memoireUNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
ANALYSE DE PERFORMANCE D’UN
Soutenu le 16 Avril 2015 devant la Commission d’examen composée de :
Président:
du Diplôme : - Grade : MASTER
Mention : Télécommunication
Par : RABESON Andrivola Elie
2015 devant la Commission d’examen composée de :
M. RATSIMBAZAFY Andriamanga
i
REMERCIEMENTS
Je rends grâce à Dieu pour sa bonté, de m’avoir donné la force et la santé durant la réalisation de
ce mémoire.
Je tiens également à adresser mes vifs remerciements aux personnes suivantes sans qui ce travail
de mémoire n’aurait pas pu être réalisé :
Monsieur RANDRIANARY Philipe, Professeur Titulaire, Directeur de l’Ecole Supérieure
Polytechnique d’Antananarivo (ESPA), pour ces cinq années d’études.
Monsieur RAKOTOMALALA Mamy Alain, Maître de Conférences, Chef du Département
Télécommunication à l’ESPA, pour m’avoir accueilli au sein de ce département ;
Monsieur RANDRIAMITANTSOA Paul Auguste, Professeur Titulaire, Directeur de ce mémoire
qui, malgré ses lourdes responsabilités, m’a toujours prodigué ses conseils. Je tiens à lui adresser
toute ma gratitude ;
Monsieur ANDRIAMIASY Zidora, Maître de Conférences au sein du Département
Télécommunication à l’ESPA, qui me fait l’honneur de présider le Jury de ce mémoire;
Les membres du Jury :
Télécommunication à l’ESPA;
Monsieur RAKOTONDRAINA Tahina Ezéchiel, Maître de Conférences au sein du Département
Télécommunication à l’ESPA;
Monsieur, RAVONIMANANTSOA Ndaohialy Manda-Vy, Maître de Conférences au sein du
Département Télécommunication à l’ESPA;
Tous les enseignants et personnel de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo et ceux du
Département Télécommunication particulièrement, sans leurs efforts notre formation n’aurait pas
pu atteindre cette étape.
Je n’oublierai pas ma famille pour leurs soutiens bienveillants et leurs encouragements lors de la
réalisation de ce mémoire. Plus particulièrement, à mes parents pour leurs sacrifices durant ces
longues années afin que je puisse finir mes études.
Les étudiants de ma promotion et amis qui ont partagé avec moi ses cinq années et qui m’ont aidé
de nombreuse façon lors de l’élaboration de ce mémoire.
Tous ceux qui ont contribué, de près ou de loin, à l’élaboration de ce mémoire
ii
INTRODUCTION GENERALE .................................................................................................................. 1
CHAPITRE 1 ................................................................................................................................................. 3
1.3.1 Propagation d’ondes lumineuse ................................................................................................... 6
1.3.2 Loi de Descartes ............................................................................................................................ 6
1.3.3 Angle limite et condition de guidage ............................................................................................ 7
1.3.4 Ouverture numérique (ON) .......................................................................................................... 7
1.4 Le trajet lumineux et les modes de propagation [4] [5] [10]............................................................ 9
1.4.1 Fibre multimode ............................................................................................................................ 9
1.4.2 Fibre monomode ......................................................................................................................... 11
1.5.1 Dispersion intermodale ............................................................................................................... 12
1.5.2 Dispersion chromatique .............................................................................................................. 13
1.6 Atténuation de fibres optiques [3] [5] ............................................................................................. 15
1.6.1 Atténuation intrinsèque .............................................................................................................. 15
1.6.3 Pertes par courbure et microcourbure ....................................................................................... 17
1.7 Conclusion ......................................................................................................................................... 19
2.1 Introduction ....................................................................................................................................... 20
2.2 Multiplexage ...................................................................................................................................... 20
iii
2.3 Architecture des réseaux optiques [11] ........................................................................................... 21
2.3.1 Les réseaux à diffusion ............................................................................................................... 21
2.3.2 Les réseaux à routage en longueur d’onde ................................................................................ 23
2.4 Protocol des réseaux optiques [11] [12] ........................................................................................... 24
2.4.1 GMPLS ........................................................................................................................................ 24
2.5 Conclusion ......................................................................................................................................... 35
3.1 Introduction ....................................................................................................................................... 36
3.2.1 Les réseaux câblés (CATV) ........................................................................................................ 36
3.2.2 Les accès xDSL ........................................................................................................................... 38
3.3 Les réseaux d’accès hertziens [11] [14] ........................................................................................... 41
3.3.1 Les normes et Catégories des réseaux sans fil ........................................................................... 41
3.3.2 La boucle locale sans fil WLL (Wireless Local Loop) ............................................................... 42
3.3.3 Les réseaux de mobiles ............................................................................................................... 42
3.3.4 La boucle locale satellite ............................................................................................................. 46
3.4 Conclusion ......................................................................................................................................... 48
4.1 Introduction ....................................................................................................................................... 49
4.2.1 Interface optique d’émission ...................................................................................................... 50
4.2.2 Interface optique de réception .................................................................................................... 55
4.3 Architecture [8] [15].......................................................................................................................... 56
4.4 Type de réseau PON [11] [12] .......................................................................................................... 57
4.4.1 APON (ATM Over PON) ............................................................................................................ 57
4.4.2 BPON (Broadband PON ) .......................................................................................................... 58
iv
4.4.4 GPON .......................................................................................................................................... 60
4.5 Conclusion ......................................................................................................................................... 60
5.1 Introduction ....................................................................................................................................... 61
5.3 Présentation de COMSIS [9] ............................................................................................................ 61
5.3.1 L’éditeur de schéma-bloc............................................................................................................ 61
5.3.4 Déroulement de la simulation sous COMSIS ............................................................................ 64
5.4 Architecture du réseau ..................................................................................................................... 67
5.4.1 L’ONU ......................................................................................................................................... 67
5.4.2 L’OLT .......................................................................................................................................... 68
5.4.3 Le splitter ..................................................................................................................................... 69
5.5.1 DSP pour différent débit à l’émetteur ........................................................................................ 70
