Brevet FR3015836A1 — publié le 20150626

Procédé permettant la réduction dynamique de la complexité et de la consommation d'un système émetteur-récepteur OFDM 1. Domaine de l'invention La demande d'invention se situe dans le domaine de la modulation multiporteuse dans un canal de transmission, technique aussi connue sous l'appellation OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, ou multiplexage par division en fréquences orthogonales, en français), et porte plus particulièrement sur la réduction en complexité et en consommation énergétique d'un système basé OFDM. 2. Etat de la technique antérieure Dans un modem de transmission par courant porteur en ligne (CPL), les transmissions CPL sont effectuées à l'aide de modulations multi-porteuses orthogonales (OFDM) car elles permettent de découper la bande de transmission en sous bandes de largeur étroite, appelées porteuses, sur lesquelles la réponse fréquentielle du canal de transmission (et donc le gain du canal de transmission) peut être considérée comme constante. Dans de telles transmissions, une période d'apprentissage du canal est effectuée lors de la synchronisation entre l'émetteur et le récepteur afin de connaitre précisément le gain complexe sur chacune des porteuses du multiplex OFDM ainsi que le rapport signal à bruit sur chacune de ces porteuses. Ceci permet de construire un tableau de constellation ("tone map" en anglais), c'est à dire l'allocation d'un nombre adéquat de bits par symbole à transmettre sur les porteuses afin de garantir un taux d'erreur binaire cible qui soit limité. La construction de ce tableau de constellation est effectuée lors d'une phase d'initialisation dans les transmissions CPL, car à l'échelle de temps des transmissions dans le canal de transmission, celui-ci peut être considéré comme invariant dans le temps. En effet les rares évènements susceptibles de modifier la réponse en fréquence du canal entre l'émetteur et le récepteur sont des événements tels que l'allumage ou l'extinction d'appareils électriques sur le réseau filaires. Ce tableau de constellation indiquant le nombre de bits à transmettre sur chaque sous porteuse, il permet de déterminer un débit maximum atteignable par le modem CPL sous contrainte d'un taux d'erreur cible, le but visé étant de maximiser la vitesse de transmission du flux de données binaires. Néanmoins si le débit requis pour transmettre un flux de données est bien plus faible que ce débit maximum, la complexité du modem est fortement surdimensionnée et induit un gaspillage d'énergie. Une solution existante mise en oeuvre est l'utilisation d'un tableau de constellation comprenant 2 valeurs uniquement (soit aucun, soit un nombre réduit et constant de bits par symbole transmis). Ceci permet de construire un signal robuste, dont la complexité de modulation/démodulation est fortement réduite. Néanmoins le débit possible d'une transmission avec une telle solution est fixe et très limité. Les seules applications possibles d'une telle solution sont dans le domaine des communications entre machines (M2M) qui requièrent des débits généralement fixes et dans tous les cas très limités, ce qui exclut des applications exigeant des débits dynamiques et moins limités, telles que par exemple la télévision sur IP, etc. Un des buts de l'invention est de remédier à ces inconvénients de l'état de la technique. 3. Exposé de l'invention L'invention vient améliorer la situation à l'aide d'un procédé d'émission de données dans un canal de transmission par courant porteur en ligne, la bande de fréquence du canal étant divisée en un ensemble de sous-bandes orthogonales appelées porteuses, le procédé comprenant une étape d'estimation de la réponse fréquentielle de l'ensemble de porteuses du canal, une étape d'obtention des données à émettre, une étape de modulation en fréquence des données à l'aide d'un symbole par porteuse, un débit résultant du canal étant proportionnel au nombre de symboles utilisés et au nombre de bits utilisés pour coder chaque symbole, et une étape d'émission des données modulées dans le canal, le procédé comprenant en outre les étapes suivantes : - allocation d'un nombre de bits par symbole pour au moins une porteuse du canal, en fonction de la réponse