête du réseau de distribution électrique : ce sont des modems à forte puissance, aptes à desservir deux cents foyers. Si la distance est importante ou si la ligne électrique doit desservir un immeuble, un répéteur, placé sur le trajet ou en pied d'immeuble, amplifie le signal. L'abonné récupère le trafic derrière son compteur. Lequel, contrairement à une idée reçue, n'arrête pas la propagation des données. L'usager n'a plus qu'à placer ses modems sur les prises électriques pour y connecter ses PC et, demain, la télévision. La bande passante peut atteindre 200 Mbit/s partagés.

Dans ce type d'usage, le réseau se voit exploité par un opérateur. Il doit être doté de mécanismes de qualité de service. Ceux-ci existent dans la solution DS2, conçue pour l'application de boucle locale, et étendue ensuite aux réseaux locaux d'entreprise ou aux réseaux domestiques. Ils sont attendus dans la famille Homeplug avec l'arrivée du 200 AV.

Une solution juridiquement complexe

Le réseau basses et moyennes tensions appartient aux collectivités locales, mais EDF l'exploite. Or, pour y injecter les données, il faut s'y brancher. Ainsi, le Syndicat intercommunal de la périphérie de Paris pour l'électricité et les réseaux de communication (Sipperec) a signé avec EDF une convention relative à l'usage du réseau électrique qui a valeur d'exemple.

Une modulation adaptée au courant porteur en ligne
Le CPL utilise la modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). C'est la plus efficace sur des supports non destinés aux réseaux informatiques, comme le réseau électrique.

Pour véhiculer des informations de type informatique (données et voix numérisée) sur le réseau électrique, il existe deux grands types de modulation : DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) et OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). La première était utilisée par les anciennes générations d'équipements CPL, et l'est toujours en Wi-Fi (802.11b). Plus efficace pour transmettre sur un support non prévu pour le transport de données (tel que le réseau électrique), la seconde s'impose aujourd'hui partout.

L'air n'étant pas le support de transmission idéal, l'OFDM se voit retenu en Wi-Fi (802.11g et a), dans la transmission satellite (DVB, ou Digital Video Broadcasting) et en WiMAX. Une variante de ce type de modulation, DMT (Discrete Multitone), a été choisie pour le DSL : en effet, la paire téléphonique n'a pas été conçue pour transporter du haut débit. Grâce à DMT, elle véhicule désormais des débits d'une vingtaine de Mbit/s sur deux kilomètres.

L'OFDM consiste à répartir le signal numérique à transmettre sur un grand nombre de porteuses, dans la bande de fréquences entre 2 et 30 MHz. Les porteuses sont modulées indépendamment les unes des autres, à bas débit, en QPSK, en QAM-16 ou en QAM-64. L'affaiblissement ou la perte d'une porteuse affectent donc modérément la qualité de signal. Dans les premiers systèmes, on utilisait trois porteuses pour un débit de 4,5 Mbit/s. Pour le système Homeplug Turbo à 85 Mbit/s, 385 porteuses étaient nécessaires. Le système DS2, à 200 Mbit/s, en requiert plus de 1500. Prévu avant la fin de l'année, le futur Homeplug 200 AV se fonde sur plus de 3 000 porteuses.

Comment cohabitent le courant électrique et les données

Le spectre utilisé par le CPL se situe bien au-delà de celui réservé au courant électrique. De plus, le signal informatique est de faible puissance. Le principe reste le même que celui du DSL. Le spectre vocal s'étend de 300 à 4 000 kHz, et celui du DSL, de 30 kHz à 2 MHz.

Glossaire

AES (Advanced Encryption Standard)

Ce procédé de cryptage à clés symétriques vient remplacer le Data Encryption Standard (DES), retenu pour les premiers systèmes CPL. Les deux algorithmes sont utilisés afin de garantir la confidentialité des échanges sur le réseau.

CPL (courant porteur en ligne) ou PLC (Power Line Communication)

Cette technique ancienne autorise la transmission des données numériques sur un réseau électrique.

DS2 (Design of Systems on Silicon)

Ce fabricant espagnol de composants est la tête de file d'une famille de produits CPL.

Homeplug

Née en 2000, l'alliance Homeplug Powerline constitue un consortium d'environ 25 industriels, qui veille à l'interopérabilité des équipements. Elle s'organise autour d'Intellon, constructeur de composants.

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)

Cet organisme américain de normalisation (Ethernet, Wi-Fi, WiMAX, etc.) travaille à standardiser le CPL et à réconcilier les filières Homeplug et DS2.

OFDM (Orthogonal FMruelquency Division tiplexing)

C'est la modulation désormais utilisée par les systèmes de courant porteur en ligne. Elle consiste à envoyer les informations en parallèle sur différences porteuses à bas débit. La défection de l'une d'elles n'affecte donc pas sensiblement le signal.