5.5.2 Format du signal a la sortie de l’ONU ....................................................................................... 70
5.5.3 résultat aux sorties du splitter .................................................................................................... 71
5.5.4 Diagramme de l’œil .................................................................................................................... 72
5.5.5 Résultat à la sortie ...................................................................................................................... 72
5.5.6 Multiplexage en longueur d’onde .............................................................................................. 73
5.6 Conclusion ......................................................................................................................................... 74
v
1–minuscules grecques
λ longueur d’onde dans le vide
λ longueur d’onde
∝ perte transitoire à l’entrée de la courbure dans une fibre multimode
αmono Atténuation linéique
2–majuscules grecques
n+ différence absolue d’indice entre le cœur dopé au germanium et la silice pure l’angle incidentà l’entrée de la fibre
différence relative d’indice
différence relative d’indice
3–minuscules latines
indice de réfraction du cœur
indice de réfraction de la gaine
composante suivant l’axe de propagation de la vitesse
diamètre du cœur de la fibre
célérité de la lumière
E1 Champs électrique de la première fibre
E2 Champs électrique de la seconde fibre
L distance parcourue dans la fibre
N nombre de modes des ondes lumineuses
R rayon de courbure
T coefficient de transmission
ADSL Asymmetric DSL
CEPT Conférence européenne des Postes et Télécommunications
COMSIS COMmunication System Interactive Software
CR-LDP : Constraint-based Routing-Label Distribution Protocol
vii
DCS Digital Cellular System
DSP DensitéSpectrale de Puissance
EFM Ethernet in the First Mile
EPON Ethernet Passive Optical Network
ETSI European Standard Telecommunications Institute
FDC fonction de distribution cumulative
FDMA Frequency Division Multiple Access
FITL Fiber In-The-Loop
FSC Fiber Switching Capable
GEOS GeostationaryEarth Orbital Satellite
GFP Generic Framing Protocol
GSM Global System for Mobile Communication
HDLC High-level Data Link Control
HDSL High Bit Rate DSL
HDTV High Definition TV
HLR Home Location Register
HomeRF Home Radio Frequency
IETF Internet Engineering Task Force
IOE Interface Optiqued’Emission
IP Internet Protocol
IPv6 IP version 6
L2S Level 2 Switching
LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LEOS Low Earth Orbital Satellite
LMP Link Management Protocol
LSC Lambda Switching Capable
LSP Label Switched Path
LSR Label Switch Router
ix
ON OuvertureNumérique
OXC Optical Cross Connect
P2M point to multipoint
PCM Pulse Code Modulation
PON Passive Optical Network
PSC Packet Switching Capable
RADSL Rate Adaptive DSL
RSVP Resource reSerVation Protocol
SDH Synchronous Digital Hierarchy
SDSL Single Pair DSL
SMF Single Mode Fiber
TDM Time Division Multiplexing
TE Trafic Engineering
TE Transverse Electrique
TM Transverse Magnétique
UMTS Universal Mobile Télécommunication System
VC Virtual Container
VLR Visitor Location Register
WDM Wavelength Division Multiplexing
WLAN Wireless Local Area Network
WLAN Wireless Local Area Network
WLL Wireless Local Loop
1
INTRODUCTION GENERALE
L’un des aspects le plus important dans tout réseau c’est son accès. Un réseau inaccessible ne
serait que perte d’énergie et de ressource. C’est pourquoi le réseau d’accès a une importance
capitale. Aussi connue sous le nom de « dernier kilomètre du réseau », il relie directement
l’utilisateur final au cœur du réseau. L’évolution de la connaissance de l’homme n’a cessé de
divulguer de nouvelle technique pour interconnecter les hommes entre eux. De la découle de
multiples moyens permettant de réaliser les réseaux d’accès, même s’ils ont longtemps été
l’apanage du câble métallique, avec le réseau téléphonique. Une certaine diversification est
apparue ensuite, avec le câble coaxial, les faisceaux hertziens, les fils électriques et la fibre
optique. Un autre point non négligeable dans les techniques a utilisé dans les réseaux d’accès est
l’augmentation sans cesses de la demande en débit des utilisateurs finaux. Augmentation
explicable, aussi bien par l’accroissement de la population ayant accès aux nouvelles technologies,
mais aussi par l’apparition de nouvelle application gourmande en bande passante. Des services
comme la télévision haute définition ou HDTV nécessite jusqu’à 20 Mbps par chaine pour être
visible. L’augmentation et l’amélioration de services interactives, comme les jeux vidéo,
l’apparition des chaines de télévision sur internet ou IPTV ; tout cela explique la nécessité
d’augmenter le débit à travers les réseaux. Jusqu’à ce jour, parmi tous les supports de
transmission, la fibre optique est celle qui offre le plus grand débit. Il est donc normale de la
choisir pour les réseaux d’accès de maintenant et du futur.
Ce mémoire sera abordé en cinq chapitres, qui seront structurés comme suit
Le premier chapitre abordera les aspects généraux de la fibre optique. On parlera de la
transmission de la lumière à travers la fibre, des phénomènes et facteur de diminution de la qualité
de transmission à travers la fibre.
Le second chapitre s’articulera autour des réseaux optiques en générale. Les différents structures
et techniques mis en œuvre à l’intérieure des réseaux optiques sera élaborer en premier lieux. Puis
les différent protocoles et moyens utilisé pour le transport des signaux optiques à travers le réseau.
2
Le troisième chapitre fera un aperçu des différents types de réseau d’accès. Depuis les réseaux
d’accès terrestre comme le câbles coaxiaux et les technologies DSL ; en passant par les réseaux
d’accès sans fil tel que le Wi-Fi, le WIMAX et les réseaux de mobiles ; et aussi du réseau d’accès
par satellite.
Le quatrième chapitre se focalisera sur les réseaux d’accès optiques. Plus particulièrement les
réseaux PON. A travers les moyens de transmission utilisés, puis par l’architecture de ces réseaux
et les différents types de réseaux PON.
Le dernier chapitre sera une simulation de l’architecture PON introduit précédemment afin de
démontrer son efficacité et de promouvoir l’utilisation et l’amélioration de ces types de réseaux
d’accès.
1.1 Introduction [1]
Bien avant l'invention du téléphone parGraham Bell (1876), les télécommunications utilisaient
déjà la voie du fil électrique (télégraphe). Puis, grâce à Maxwell et Hertz, les informations ont
emprunté la voie des airs. Finalement, dans les années 1970 est apparu le principe de la fibre
optique : transmettre un signal lumineux à travers un milieu transparent.
La fibre optique a connu de nombreuses avancées depuis ses débuts et en annonce de bien plus
prometteuses encore : la multiplicité des paramètres, qui jouent sur l'efficacité de la fibre, fait que
l'on peut sans cesseaméliorer les performances de celle-ci.
La fibre optique est une guide diélectrique permettant de conduire la lumière sur une grande
distance. Elle est constituée de 3 éléments (Figure 1.1) :
- le cœur dans lequel se propage l’onde lumineuse ;
- la gaine utilisée pour assurer la réflexion de l’onde lumineuse dans le cœur ;
- la couche protectrice ou revêtement plastique.
Figure 1.01 : Structure d’une fibre optique
4
1.2 Historique [5]
A l'époque des Grecs anciens, le phénomène du transport de la lumière dans des cylindres de verre
était déjà connu. Il était, semble-t-il, mis à profit par les artisans du verre pour créer des pièces
décoratives. Plus tard, les techniques de fabrication utilisées par les artisans vénitiens de la
Renaissance pour fabriquer les « millefiori » ressembleraient beaucoup aux techniques actuelles
de fabrication de la fibre optique. L'utilisation du verre en conjonction avec la lumière n'est donc
pas récente.
La première démonstration scientifique du principe de la réflexion totale interne fut faite par le
physicien irlandais John Tyndall devant la Société Royale Britannique en 1854. A l´époque, l'idée
de courber la trajectoire de la lumière, de n’importe quelle façon que ce soit, était révolutionnaire
puisque les scientifiques considéraient que la lumière voyageait uniquement en ligne droite. La
démonstration consistait à guider la lumière dans un jet d'eau déversé d'un trou à la base d'un
réservoir. En injectant de la lumière dans ce jet, celle-ci suivait bien la courbure du jet d'eau,
démontrant ainsi qu'elle pouvait être déviée de sa trajectoire rectiligne. Il put de cette manière
démontrer le principe qui est à la base de la fibre optique. Par la suite, de nombreuses inventions
utilisant le principe de la réflexion totale interne virent le jour ; comme les fontaines lumineuses
ou des dispositifs permettant de transporter la lumière dans des cavités du corps humain.
On doit la première tentative de communication optique à Alexander Graham Bell, connu pour
l'invention du téléphone. En effet, il mit au point, au cours des années 1880, le photophone. Cet
appareil permettait de transmettre la lumière sur une distance de 200 m.
La voix, amplifiée par un microphone, faisait vibrer un miroir qui réfléchissait la lumière du soleil.
Quelques 200 m plus loin, un second miroir captait cette lumière pour activer un cristal de
sélénium et reproduire le son voulu. Le récepteur de cet appareil était presque identique à celui du
premier téléphone. Bien qu'opérationnelle en terrain découvert, cette méthode s'avéra peu utilisée.