fréquentielle de la porteuse ; - obtention d'une valeur de débit cible à transmettre sur le canal ; - sélection d'un sous-ensemble de porteuses adjacentes dont le débit résultant est supérieur ou égal au débit cible ; - mise à zéro du nombre de bits par symbole des porteuses non sélectionnées. Grâce au procédé d'émission selon l'invention, les porteuses utilisées pour moduler les données à transmettre sont sélectionnées de façon à assurer le débit cible. Réduire le nombre de porteuses tout en les gardant adjacentes simplifie les opérations de modulation, et induit une économie en énergie consommée par les composant électroniques utilisés pour effectuer les opérations de modulation. Selon un aspect de l'invention, l'étape de modulation comprend un calcul de transformée de Fourrier dont la taille est réduite au sous-ensemble de porteuses adjacentes sélectionné. En particulier, le fait que les porteuses soient réduites en nombre et adjacentes, simplifie les calculs dans les transformées de Fourier inverses rapides (iFFT), qui sont des opérations nécessaires et incontournables dans la technique OFDM, qui permettent de moduler un vecteur de symboles avec des données. Comme les calculs sont simplifiés, ils consomment moins d'énergie. Selon un aspect de l'invention, l'étape d'obtention de la valeur de débit cible à transmettre sur le canal comprend une étape d'extraction d'une information relative au débit à partir des données obtenues. Pour certains types de données tels que les flux vidéo les en-têtes des trames IP comprennent une valeur de débit qui est typiquement le tiers du nombre de bits nécessaire pour transmettre les données sur le canal de transmission, c'est à dire le tiers de dC. Grâce à cet aspect, le débit cible dC peut être donc calculé simplement à partir d'une information de débit directement extraite des données obtenues. Selon un aspect de l'invention, le sous-ensemble sélectionné comprend la porteuse de fréquence la plus basse. Sélectionner des porteuses adjacentes de fréquences basses permet de travailler directement en bande de base sans faire de translation fréquentielle, c'est à dire sans multiplier le signal par une fréquence intermédiaire afin de le décaler en fréquence et le positionner sur les les porteuses, ce qui simplifie les calculs et donc consomme moins d'énergie. Selon un aspect de l'invention, le nombre de porteuses dans le sous-ensemble sélectionné est une puissance de deux, de trois ou de cinq. Le fait que les porteuses sélectionnées soient non seulement réduites en nombre et adjacentes en fréquence, mais aussi que leur nombre soit une puissance de deux, de trois ou de cinq simplifie encore plus les calculs de transformées de Fourier inverses rapides (IFFT), et donc consomme moins d'énergie. Selon un aspect de l'invention, le procédé d'émission comprend, préalablement à l'étape de sélection, une étape de regroupement des porteuses en blocs ordonnés par fréquence croissante comprenant au moins deux porteuses, et une étape itérative de calcul du débit cumulé résultant de l'ajout, par bloc, des porteuses des blocs ordonnés dans le sous-ensemble. La recherche du nombre de porteuses nécessaires pour transmettre le débit cible est accélérée en regroupant les porteuses par bloc de taille fixe. Il est ainsi également possible de choisir une taille de bloc propice à la simplification ultérieure des opérations de modulation, comme par exemple une puissance de 2. Selon un aspect de l'invention, l'étape de modulation comprend au moins une sous-étape de modulation par bloc de porteuses, la sous-étape de modulation par bloc comprenant l'ajout d'une information aux données à moduler, l'information indiquant l'existence dans le sous-ensemble sélectionné d'un bloc de fréquences supérieures. L'information ajoutée permet au modem récepteur de démoduler les données en commençant toujours par le bloc de porteuses de rang le plus bas c'est à dire de fréquences les plus basses, puis de démoduler le bloc de rang immédiatement supérieur si l'information, une fois démodulée avec les données, lui indique que d'autres données dont à démoduler sur un autre bloc de porteuses, et d'arrêter l'opération de démodulation sinon. Ainsi, il n'est pas nécessaire pour le modem récepteur