Étude et optimisations d'une communication à haut débit par courant porteur en ligne pour l'automobile

The market for automotive electronic devices grows every year. Indeed, we have more and more electronic devices in cars for a lot of applications like comfort, security, infotainment, ... All these devices need to communicate and this will be more important in the next years. However, these new needs bring also some new problems for the car manufacturer. One of these are the bottleneck of cable bundles between electronic control unit (ECU), actuators, sensors and many other functions. In last years, to solve this problem, some new networks have been used like the CAN and more recently the FlexRay. In this thesis, we study an other kind of network which does not need new wires: the power line communication (PLC). More precisely, the PLC is a system for carrying data on wires that are also used for electric power transmission. Moreover, with a PLC system, we can expect higher data rates than existing in-vehicle networks. This type of communication system will be interesting for ADAS and Infotainment applications, ... In a first part, we study the feasability of in-vehicle PLC devices with indoor modem. The HPAV and HD-PLC standards are studied. The measurements show data rates higher than 10 Mbps. Then, we study the PLC channel with measurements realized on four different vehicles. With these measurements, we characterized the in-vehicle PLC channel: coherence bandwidth, delay spread, background noise and impulsive noises. In a second part, we perform a simulation work to study in detail the performance of a multi-carrier transmission. We observe the influence of electrical topology, points locations, and scenarios (car with engine ON/OFF, car moving, ...). The simulation results confirm the data rates variation observed during the feasability study with indoor PLC modems. Then, we optimize two important parameters in order to maximize the bit rate: the guard interval and the inter-carrier spacing. The simulation results show that the inter-carrier spacing can be increased and the guard intercal can be reduced compare to the HPAV parameters. Finally, we show that the PHY layer for a in-vehicle PLC system have to change according to the channel and the different electrical topology. In a last part, we present a demonstrator which uses a software-defined radio platform: the USRP2 card. With this kind of testbed, all the signal processing tasks are performed on a GPP which offers a high flexibility. The preliminary results confirm those found during the simulations. Several measurements of bit rates achieved are proposed, in the band [0-12.5] MHz, for two scenarios: car engine OFF and car engine ON.Le marché de l'électronique dans l'automobile est en constante augmentation. En effet, nos voitures embarquent de plus en plus d'électroniques pour améliorer notre confort, notre sécurité et même nos loisirs avec l'arrivée d'applications de type multimédia. À cela s'ajoute une nécessité pour ces fonctions de communiquer entre elles qui est toujours plus importante. Cela n'est pas sans conséquences pour les constructeurs et équipementiers de l'automobile qui assistent à un engorgement des faisceaux de câbles permettant l'échange de données entre les calculateurs, les capteurs et bien d'autres fonctions. De nouvelles architectures de réseaux et de calculateurs semblent alors nécessaires comme cela a été le cas il y a quelques années avec l'apparition des réseaux multiplexés comme le CAN et récemment le FlexRay. Dans ce travail de thèse, nous proposons d'étudier un nouveau type de réseau de communication qui ne nécessite pas l'ajout de nouveaux câbles et qui laisse présager des débits élevés: le courant porteur en ligne (CPL). Plus précisément, le CPL est un moyen de communication bien connu de l'Indoor qui permet d'utiliser le réseau électrique pour échanger des données. Ce type de réseau serait potentiellement intéressant pour des applications d'aide à la conduite et de multimédia. Dans une première partie, nous avons réalisé une étude de faisabilité qui a utilisé des modems dédiés aux communications CPL Indoor. Les standards HPAV et HD-PLC ont été testés et les résultats montrent des débits supérieurs à 10 Mbps. Ensuite, nous avons étudié plus spécifiquement le canal de propagation CPL à partir de mesures faites sur quatre véhicules. Cela nous a permis d'entreprendre une étude de caractérisation du canal: bande de cohérence, étalement des retards, bruit de fond et bruits impulsifs. Dans une deuxième partie, un travail de simulation a été réalisé afin d'étudier plus spécifiquement les performances d'une transmission multi-porteuse de type DMT. L'influence de la topologie, des points dans le réseau électrique ainsi que les scénarios (véhicule à l'arrêt, en fonctionnement, ...) ont été mis en évidence et ont confirmé les variations des débits de l'étude de faisabilité. Ensuite, nous avons cherché à optimiser deux paramètres importants dans le but de maximiser les débits: l'intervalle de garde et l'espacement entre porteuses. Il en ressort que nous pouvons augmenter l'espacement entre porteuses et réduire la taille de l'intervalle de garde comparé au standard HPAV. Enfin, nous montrons que la couche PHY d'un système CPL pour l'automobile doit être, comme l'Indoor, adaptative aux variations et à la diversité des canaux de propagation. Dans une dernière partie, nous présentons notre démonstrateur qui utilise une plateforme radio logicielle USRP2. Il est original dans sa réalisation car il permet de construire la couche PHY de manière logicielle sur un GPP. Ce principe offre une grande souplesse et la flexibilité nécessaire à un prototype. De premiers tests d'une communication CPL intra-véhicule confirment les résultats obtenus en simulation. Des mesures de débits atteignables, dans une bande de [0-12.5] MHz, ont été faites pour deux cas: voiture à l'arrêt et moteur allumé