La pluie, la neige et les obstacles qui empêchaient la transmission du signal condamnèrent cette
invention, bien qu'il considérait lui-même que le photophone était sa plus grande invention,
puisqu'elle permettait une communication sans fil.
La possibilité de transporter de la lumière le long de fines fibres de verre fut exploitée au cours de
la première moitié du XXe siècle. En 1927, Baird et Hansell tentèrent de mettre au point un
dispositif d'images de télévision à l'aide de fibres. Hansell put faire breveter son invention, mais
elle ne fut jamais vraiment utilisée. Quelques années plus tard, en 1930, Heinrich Lamm réussit à
transmettre l'image d'un filament de lampe électrique grâce à un assemblage rudimentaire de fibres
5
de quartz. Cependant, il était encore difficile à cette époque de concevoir que ces fibres de verre
puissent trouver une application.
La première application fructueuse de la fibre optique eut lieu au début des années 1950, lorsque
le fibroscope flexible fut inventé par Van Heel et Hopkins. Cet appareil permettait la transmission
d'une image le long de fibres en verre. Il fut particulièrement utilisé en endoscopie, pour observer
l'intérieur du corps humain, et pour inspecter des soudures dans des réacteurs d'avion.
Malheureusement, la transmission ne pouvait pas être faite sur une grande distance étant donnée la
piètre qualité des fibres utilisées. En 1957, le fibroscope (endoscope flexible médical) est inventé
par Basil Hirschowitz aux États-Unis.
Les télécommunications par fibre optique restèrent impossibles jusqu'à l'invention du laser en
1960. Le laser offrit en effet l'occasion de transmettre un signal avec assez de puissance sur une
grande distance. Dans sa publication de 1964, Charles Kao, des Standard Telecommunications
Laboratories, décrivit un système de communication à longue distance et à faible perte en mettant
à profit l'utilisation conjointe du laser et de la fibre optique. Peu après, soit en 1966, il démontra
expérimentalement, avec la collaboration de Georges Hockman, qu'il était possible de transporter
de l'information sur une grande distance sous forme de lumière grâce à la fibre optique. Cette
expérience est souvent considérée comme la première transmission de données par fibre optique.
Cependant, les pertes dans une fibre optique étaient telles que le signal disparaissait au bout de
quelques centimètres, non par perte de lumière, mais parce que les différents chemins de réflexion
du signal contre les parois finissaient par en faire perdre la phase. Cela la rendait peu avantageuse
par rapport au fil de cuivre traditionnel. Les pertes de phase entraînées par l'usage d'une fibre de
verre homogène constituaient le principal obstacle à l'utilisation courante de la fibre optique.
En 1970, trois scientifiques de la compagnie Corning Glass Works de New York, Robert Maurer,
Peter Schultz et Donald Keck, produisirent la première fibre optique avec des pertes de phase
suffisamment faibles pour être utilisée dans les réseaux de télécommunications (20 dB/km ;
aujourd'hui la fibre conventionnelle affiche des pertes de moins de 0,25 dB/km pour la longueur
d'onde 1550 nm utilisée dans les télécommunications). Leur fibre optique était en mesure de
transporter 65 000 fois plus d'informations qu'un simple câble de cuivre. Le premier système de
communication téléphonique optique fut installé au centre-ville de Chicago en 1977. En On estime
qu'aujourd'hui plus de 80 % des communications à longue distance sont transportées le long de
plus de 25 millions de kilomètres de câbles à fibres optiques partout dans le monde.
6
1.3.1 Propagation d’ondes lumineuse
Lorsqu'un faisceau lumineux heurte obliquement la surface qui sépare deux milieux plus ou moins
transparents, il se divise en deux : une partie est réfléchie tandis que l'autre est réfractéec'est à dire
transmise dans le second milieu en changeant de direction.
Figure 1.02 : Principe de propagation d’onde lumineuse
La vitesse de la lumière dans un matériau d’indice n est donnée par la formule :
= [m /s]
(1.01)
Pour guider la lumière, la fibre utilise le phénomène de réflexion totalequi se produit à l’interface
de deux milieux d’indices différents. Ces deux milieux sont définis par le cœur et la gaine.
L’indice de réfraction de la gaine doit être inférieur à celui du cœur
1.3.2 Loi de Descartes
Un faisceau lumineux qui heurte la surface séparant deux milieux transparents et d’indice de
réfraction différent, et se divise en deux rayons :
- un rayon réfléchi formant un angle par rapport à la normale à l’interface
des deux milieux
- un rayon réfracté avec un angle par rapport à la même normale.
7
D’après la loi de Descartes, les trois rayons (incident, réfléchi et réfracté) sont dans le même plan et sont liés par les relations : () = () (1.02) Soit = , étant l’angle d’incidence. () = ( ) (1.03) () = ( ) (1.04)
1.3.3 Angle limite et condition de guidage
Si > , il est théoriquement possible d’avoir = " . Dans ce cas il n’y a pas réfraction. On
notera l’angle du rayon incident correspondant à = "
La loi de Descartes devient alors :
# %&#(&&') = # %&#(( ) = #
est appelé angle limite
La condition de guidage dans le cœur est donnée par la relation :
≥ 012%&# ( ) (1.06)
Si cette condition n’est pas vérifiée alors le rayon est réfracté dans la gaine de la fibre optique
1.3.4 Ouverture numérique (ON)
Pour qu’un rayon lumineux arrive à la sortie de la fibre, il doit subir plusieurs réflexions tout au
long de la fibre. A chaque réflexion une partie de la lumière est réfractée et donc absorbée par la
gaine. Le rayon finit alors par être complètement atténué.
Cependant il est possible de choisir l’angle d’incidence pour qu’il n’y ait pas de réfraction,
soit > . Par conséquent, le rayon injecté à l’entrée arrivera à la sortie sans aucune atténuation.
On définit alors l’ouverture numérique d’une fibre optique, en fonction de l’angle d’incidence
limite , qui permet d’assurer une transmission sans pertes théoriques.
8
Figure 1.03 : Propagation de l’onde
Soit l’indice de réfraction du cœur, celui de la gaine et celui de l’air ( =1). On cherche
l’angle incident à l’entrée de la fibre correspondant à l’angle limite .
D’après la loi de Descartes on a :
3(43)= (4) (1.07) Avec = " − et = 1
Soit sin(7) = sin 8" − 9 = cos() = ;1 − < () Or = arcsin ( )
D’où
%&#(4=) = > − ( ) (1.08)
?@ = %&#(ABCD) = %&# 8E − 4FB9 = ; − (1.09)
Afin de faciliter l’injection de la lumière dans la fibre à l’entrée, on a intérêt à avoir l’angle limite
7le plus grand possible. Ceci s’obtient pratiquement en choisissant des indices et très
proches.
9
1.4 Le trajet lumineux et les modes de propagation [4] [5] [10]
Les modes sont l'expression des différents chemins optiques que peut suivre le signal dans la fibre.
Suivant le nombre de modes N des ondes lumineuses qui peut se propager dans la fibre, la fibre
est dit :
1.4.1 Fibre multimode
La fibre multimode a un diamètre de cœur de l’ordre de 50 à 200µm. Plusieurs chemins de
propagation y sont possibles. Suivant le type de profil d’indice, il y a la fibre à saut d’indice et la
fibre à gradient d’indice
1.4.1.1 Fibre multimode à saut d’indice
Dans cette fibre, le cœur est homogène et d’indice . Il est entouré d’une gaine optique d’indice
inférieur à . Le faisceau lumineux injecté à l’entrée de la fibre va atteindre la sortie en
empruntant des chemins optiques différents. Ce qui se traduit par de temps de propagation. Les
fibres à saut d'indice présentent un cœur transparent d'indice constant, et une gaine sombre, il y a
alors réflexion du rayon lumineux à la frontière entre les deux matériaux. Cependant, le chemin
optique varie, ce qui est gênant puisqu'un même signal se retrouve étendu à la sortie.