de savoir à l'avance sur combien de porteuses le modem émetteur a modulé les données. Il a seulement besoin de connaître la taille d'un bloc en nombre de porteuses, mais pas le nombre total de porteuses dans le sous-ensemble sélectionné. Cette taille peut être déterminée à l'avance et connue des modems émetteurs et récepteurs. Selon un aspect de l'invention, le procédé d'émission comprend, préalablement à l'étape de sélection, une étape d'exclusion d'au moins une porteuse de l'ensemble, l'étape de sélection ne prenant pas en compte l'au moins une porteuse exclue. Grâce à cet aspect, si un autre émetteur a préalablement sélectionné un sous- ensemble pour émettre des données dans le canal, il est possible pour l'émetteur d'utiliser le même canal en sélectionnant un sous-ensemble distinct. Le procédé comprend alors aussi une étape d'obtention d'une information relative à ce sous-ensemble préalablement sélectionné par un autre émetteur. Une mutualisation du même canal est donc possible entre plusieurs couples émetteur-récepteur, sans interférence car les sous-ensembles sont distincts. Cette mutualisation permet ainsi une économie supplémentaire en ressource et en énergie. Les différents aspects du procédé d'émission de données qui viennent d'être décrits peuvent être mis en oeuvre indépendamment les uns des autres ou en combinaison les un avec les autres. L'invention concerne aussi un dispositif d'émission de données dans un canal de transmission par courant porteur en ligne, la bande de fréquence du canal étant divisée en un ensemble de sous-bandes orthogonales appelées porteuses, le dispositif apte à mettre en oeuvre le procédé d'émission de données qui vient d'être décrit, dans tous ses modes de réalisation, et comprenant un module d'estimation de la réponse fréquentielle de l'ensemble de porteuses du canal, un module d'obtention des données à émettre, un module de modulation en fréquence des données à l'aide d'un symbole par porteuse, un débit résultant du canal étant proportionnel au nombre de symboles utilisés et au nombre de bits utilisés pour coder chaque symbole, et un module d'émission des données modulées dans le canal, le dispositif comprenant en outre les modules suivants : - allocation d'un nombre de bits par symbole pour au moins une porteuse du canal, en fonction de la réponse fréquentielle de la porteuse ; - obtention d'une valeur de débit cible à transmettre sur le canal ; - sélection d'un sous-ensemble de porteuses adjacentes dont le débit résultant est supérieur ou égal au débit cible ; - mise à zéro du nombre de bits par symbole des porteuses non sélectionnées. L'invention concerne encore un modem émetteur dans un système de courant porteur en ligne, comprenant au moins un dispositif d'émission tel que celui qui vient d'être décrit. L'invention concerne aussi un système de transmission par courant porteur en ligne comprenant au moins un modem émetteur tel que celui qui vient d'être décrit et au moins un modem récepteur apte à recevoir un signal émis par l'au moins un modem émetteur. L'invention concerne aussi un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour la mise en oeuvre des étapes du procédé d'émission qui vient d'être décrit, lorsque ce programme est exécuté par un processeur. L'invention concerne enfin un support d'enregistrement, lisible par un modem émetteur, sur lequel est enregistré le programme qui vient d'être décrit, pouvant utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet, tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable. 4. Présentation des figures D'autre avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1 présente un exemple de mise en oeuvre du procédé d'émission, selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 2 présente un exemple de structure d'un dispositif d'émission, selon un aspect de l'invention. 