Du matériel et des solutions bon marché pour particuliers et entreprises

Une offre au standard Homeplug 1.0 bien fournie

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Des produits basés sur la technologie propriétaire de l'Espagnol DS2

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L'éventail d'applications sera quasiment sans limites

Dans les mois et années à venir, des scénarios variés d'usage devraient pousser l'adoption des technologies CPL. Le Sipperec (Syndicat intercommunal de la périphérie de Paris pour l'électricité et les réseaux de communication) s'attend à ce que la voix sur IP favorise le développement des accès Internet via courant porteur. L'association estime qu'une personne sur deux souhaite s'affranchir de sa ligne de téléphonie fixe. Même si seules 20 % sont passées à l'acte. Certains ne la conservent que pour bénéficier de l'ADSL. Or, un accès Internet via CPL permettrait de s'en débarrasser tout en profitant des offres de téléphonie sur IP.

Ce n'est là qu'un pan des multiples applications possibles des CPL. On peut aussi envisager des applications de vidéosurveillance urbaine, ou encore diverses fonctions d'automatisation ou de contrôle, de la gestion du réapprovisionnement de distributeurs dans les galeries marchandes au contrôle industriel.

L'alliance Homeplug a créé un groupe de travail dédié à la standardisation de cette partie commande et contrôle, qui doit publier ses travaux vers la fin de l'année. Cameron McCaskill, vice-président chargé du développement des activités d'Intellon, fabricant de composants Homeplug, s'attend même à voir, d'ici deux à cinq ans, le gros du marché des CPL généré par les fournisseurs d'électricité, dont les réseaux électriques seront intelligents, et donc plus faciles à gérer. Ce qui n'empêchera pas d'autres types d'usages de se développer.

01 informatique : Comment peut se concrétiser le standard Homeplug AV, fort de ses 200 Mbit/s théoriques ?

Cameron McCaskill : Ratifié en septembre 2005, Homeplug AV est requis dès que l'on souhaite transmettre de multiples flux vidéo. Le marché va donc décoller avec celui des offres de vidéo de haute définition. Nombre de nos clients ont terminé la phase de conception de produits Homeplug AV. Ils n'attendaient que nos composants en version production, disponibles depuis la fin juin.

Qu'en est-il des simples applications de réseau local ? Certains pensent notamment voir apparaître des PC portables avec un modem CPL intégré à l'alimentation électrique.

Des fonctions CPL sont de plus en plus souvent embarquées dans d'autres matériels - des passerelles ADSL2, par exemple. Les simples adaptateurs Ethernet ont prouvé que la technologie est facile à mettre en oeuvre, qu'elle fonctionne bien, et que les utilisateurs l'apprécient. Le taux de retour en magasin est inférieur à 2 %. C'est du jamais vu. Wi-Fi affiche toujours un taux de retour d'environ 25 % par exemple. Forts de ces constats, les concepteurs de matériels se sont lancés dans le développement de gammes CPL diversifiées, mais pas encore annoncées pour la plupart.

Que pensez-vous des solutions à 200 Mbit/s propriétaires de la société DS2 ?

Comme toujours, les solutions propriétaires ont eu l'avantage d'être disponibles plus tôt - en particulier DS2. Cependant, il a été démontré qu'en situation réelle, c'est-à-dire en présence de bruits affectant le signal, les performances de DS2 sont relativement similaires à celles de notre technologie Turbo, disponible à peu près à la même époque. Les opérateurs commencent maintenant à proposer des contenus à haute définition, au moment même où sort notre solution destinée à ce type d'application, basée sur le standard global Homeplug AV.

Que peut-on envisager après les 200 Mbit/s de Homeplug AV ? Spidcom, entre autres, pense que l'on atteindra les 400 Mbit/s dans les deux ans à venir.

Nos projets s'étendent, bien entendu, au-delà de 200 Mbit/s. Mais nous ne sommes pas en mesure d'indiquer un débit précis. Nous essayons parallèlement d'améliorer la qualité de la couverture, et visons un débit réel de 45 à 50 Mbit/s sur la quasi-intégralité des prises. Les 115 Mbit/s effectifs de Homeplug AV ne sont atteints que sur une ligne dénuée de bruits. Ce qui, dans la pratique, n'existe pas.

Au-delà des applications principales des CPL, que représentent les services aux abonnés, les réseaux locaux et le contrôle à bas

Des applications innovantes voient régulièrement le jour. Par exemple, un spécialiste du WiMAX nous a expliqué qu'il s'avère parfois difficile, en bordure de couverture, de positionner le modem sans fil chez l'abonné de manière à obtenir une connexion satisfaisante. Il utilise une connexion CPL pour aider à réaliser ces ajustements.