Figure 1.04 : Fibre multimode à saut d’indice
On définit le paramètre V appelé fréquence réduite donnée par la formule:
G = (0 λ3 ;# − #
a diamètre du cœur de la fibre [µm]
Le nombre de modes N dans ce type de fibre est égal à :
H = G
1.4.1.2 Fibre multimode à gradient d’indice
Ici l'indice varie peu à peu du centre à la gaine, la forme de la trajectoire est plus sinusoïdalecar le
rayon est dévié au fur et à mesure qu'il s'éloigne du centre. La variation du chemin optique est ici
plus faible car le cœur a un diamètre moindre. L'étalement du signal est moins important grâce à la
variation de l’indice.
Figure 1.05 : Fibre à gradient d’indice
Le cœur n’est plus homogène : la valeur de l’indice décroît progressivement depuis l’axe du cœur
jusqu’à l’interface cœur-gaine, suivant la loi :
#(1) = #I − (1 0)⁄ K
(1.12)
différence relative d’indice
= n − n 2n ≈ n − n n si (n − n n )
11
Les rayons lumineux vont aussi emprunter des chemins différents, mais un choix judicieux du
profil d’indice du cœur permet de tendre vers des temps de parcours voisins et donc de réduire
l’étalement du signal.
La trajectoire des rayons lumineux est incurvée quand on se rapproche de la gaine.
Le nombre de modes N dans ce fibre est donné par :
H = KK + G
(1.13)
Remarques :
• Pour une fibre à gradient d’indice parabolique α vaut 2, N vautP 4⁄ .
• L’avantage essentiel de ce type de fibre est de minimiser la dispersion du temps de propagation
entre les rayons sans utiliser une ouverture numérique trop faible.
1.4.2 Fibre monomode
Dans une fibre monomode, on obtient un seul mode grâce à la très faible dimension du cœur
(diamètre de 10 µm et moins). Ainsi le chemin de la lumière est imposé, il n'y en a qu'un seul :
celui du cœur. A l’entrée de la fibre, il est nécessaire d’avoir une grande puissance d’émission
pour ce diamètre de cœur très petit. La déformation du signal dans ce type de fibres est quasi
inexistante.
Figure 1.06 : Fibre monomode
La fibre monomode classique est une fibre à saut d’indice, avec la condition sur la fréquence
réduite V :
12
- une grande bande passante et une faible atténuation.
Le fait qu’un seul mode se propage limite la dispersion chromatique qui se traduit par une
variation de l’indice en fonction de la longueur d’onde. La propagation d’un seul mode limite
également l’atténuation en fonction de la longueur d’onde ce qui permet d’augmenter la distance
entre les répéteurs de lignes. En ajustant les paramètres optoélectroniques des guides diélectriques
qui constituent la fibre, il est possible de les optimiser pour une longueur d’onde donnée. Mais
cela se traduit généralement par l’obtention d’un diamètre de cœur très faible générant des
problèmes de raccordement.
1.5 Dispersion des fibres [1] [3] [7] [10]
La dispersion se manifeste par un élargissement des impulsions au cours de leur propagation. Ce
qui diminue la bande passante.
Il existe trois principaux types de dispersion :
• intermodale
• chromatique
• polarisation
1.5.1 Dispersion intermodale
Ce type de dispersion est très important pour la fibre multimode mais négligeable pour la fibre
monomode. L’énergie lumineuse injectée à l’entrée de la fibre est répartie entre différents modes.
Ces derniers se propagent dans le cœur avec la vitesse :
B = V %&# (4B) (1.15)
Pour le mode le plus lent : = W
Alors
Alors
Après un trajet d’une distance L, le décalage est :
• pour une fibre à saut d’indice
\ = '2 #(# − # )#
(1.18)
\ = '#2 (1.19)
\ = '#2 a
1.5.2 Dispersion chromatique
Pour un mode donné, la variation de l’indice avec la longueur d’onde impose un élargissement du
signal qui est important dans la fibre monomode. La vitesse de propagation moyenne d’une
impulsion est égale à la vitesse de groupe du mode fondamental. Le problème vient de ce que le
temps de propagation de groupe varie avec la longueur d'onde alors que les sources de
rayonnement lumineux ne sont pas rigoureusement monochromatiques. Il y a deux causes à
prendre en compte :
- l'indice qui varie en fonction de la longueur d'onde (dispersion matériau)
- la vitesse de groupe qui varie avec la longueur d'onde (dispersion guide d'onde).
Sa valeur par unité de longueur vaut :
b = (cd + ce)λ(ps/km) (1.21)
λ largeur spectrale de la source (nm)
DM dispersion due au matériau (ps/nm/km.)
DG dispersion due au guide (ps/nm/km.)
Posons f(λ) = fg + fh,le paramètre de dispersion chromatique qui s’exprime en ps.nm-1.km-1
et qui doit être compris entre les valeurs définies par les relations données par l’UIT-T G.652
i3Y0ZT (λλλλ − λλλλ3Y0ZT λλλλ
j ) (1.22)
λ] = 1300nm
λno= 1324nm
La figure représente la variation du facteur de dispersion chromatique typique d’une fibre de type
G.652, pour λ0min = 1300nm.
Figure 1.07 : Facteur de dispersion chromatique d’une fibre monomode
1.5.3 La dispersion de polarisation
Dans l’absolu, on ne réalise pas de fibre parfaite ; le problème auquel nous nous intéressons ici est
la polarisation de la lumière dans la fibre.
Les imperfections de fabrication produisent un cœur de forme plutôt elliptique. De plus, à
l’utilisation, les courbures déforment aussi la fibre ; on a alors un milieu anisotrope : au vu du
faisceau, il y a des indices différents selon la direction. Dans la fibre, on constate une
biréfringence : un rayon non polarisé incident est décomposé en deux rayons (extraordinaire et
ordinaire) polarisés linéairement mais l'un en mode transverse magnétique [TM] et l'autre en mode
transverse électrique [TE].
Plusieurs corrections existent :
- Un système électrique peut, de loin en loin sur la fibre, capter le signal et après analyse émettre
le signal comme à son origine. On perd ici l'efficacité du traitement tout optique.
15
- Des fibres à maintien de polarisation comme les fibres à cœur elliptique ou les fibresPANDA ou
TIGER.
Figure 1.08 : Fibres à maintien de polarisation
Avec ces fibres, on peut contrôler la polarisation le long de la fibre.
La perte de polarisation est utile pour l'utilisation des fibres comme capteurs : lorsque la fibre
subit des contraintes, le signal est modifié et on peut l’analyser.
1.6 Atténuation de fibres optiques [3] [5]
1.6.1 Atténuation intrinsèque
Dans les conditions théoriques, la puissance optique reste guidée dans le cœur, mais subit une
atténuation de 10_qr ⁄ . Cela est dû à deux phénomènes physiques dans le matériau : la diffusion
et l’absorption
1.6.1.1 Diffusion
La diffusion Rayleigh est due à l’interaction de l’onde avec la matière, qui la diffuse d’une
manière relativement isotrope. On l’observe dans tous les milieux désordonnés (verres, liquides,
gaz) à cause des fluctuations de densité sur des distances très courtes. Cette diffusion est
proportionnelle à λ_s. Par exemple, pour une fibre silice à cœur dopé au germanium, on obtient
numériquement :
Avec : λ en microns,
n+ est la différence absolue d’indice entre le cœur dopé au germanium et la silice pure.
16
Cette dépendance incite à travailler à des longueurs d’ondes élevées donc dans l’infrarouge.