5. Description détaillée d'au moins un mode de réalisation de l'invention Dans la suite de la description, on présente des exemples de plusieurs modes de réalisation de l'invention se basant sur un canal de transmission par CPL, mais l'invention s'applique également à d'autres canaux de transmission ayant un comportement similaire en terme de réponse fréquentielle et de stabilité de la réponse fréquentielle, tel que certaines implémentations DSL comme par exemple le VDSL La figure 1 présente un exemple de mise en oeuvre du procédé d'émission par un modem émetteur, selon un mode de réalisation de l'invention. Lors d'une étape E1, de façon connue, la largeur de bande du canal CPL est divisée en un ensemble de n porteuses et la réponse fréquentielle des porteuses est estimée. En général, n est choisi pour être une puissance de 2, avec n = 2". Lors d'une étape E2, le modem émetteur obtient des données à émettre par le canal de transmission CPL. Lors d'une étape E3, le modem émetteur obtient une valeur de débit cible dC du canal, c'est à dire du débit nécessaire pour émettre les données obtenues. Cette valeur peut être obtenue conjointement aux données à émettre, donc pour chaque étape E1, ou séparément, la valeur de débit cible restant valable pour plusieurs cycles incluant une étape E1. La manière d'obtenir le débit cible dC dépend du type de service dont les données sont à transmettre. Dans le cas d'un flux de type UDP (protocole utilisé pour les téléchargements) par exemple, la valeur de dC est fixée de façon prédéterminée et/ou arbitraire afin de limiter le débit à transmettre. Pour les flux vidéo par exemple, les en-têtes des trames IP comprennent une valeur de débit qui est typiquement le tiers du nombre de bits nécessaire pour transmettre les données sur le canal de transmission, c'est à dire le tiers de dC. Dans ce cas le débit cible dC peut être extrait des données obtenues lors de l'étape E1. Les étapes E4 à El 0 peuvent être effectuées en parallèle aux étapes El à E3, chaque fois que la valeur du débit cible change. Lors d'une étape E4, l'ensemble de porteuses est divisée en k blocs de p porteuses chacune. Lors d'une étape E5, un premier bloc de p porteuses est ajouté à un sous- ensemble de l'ensemble de porteuses initialement vide. Ce premier bloc comprend par exemple les p premières porteuses dans un ordre fréquentiel croissant. Lors d'une étape E6, le nombre de bits qu'il est possible d'allouer à un symbole pour chacune des porteuses ajoutées au sous-ensemble est calculé, en fonction de la réponse fréquentielle des porteuses. Lors d'une étape E7, le débit permis par le sous-ensemble de porteuses est calculé en fonction du nombre de bits par symbole de chaque porteuse du sous-ensemble. S'il est inférieur au débit cible dC, le procédé passe à une étape E8 d'incrémentation du nombre de porteuses à sélectionner. S'il est supérieur ou égal au débit cible dC, il n'est plus nécessaire d'augmenter le nombre de porteuses à sélectionner et le procédé passe à une étape E9. Lors de l'étape E8, un autre bloc de p porteuses est ajouté au sous-ensemble de porteuses, puis le procédé retourne à l'étape E6. Ce bloc comprend par exemple les p porteuses suivant immédiatement celles qui sont déjà dans le sous-ensemble, dans un ordre fréquentiel croissant. Lors de l'étape E9, le sous-ensemble résultant est sélectionné pour former la base de modulation des données à émettre. Lors d'une étape E10, les symboles des porteuses qui ne sont pas dans le sous-ensemble sélectionné sont annulés, c'est à dire qu'aucun bit ne leur est alloué. Lors d'une étape E11, les données sont modulées sur les porteuses du sous- ensemble sélectionné, c'est à dire sur les symboles des (m x p) porteuses, m étant le nombre de blocs ajoutées dans le sous-ensemble, c'est à dire aussi le nombre de cycles d'étapes E6-E7 effectués. Lors d'une étape E12, les données modulées sont émise au travers du canal de transmission CPL. Dans une première variante, l'étape E6 d'allocation du nombre de bits par symbole est effectuée en une fois pour toutes les porteuses sur toute la largeur de bande du canal. Après l'étape E8 d'incrémentation, le procédé passe alors à l'étape E7 de calcul du débit cumulé, et non pas à l'étape E6 d'allocation puisque toutes les porteuses se sont déjà vues allouer un nombre de bits. Dans une seconde variante, lors de l'étape E12 le modem émetteur module dans chaque bloc de porteuses du sous-ensemble sélectionné une donnée de signalisation indiquant si des données sont modulées dans un autre bloc de porteuses de fréquence supérieure, ou de "rang supérieur". Cette indication permet au modem récepteur de démoduler les données en commençant toujours par le bloc de porteuses de rang le plus bas (de fréquences les plus basses), puis de démoduler le bloc de rang immédiatement supérieur si l'indication l'y invite, et d'arrêter l'opération de démodulation sinon. Ainsi, il n'est pas nécessaire pour le modem récepteur de savoir à l'avance sur combien de porteuses le modem émetteur a modulé les données. Il a seulement besoin de connaître la taille p d'un bloc de porteuses, mais pas le nombre total de porteuses sélectionnées dans le sous-ensemble. Les variantes décrites ci-dessus peuvent être combinées. Dans un mode de réalisation préféré, k et p sont des puissances de 2 et m est choisi tel que le nombre total de porteuses sélectionnées (m x p) soit aussi une puissance de 2, On a donc m = 2M , et P = (N - K), puisque (2K x 2P) = 2". Ainsi, pour une bande de fréquence de départ contenant n = 2" porteuses, divisées en 2K blocs contenant chacun p = 2N-K porteuses, nous avons : (m x p) = 2N+M-K, M En relation avec la figure 2, on présente maintenant un exemple de structure d'un dispositif d'émission, selon un aspect de l'invention. Le dispositif 100 d'émission met en oeuvre le procédé de transmission d'information de routage, dont différents modes de réalisation viennent d'être décrits. Un tel dispositif 100 peut être mis en oeuvre dans un modem CPL. Par exemple, le dispositif 100 comprend une unité de traitement 130, équipée par exemple d'un microprocesseur uP, et pilotée par un programme d'ordinateur 110, stocké dans une mémoire 120 et mettant en oeuvre le procédé d'émission selon l'invention. A l'initialisation, les instructions de code du programme d'ordinateur 110 sont par exemple chargées dans une mémoire RAM, avant d'être exécutées par le processeur de l'unité de traitement 130. Un tel dispositif 100 comprend : - un module 140 d'estimation de la réponse fréquentielle de l'ensemble de porteuses du canal, - un module 145 d'obtention des données à émettre (rdata), - un module 150 de modulation en fréquence des données à l'aide d'un symbole par porteuse, - un module 155 d'émission des données modulées dans le canal (mdata), - un module 160 d'allocation d'un nombre de bits par symbole pour au moins une porteuse du canal, en fonction de la réponse fréquentielle de la porteuse, - un module 165 d'obtention d'une valeur de débit cible (dC) à transmettre sur le canal, - un module 170 de sélection d'un sous-ensemble de porteuses adjacentes dont le débit résultant est supérieur ou égal au débit cible, - un module 175 de mise à zéro du nombre de bits par symbole des porteuses non sélectionnées. Avantageusement, l'unité de traitement 130 peut également comprendre: - un module 180 de regroupement des porteuses en blocs ordonnés par fréquence croissante comprenant au moins deux porteuses, - un module 185 de calcul itératif du débit cumulé résultant de l'ajout, par bloc, des porteuses des blocs ordonnés dans le sous-ensemble, - un module 190 d'extraction d'une information relative au débit à partir des données obtenues, - un module 195 de modulation par bloc de porteuses, apte à ajouter une information aux données à moduler, l'information indiquant l'existence dans le sous-ensemble sélectionné d'un bloc de fréquences supérieures, - un module 196 d'exclusion d'au moins une porteuse de l'ensemble, de sorte à ce qu'elles en soient pas sélectionnées dans le sous-ensemble de porteuses sélectionnées. Les modules décrits en relation avec la figure 2 peuvent être des modules matériels ou logiciels. Les exemples de réalisation de l'invention qui viennent d'être présentés ne sont que quelques-uns des modes de réalisation envisageables. Ils montrent que l'invention permet de réduire la consommation en énergie d'un modem émettant dans un canal de transmission par courant porteur en ligne, en simplifiant les opérations nécessaires à la modulation des données à transmettre. De façon correspondante, l'invention permet également cette réduction de consommation d'énergie dans le modem récepteur. REVENDICATIONS1. Procédé d'émission de données dans un canal de transmission par courant porteur en ligne, la bande de fréquence du canal étant divisée en un ensemble de sous- bandes orthogonales appelées