1.6.1.2 Absorption
Elle peut être identifiée par :
• les transitions électroniques, qui se situent dans l’ultraviolet, et que les fibres en silice ne
transmettent donc pas ;
• les vibrations moléculaires de la silice qui présentent un spectre complexe dans l’infrarouge.
Elles entraînent une remontée rapide de l’atténuation à partir de1,7 µm. Cette limite d’utilisation
en transmission se situe plus loin pour des verres plus lourds tels que les fluorures ;
• des pics d’absorption sélectifs par diverses impuretés dont le plus important est dû aux liaisons
OH à 1,39 µm. Il est progressivement réduit par l’amélioration de la technologie de fabrication. En
effet une teneur résiduelle en eau de l’ordre de 10−7 est nécessaire pour ne pas être gêné par le pic.
Figure 1.09 : Atténuation spectrale de la fibre
1.6.2 Pertes aux raccordements
1.6.2.1 Causes des pertes
Lorsqu’on raccorde bout à bout, par épissure ou à l’aide d’un connecteur, deux fibres optiques, on
voit apparaître des pertes ponctuelles dues à 3 types de causes :
17
• réflexion de Fresnel aux deux interfaces verre-air (au total 8 %). Dans le cas où l’on utilise des
connecteurs, on peut éviter cette réflexion en utilisant un liquide adaptateur d’indice (qui de plus
protège les faces des fibres). Une autre technique consiste à polir les faces des fibres en biais pour
éviter que la lumière réfléchie retourne dans la fibre ;
• différence entre les paramètres de deux fibres (en principe identiques, ce qui n’est pas le cas en
pratique à une certaine tolérance près) ;
• mauvais positionnement relatifs : excentrement transversal, désalignement angulaire, écartement
longitudinal.
1.6.2.2 Calculs des pertes
Pour les fibres multimodes, ces pertes peuvent être estimées par un calcul géométrique (intégrale
de recouvrement entre les cônes d’acceptance des deux fibres). Toutefois, ces calculs supposent
une répartition uniforme de la puissance, et ne sont pas, de ce fait précis. De plus, un
raccordement mal fait perturbe la répartition des modes, donc la propagation, sur une distance qui
peut être longue.
Pour les fibres monomodes, le coefficient de transmission T d’une fibre à l’autre est obtenu par
une intégrale de recouvrement entre les champs E1 et E2, supposés gaussiens, des deux fibres :
x = y {(Z, |). { ∗Z,| (Z, |). ~Z. ~|y |{(Z, |)| ~Z. ~|. |{ (Z, |)| ~Z. ~|Z,|Z,|
(1.24)
= 3 ⁄ [dB] (1.25)
1.6.3.1 Causes des pertes
A l’entrée d’une section courbée, il y a augmentation de l’angle θqu’un rayon fait avec
l’interface cœur-gaine. Les modes d’ordre élevé sont alors réfractés. Les modes d’ordre plus
faibles voient leur atténuation augmenter par le couplage avec les modes réfractés. Dans le cas des
18
fibres monomodes, le mode fondamental devient à fuite. Il existe aussi un cas où l’on observe une
déformation locale de l’interface sous l’effet d’une contrainte, l’axe restant rectiligne. On parle
alors de microcourbure.
1.6.3.2 Effet des courbures
En pratique, l’effet d’une courbure locale est négligeable lorsque le rayon de courbure R est grand
devant un rayon critique Rcdonné empiriquement par :
Pour les fibres multimodes :
Pour les fibres monomodes :
λ29_j [cm] (1.27)
Lorsque R n’est pas trop proche de Rc, la perte transitoire à l’entrée de la courbure dans une fibre
multimode, due au filtrage spatial, vaut environ :
∝2= 3 _2 [dB] (1.28)
Dans les deux cas, on remarque qu’une forte différence d’indices permet d’être moins sensible aux
courbures ainsi qu’aux microcourbures. C’est aussi le cas d’un petit diamètre de cœur.
L’ordre de grandeur de ce rayon critique est de quelques centimètres, ce qui implique des
précautions lors de la pose des câbles. On peut cependant tolérer une perte locale sur une liaison
courte lorsqu’il n’est pas possible de trouver un autre chemin pour le câble.
1.6.3.3 L’effet de microcourbure
Il est plus complexe. Il dépend de l’amplitude des déformations mais aussi de leurs répartitions
spatiales. La perte augmente avec la contrainte appliquée à la fibre mais d’une façon dépendante
de la manière dont cette contrainte crée une déformation. Elle est en général étalonnée
expérimentalement.
L’atténuation linéique due aux mêmes microcourbures pour une fibre donnée, à partir de
l’atténuation mesurée sur une fibre de référence, est
19
(1.29)
amet ON se rapportent à la fibre multimode, w0 à la fibre monomode. Cette formule permet de
comparer deux fibres, quel que soit leur type, mais leurs caractéristiques mécaniques (diamètres
extérieurs et matériaux) doivent être les mêmes. Les fibres monomodes sont plutôt moins
sensibles que les fibres multimodes à gradient d’indice.
Pour réduire les microcourbures par amortissement des contraintes et pour empêcher la
propagation de fissures, il faut que les fibres aient des revêtements de protection.
1.7 Conclusion
La fibre optique se présente comme étant la meilleure façon d’utiliser la lumière comme support
de transmission pour les systèmes de télécommunication. A l’intérieure de la fibre, la lumière se
propage tout en étant guidé vers le récepteur. Bien que la présence de perte et d’atténuation due à
ses caractères physiques rend la fibre optique imparfaite, il n’en reste que c’est un excellent
support de transmission.
L’utilisation de fibre optique dans les réseaux n’est donc pas à exclure. C’est justement le sujet du
chapitre suivant
2.1 Introduction
Les fibres optiques utilisent la lumière au lieu de signal électrique pour transmettre des
informations. Les réseaux basés sur cette technologie s’en trouvent différencié par rapport aux
réseaux habituels. Les réseaux optiques se très avantager, notamment parce que les signaux sont
mieux préservés, puisqu’ils ne sont pas perturbés par les bruits électromagnétiques, et que les
vitesses sont très importantes.
2.2 Multiplexage
La notion de multiplexage s'explique par le fait de vouloir toujours transmettre plus d'information
sur une fibre optique. Le principe général est simple à comprendre : il consiste en fait à faire
passer plusieurs informations sur un seul support de transmission. A l'aide de ce principe simple,
de larges économies sont possibles grâce à la réduction des coûts d'installation et/ou
d'exploitation(moins de câbles pour faire passer la même quantité d'information).
2.2.1 Le multiplexage en temps (TDM)
Le TDM (Time Division Multiplexing) consiste à découper la bande passante de la fibre optique
en unités de temps, que vont se partager les différentes communications. Cela permet donc à un
émetteur de transmettre plusieurs canaux numériques élémentaires à faible débit sur un même
support de communication à plus haut débit(par exemple, conception d'un débit 40 Gbits/s, à partir
de 4séquences à 10 Gbits/s).
Figure 2.01 : Multiplexage TDM
Le WDM (Wavelength Division Multiplexing) consiste à mélanger plusieurs signaux optiques sur
une même fibre optique afin de multiplier la bande passante de celle-ci. Les signaux sont portés
par des longueurs d'ondes différentes, et espacées assez largement afin de ne pas interférer les
unes avec les autres. Ce procédé nécessite l'utilisation de matériel spécifique, en entrée : un
multiplexeur; et en sortie : un démultiplexeur.
Figure 2.02 : Multiplexage WDM
2.3 Architecture des réseaux optiques [11]
Les réseaux optiques s’appuient sur le multiplexage en longueur d’onde, qui consiste à diviser le
spectre optique en plusieurs sous canaux, chaque sous-canal étant associé à une longueur d’onde.
Sur chaque longueur d’onde, un autre niveau d’optoélectronique peut être utilisé, soit par un
multiplexage en fréquence, et dans ce cas la bande passante est de nouveau subdivisée entre
plusieurs stations (SubcarrierMultiplexing), soit par un multiplexage temporel TDM.Les réseaux
optiques à multiplexage en longueur d’onde peuvent être regroupés en deux sous-catégories :
• les réseaux à diffusion ;
• les réseaux à routage en longueur d’onde.
Chacune de ces sous-catégories peut être à saut unique (single-hop) ou à saut multiple (multi-hop).
2.3.1 Les réseaux à diffusion
Comme son nom l’indique il y a le principe de diffusion dans ce type de réseaux. Dans les réseaux
à diffusion, les émetteurs envoient des signaux et chaque station de réception reçoit l’ensemble
des signaux. L’acheminement des signaux s’effectue de façon passive. Chaque station peut
22
émettre sur une longueur d’onde distincte. Le récepteur reçoit le signal désiré en se plaçant sur la
bonne longueur d’onde. Les deux topologies les plus classiques sont l’étoile et le bus.
Figure 2.03 : Topologie en étoile
Figure 2.04 : Topologie en bus
Lorsque l’ensemble des signaux arrive directement à l’ensemble des stations sans repasser par des
formes électriques, le réseau est dit à saut unique (single-hop). C’est le cas des deux structures
illustrées aux figures 2.03 et 2.04. S’il faut passer par des étapes intermédiaires pour effectuer un
routage, nous avons des réseaux à sauts multiples (multi-hop), comme ceux décrits par la figure
2.05
Figure 2.05 : Architecture de réseau en étoile à sauts multiple
23
2.3.2 Les réseaux à routage en longueur d’onde
L’idée à la base des réseaux à routage en longueur d’onde consiste à réutiliser au maximum les
mêmes longueurs d’onde. La figure 2.06 illustre un nœud d’un réseau à routage en longueur
d’onde dans lequel de mêmes longueurs d’onde sont utilisées à plusieurs reprises.
Figure 2.06 : Nœud de base d’un réseau à routage en longueur d’onde
Cette architecture correspond à un routage fixe sur les longueurs d’onde. On peut également
développer des réseaux à routage en longueur d’onde avec des routages dynamiques dans le
temps. A cet effet, il faut insérer des commutateurs optiques ou optoélectroniques, suivant la
technologie utilisée, entre les ports d’émission et de réception. Un exemple de cette technique est
illustré à la figure 2.07.
De nombreuses recherches ont encore lieu dans le domaine de l’optique pour optimiser
l’utilisation des longueurs d’onde. Cette technique permet d’atteindre des débits particulièrement
élevés, qui se comptent en térabits par seconde. Les difficultés proviennent des coûts encore
élevés du multiplexage en longueur d’onde et surtout des commutateurs optiques. Lorsqu’on veut
minimiser le coût ou augmenter la portée, il faut utiliser des commutateurs optoélectroniques. Une
certaine fragilité est alors visible à chaque passage d’un environnement lumineux à un
environnement électrique.
2.4.1 GMPLS
MPLS (Multi Protocol Label Switching) est un ensemble de protocole utilisé pour commuter
rapidement du trafic IP dans les réseaux. Il peut être utilisé pour les réseaux optiques WDM routés
par longueur d'onde et prend le nom de Multi Protocol Lambda Switching (MPλS).
L'IETF (Internet Engineering Task Force) définit le GMPLS (Generalized MPLS), comme une
plateforme de contrôle pour établir des connexions variées, incluant les chemins lumineux, dans
des réseaux basés sur IP. Pour cela, il a fallu d'abord travailler sur les protocoles de routages et de
signalisations existants (OSPF et RSVP –Open ShortestPath First, et Resource reSerVation
Protocol- auxquels on ajoute souvent le sigle TE pour Trafic Engineering).
Ces deux protocoles sont utilisés conjointement pour apporter des solutions au fameux problème
RWA (Routing and WavelengthAssignment) qui est celui de trouver une route et de lui assigner
une longueur d’onde. Pour établir dynamiquement un chemin lumineux (Light Path), la route et
l'assignation de longueur d'onde doivent se faire quand la demande de connexion arrive. Il est
possible qu’aucune route avec une longueur d’onde commune soit trouvée, ou pire, que toutes les
longueurs d’ondes soient prises, auquel cas la demande est bloquée. L'objectif est de trouver une
route et une longueur d'onde qui maximise la probabilité d'obtenir une connexion, tout en
minimisant la probabilité de rendre infructueuse une demande de connexion suivante. Le choix de
la route se fait sur la base d’informations sur l'état du réseau qui sont locales ou globales. De ce
fait on peut employer deux types de routage :
• Statique
• Dynamique
Commençons par le routage statique, c’est à dire celui pour lequel les routes ont été calculées
avant la demande de connexion. Deux algorithmes sont possibles :
• le routage fixé (fixedrouting)
• le routage par chemin alternatif fixé (fixedalternatepathrouting).
Pour le routage fixé, une unique route est fixée pour chaque paire source/destination. Pour l'autre
algorithme, plusieurs routes fixées sont pré calculées pour chaque paire source/destination et
enregistrées dans une liste ordonnée dans la table de routage du nœud source. Lorsqu'une demande
de connexion intervient, une route est sélectionnée parmi celles qui ont été pré calculées.
25
Ces deux approches sont bien plus simples à implémenter que celles de routage dynamique, mais
peuvent entraîner des blocages de connexion. L'approche dynamique augmente les chances
d'établir une connexion en prenant en compte l'état du réseau, comme le nombre et la nature des
longueurs d’onde disponibles par liens.
2.4.1.1 Les extensions de MPLS
Au niveau trame (couche 2, ou liaison), MPLS ne travaille que sur des structures de trame de
niveau 2 : c’est ce qu’on appelle le L2S (Level 2 Switching). Des extensions permettent toutefois
d’introduire des références sur d’autres supports, comme le numéro d’une tranche de temps dans
un partage temporel ou un numéro de longueur d’onde sur une fibre optique.
Les principales possibilités d’extension de MPLS sont les suivantes :
• PSC (PacketSwitching Capable), pour les paquets capables de recevoir une référence.
On pourrait imaginer un paquet IPv6 avec le flow-label comme référence, mais cette solution n’est
pas acceptable en l’état, car un paquet ne peut être transmis directement sur un support physique :
il faut l’encapsuler dans une trame. C’est généralement la trame PPP qui sert de transporteur.
L2SC (Level 2 Switching Capable), qui correspond au label-switching utilisé dans la norme
MPLS.
• TDMC (Time Division Multiplexing Capable), qui introduit la référence en tant que slot dans un
multiplexage temporel. Toutes les techniques qui comportent une structure sous forme de trame
avec des slots à l’intérieur font partie de cette classe. En particulier, toutes les techniques
hertziennes avec division temporelle s’intègrent dans
GMPLS.
• LSC (Lambda Switching Capable), qui prend le numéro de la longueur d’onde à l’intérieur d’une
fibre optique comme référence de commutation. Cette technique a été la première extension de
MPLS sous le nom de MPλS.
• FSC (FiberSwitching Capable), qui prend le numéro d’une fibre optique parmi un faisceau de
fibres optiques comme référence de commutation. Dans un faisceau, les fibres sont numérotées de
1 à n, n correspondant au nombre de fibres optiques.