porteuses, le procédé comprenant une étape d'estimation de la réponse fréquentielle de l'ensemble de porteuses du canal, une étape d'obtention des données à émettre, une étape de modulation en fréquence des données à l'aide d'un symbole par porteuse, un débit résultant du canal étant proportionnel au nombre de symboles utilisés et au nombre de bits utilisés pour coder chaque symbole, et une étape d'émission des données modulées dans le canal, le procédé comprenant en outre les étapes suivantes : - allocation d'un nombre de bits par symbole pour au moins une porteuse du canal, en fonction de la réponse fréquentielle de la porteuse ; - obtention d'une valeur de débit cible à transmettre sur le canal ; - sélection d'un sous-ensemble de porteuses adjacentes dont le débit résultant est supérieur ou égal au débit cible ; - mise à zéro du nombre de bits par symbole des porteuses non sélectionnées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de modulation comprend un calcul de transformée de Fourrier dont la taille est réduite au sous-ensemble de porteuses adjacentes sélectionné. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'obtention de la valeur de débit cible à transmettre sur le canal comprend une étape d'extraction d'une information relative au débit à partir des données obtenues. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sous-ensemble sélectionné comprend la porteuse de fréquence la plus basse.30 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de porteuses dans le sous-ensemble sélectionné est une puissance de deux, de trois ou de cinq. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, préalablement à l'étape de sélection, une étape de regroupement des porteuses en blocs ordonnés par fréquence croissante comprenant au moins deux porteuses, et une étape itérative de calcul du débit cumulé résultant de l'ajout, par bloc, des porteuses des blocs ordonnés dans le sous-ensemble. 7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de modulation comprend au moins une sous-étape de modulation par bloc de porteuses, la sous-étape de modulation par bloc comprenant l'ajout d'une information aux données à moduler, l'information indiquant l'existence dans le sous-ensemble sélectionné d'un bloc de fréquences supérieures. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, préalablement à l'étape de sélection, une étape d'exclusion d'au moins une porteuse de l'ensemble, l'étape de sélection ne prenant pas en compte l'au moins une porteuse exclue. 9. Dispositif d'émission de données dans un canal de transmission par courant porteur en ligne, la bande de fréquence du canal étant divisée en un ensemble de sous-bandes orthogonales appelées porteuses, le dispositif comprenant un module d'estimation de la réponse fréquentielle de l'ensemble de porteuses du canal, un module d'obtention des données à émettre, un module de modulation en fréquence des données à l'aide d'un symbole par porteuse, un débit résultant du canal étant proportionnel au nombre de symboles utilisés et au nombre de bits utilisés pour coder chaque symbole, et un module d'émission des données modulées dans le canal, le dispositif comprenant en outre les modules suivants :- allocation d'un nombre de bits par symbole pour au moins une porteuse du canal, en fonction de la réponse fréquentielle de la porteuse ; - obtention d'une valeur de débit cible à transmettre sur le canal ; - sélection d'un sous-ensemble de porteuses adjacentes dont le débit résultant est supérieur ou égal au débit cible ; - mise à zéro du nombre de bits par symbole des porteuses non sélectionnées. 10. Modem émetteur comprenant au moins un dispositif d'émission selon la revendication 9. 11. Système de transmission par courant porteur en ligne comprenant au moins un modem émetteur selon la revendication 10 et au moins un modem récepteur apte à recevoir un signal émis par l'au moins un modem émetteur. 12. Programme d'ordinateur, caractérisé en ce qu'il comprend des instructions pour la mise en oeuvre des étapes du procédé d'émission selon la revendication 1, lorsque ce procédé est exécuté par un processeur. 13. Support d'enregistrement lisible par un modem émetteur sur lequel est enregistré le programme selon la revendication 12.