26
2.4.1.2 Hiérarchie des supports
La figure illustre une hiérarchie possible entre les techniques de commutation qui peuvent être
utilisés dans GMPLS. Dans cette figure, un flot de paquets IP donne naissance à un PSC
(PacketSwitching Capable), lui-même intégré dans un L2SC de type
FEC, c’est-à-dire rassemblant plusieurs flots IP ayant une propriété commune, comme un même
LSR de sortie.
Les flots de niveau L2CS peuvent eux-mêmes être encapsulés dans un slot d’une technique de
type SONET/SDH appelé TDMC (Time Division Multiplexing Capable). En continuant dans la
hiérarchie, les flots TDMC peuvent être à leur tour multiplexés dans une même longueur d’onde,
c’est-à-dire dans un LSC. En continuant la hiérarchie pour arriver au plus haut niveau, les
longueurs d’onde peuvent elles-mêmes être intégrées dans une fibre particulière d’un faisceau de
fibre optique ou FSC (FiberSwitching Capable).
.
2.4.1.3 Réseau overlay
Une autre caractéristique importante des réseaux MPLS et GMPLS est de travailler en réseau
overlay, c’est-à-dire en une hiérarchie de réseaux, comme illustré à la figure 2.09, où trois niveaux
sont représentés.
Si l’on suppose, pour simplifier, que le réseau global ne comprend que deux niveaux de hiérarchie,
comme illustré à la figure 2.10, chaque nœud du réseau overlay dessert un réseau du niveau sous-
27
jacent. Pour aller d’un point à un autre, de A à D par exemple, le paquet doit être envoyé par le
réseau local au nœud d’entrée du réseau overlay, c’est à dire de A à B sur la figure, puis transmis
dans le réseau overlay de B à C et enfin dans le réseau local d’arrivée de C à D.
Figure 2.09 : Fonctionnement d’un réseau Overlay à trois niveaux de hiérarchie
Figure 2.10 : Fonctionnement d’un réseau overlay à deux niveaux de hiérarchie
Si les différents niveaux de la hiérarchie comportent des réseaux maillés, qui permettent d’aller
directement d’un point à un autre dans le réseau, on voit que cette solution de réseau permet de
limiter le nombre de nœuds à traverser. Dans le cas de la figure, pour aller de A à D, l’on ne passe
28
que par deux nœuds intermédiaires, alors que si tous les nœuds du réseau avaient été au même
niveau, il aurait fallu peut-être une dizaine de sauts.
La structure hiérarchique des supports de transmission de GMPLS permet de mettre en place ce
type de réseau. On peut, par exemple, dans un cas simple, avoir des domaines MPLS de niveau 2
interconnectés par un réseau overlay utilisant une longueur d’onde sur une fibre optique. Ce
réseau overlay relie les points des domaines de base choisis pour faire partie du réseau overlay.
Pour ouvrir des chemins sur des réseaux différents les uns des autres, un ensemble de protocoles
de contrôle et de surveillance est nécessaire.
Un premier problème posé par le routage dans les réseaux overlay concerne le contrôle de la
connectivité, qui est pris en charge par des messages de type hello, envoyés régulièrement sur
toutes les interfaces. Chaque hello doit être acquitté explicitement. Lorsqu’aucun ack n’est reçu, la
ligne est considérée comme étant en panne.
Un second problème posé par les réseaux overlay provient de l’impossibilité pour des nœuds de
même niveau mais n’appartenant pas au même domaine de se transmettre directement des
messages de contrôle. Il faut passer par un réseau de niveau supérieur, lequel peut ne pas être
capable d’interpréter les messages des niveaux inférieurs. Il n’y a donc pas de vision globale du
réseau.
2.4.1.4 Contrôle et gestion de GMPLS
Pour améliorer le contrôle et la gestion, il est nécessaire de bien séparer les plans utilisateur,
gestion et contrôle, surtout si le réseau est complexe. Cela vaut encore davantage dans les réseaux
utilisant de la fibre optique. On distingue trois plans dans GMPLS :
• Le plan utilisateur, qui est chargé de transporter les données utilisateur d’une extrémité à l’autre.
• Le plan de contrôle, destiné à mettre en place les circuits virtuels puis à les détruire à la fin de la
transmission ou à les maintenir si nécessaire.
• Le plan de gestion, qui transporte les messages nécessaires à la gestion du réseau.
Les groupes de travail de GMPLS ont développé une telle architecture pour permettre de contrôler
par un plan spécifique l’ensemble des composants du réseau. Pour s’adapter au protocole GMPLS,
les protocoles de signalisation (RSVP-TE, CR-LDP) et les protocoles de routage (OSPF-TE,
IS-IS-TE) ont été étendus. Un nouveau protocole de gestion, appelé LMP (Link Management
Protocol), a été introduit pour gérer les plans utilisateur et de contrôle. LMP est un protocole IP
qui contient des extensions pour RSVP-TE et CR-LDP.
29
Les différentes couches que nous avons examinées forment l’architecture dite multicouche de
GMPLS : trame, slot temporel, longueur d’onde, ensemble de longueurs d’onde, fibre optique,
groupe de fibre optique.
2.4.1.5 Plan de contrôle de GMPLS
Une des difficultés rencontrées pour établir des LSP est de trouver le meilleur chemin, en tenant
compte des multiples couches de l’architecture. Par exemple, il est possible d’ouvrir une liaison
optique reliant deux commutateurs optiques et traversant plusieurs autres commutateurs de façon
totalement transparente. De ce fait, cette liaison, souvent appelée TE-Link, est vue comme une
liaison à un saut. L’optimisation du chemin à ouvrir a donc tout intérêt à passer par des TE-Link
du plus bas niveau possible.
L’architecture du plan de contrôle permettant de réaliser l’ouverture des LSP est illustrée à la
figure. Cette architecture contient les couches basses de l’architecture GMPLS,avec les différentes
possibilités de transporter les paquets IP de contrôle sur les différentes commutations acceptées
par GMPLS. Les paquets IP sont routés par des protocoles de routage de type OSPF-TE, c’est-à-
dire en tenant compte de l’ingénierie de trafic. Une fois le chemin déterminé, une réservation est
réalisée, essentiellement par le protocole RSVP-TE. D’autres possibilités, comme CR-LDP ou
BGP, peuvent être employées, mais elles n’ont pas encore rencontré le même succès que RSVP-
TE.
Figure 2.11 : Architecture du plan de contrôle de GMPLS
Le plan de contrôle de GMPLS demandera encore de nombreux développements et de tests avant
d’être vraiment optimisé. Il est aujourd’hui surtout utilisé pour la partie optique, mais comme il
n’y a pas de mémoire tampon dans les nœuds, les ouvertures et fermetures doivent se faire à la
volée.
30
À une mise en place des LSP devant se faire plusieurs heures à l’avance et souvent de façon
manuelle devrait succéder un processus automatique permettant d’ouvrir et de fermer les LSP
quasiment instantanément au fur et à mesure des demandes.
2.4.2 Les protocoles de communication SONET/SDH
Les protocoles SONET et SDH ont été développés séparément vers la fin des années 80 pour
répondre à la demande de la téléphonie, mais ils sont tout de même très proches. Ils sont utilisés
pour les communications optiques, mais aussi pour les communications radios. SONET a été mis
au point au Etats-Unis tandis que SDH est d'origine Européenne. Ils concernent tous deux la
couche physique et la couche liaison du modèle OSI.
2.4.2.1 SONET
Issue d’une proposition de Bellcore (Bell Communication Research), SONET est une technique de
transport entre deux nœuds, qui définit l’interface adoptée pour le NNI (Network Node Interface).
Elle ne concernait au départ que l’interconnexion des réseaux téléphoniques des grands
opérateurs, PTT, carrier, etc. Toute la difficulté de la normalisation a consisté à trouver un
compromis entre les intérêts américains, européens et japonais pour permettre l’interconnexion
des différents réseaux d’opérateur et des réseaux nationaux. La hiérarchie des débits étant
différente sur les trois continents, il a fallu s’entendre sur un niveau de base. C’est finalement le
débit de 51,84 Mbit/s qui a été retenu et qui forme le premier niveau, appelé STS-1 (Synchronous
Transport Signal, level 1). Les niveaux situés au-dessus du niveau 1, appelés STS-N, sont des
multiples du niveau de base. SONET décrit la composition d’une trame synchrone émise toutes les
125 µs. La longueur de cette trame dépend du débit de l’interface. Ses diverses valeurs sont
récapitulées au tableau 2.01 suivant la rapidité du support optique, ou OC (Optical Carrier).
OC-1 51,84 Mbit/s
OC-18 933,12 Mbit/s OC-192 9 953,28 Mbit/s
Tableau 2.01: Valeurs de la trame SONET en fonction de la rapidité du support optique
31
Comme illustré à la figure 2.12, la trame SONET comprend dans les trois premiers octets de
chaque rangée des informations de synchronisation et de supervision. Les cellules sont émises
dans la trame. L’instant de début de l’envoi d’une cellule ne correspond pas forcément au début de
la trame mais peut se situer n’importe où dans la trame. Des bits de supervision précèdent ce début
de sorte que l’on ne perde pas de temps pour l’émission d’une cellule.
Figure 2.12 : Trame SONET de base
Lorsque les signaux à transporter arrivent dans le coupleur SONET, ils ne sont pas copiés
directement tels quels mais inclus dans un container virtuel (Virtual Container). Ce remplissage
est appelé adaptation. Les trames SONET et SDH comportent plusieurs types de containers
virtuels, appelés VC-N (Virtual Container de niveau N). À ces containers, il faut ajouter des
informations de supervision situées dans les octets de début de chaque rangée. En ajoutant ces
informations supplémentaires, on définit une unité administrative, ou AU-N (Administrative Unit-
N). Les niveaux supérieurs comptent toujours neuf rangées, mais il y a n fois 90 octets par rangée
pour le niveau N. La trame du niveau N de la hiérarchie SONET est illustrée à la figure 2.13.
Figure 2.13 : Trame SONET STS-N
32
Le standard SONET est utilisé pour transporter des trames (niveau trame), voire des paquets
(niveau paquet), mais, bien sûr, encapsulés dans une trame à très haute vitesse. La trame SONET
possède des débits respectivement de 155 Mbit/s, 622 Mbit/s, 2,488 Gbit/s et 9,953 Gbit/s pour
l’OC3, l’OC12, l’OC48 et l’OC192. Cela permet de transporter n’importe quel type de trames à
haute vitesse, que ce soit ATM, Ethernet, IP, encapsulées dans une trame, ou toute autre entité.
Une caractéristique très importante de SONET est de fiabiliser la communication en cas de rupture
ou de panne de l’un de ses composants. Les réseaux SONET que l’on trouve dans les métropoles
ont une topologie en boucle. Deux chemins sont ainsi disponibles pour aller d’un point à un autre,
en particulier de l’utilisateur au réseau cœur de l’opérateur.
SONET permet la modification de ce chemin en 50 ms. Lors d’une rupture de la communication
dans un sens de la boucle, la reconfiguration peut s’effectuer en un temps occasionnant une
coupure quasiment indétectable pour les deux personnes en train de se parler. Cette capacité de
reconfiguration est un des atouts majeurs des structures SONET/SDH.
2.4.2.2 SDH
SDH signifie Synchronous Digital Hierarchy (hiérarchie numérique synchrone) et il est normalisé
par les normes G707, G708 et G709 de l'UIT-T. Les trames SDH sont représentées sous forme de
matrices et sont transmises toutes les 125 microsecondes. Etant donné que le cycle de transmission
d'une trame a une durée fixe, la seule façon d'augmenter le débit de la communication est
d'augmenter la taille de la trame émise. C'est pourquoi il existe plusieurs niveaux de trames de
taille fixe appelés STM (Synchronous Transport Module) et dont le niveau STM-1 représente la
trame de base. Une trame STM-1 est représentée par une matrice à 9 lignes et 270 colonnes d'un
octet, soit une taille totale de 2430 octets, ce qui permet un débit de 155,52 mégabits par secondes.
Les neuf premières colonnes de chaque ligne sont réservées pour les en-têtes (overhead), soit 81
octets. Il ne reste donc que 2349 octets pour les données qui constituent la charge utile (payload).
L'insertion de bits non significatifs à certains endroits (bit stuffing) permet d'assurer la
synchronisation des horloges entre l'émetteur et le récepteur.
La transmission d'une trame SDH se fait ligne par ligne. La figure 2.14 montre la représentation
matricielle d'une trame STM-1 et la façon dont elle est transmise sur le medium.
33
L'en-tête contient un certain nombre d'informations concernant l’exploitation, la gestion, la
maintenance et la mise en service du réseau, mais aussi des informations sur la trame elle-même,
et notamment des pointeurs désignant le début de chaque donnée encapsulée dans la trame SDH.
Les données peuvent être sous forme de trames de n'importe quel type (ATM, Ethernet, IP), ce qui
va permettre d'assurer un multiplexage temporel en encapsulant dans la trame SDH des données
provenant de différents canaux de communication. En réalité la charge utile est constituée de
conteneurs virtuels (VC Virtual Container) qui contiennent chacun une ou plusieurs trames d'un
même canal.Ce packaging est appelé adaptation. Chaque conteneur virtuel sera traité
indifféremment du type de données qu'il contient et le couple pointeur/conteneur virtuel forme une
unité administrative (AU). Cependant, un problème se pose car la taille de la trame SDH est fixe
alors que les données qu'elle encapsule peuvent être de taille variable. Pour cela, SDH utilise la
concaténation qui permet à une donnée quelconque d'être coupée et encapsulée dans deux trames
successives. La concaténation permet également le transport de données qui auraient une taille
supérieure à la taille de la trame SDH.
Les différents niveaux STM-n de la hiérarchie SDH sont des multiples du niveau de base STM-1.
Une trame de niveau STM-n a donc une taille de n 2430 octets toujours répartis sur 9 lignes.
Chaque ligne est donc composée de n 9 colonnes d'en-tête et de n 261 colonnes de données. La
charge utile d'une trame STM-n est obtenue par multiplexage des unités administratives contenues
dans n trames STM-1. Une trame STM-n transporte n fois plus de données qu'une trame STM-1,
et ce sur le même intervalle de temps, d'où un débit atteint de n 155,52Mbps.
34
La trame de base de SDH est appelée STM-1 (Synchronous Transport Module, niveau 1). Elle est
équivalente au STS-4 de la recommandation SONET. La hiérarchie SDH de l’UIT-T est
récapitulée dans le tableau 2.02
STM-1
Tableau 2.02: Hiérarchie SDH de l’UIT-T
Les liaisons SDH utilisées par les opérateurs sont au nombre de cinq, correspondant aux STM-1,
STM-4, STM-16, STM-64 et STM-256. La trame de base est multipliée par 4 pour aller au niveau
suivant. Cela correspond à des débits de 622 Mbit/s, 2,488 Gbit/s, 9,953 Gbit/s et 39 813 Gbit/s.
Les containers virtuels pour ces niveaux sont les VC-4, VC-16, VC-64 et VC-256. Le transport de
ces containers sur les trames STM-4 STM-16, STM-64 et STM-256 s’effectue par un
multiplexage temporel.
Les unités administratives sont de plusieurs niveaux : AU-1, AU-4, AU-16, AU-64 et AU-256. Le
niveau STM-16 est formé à partir de quatre STM-4, qui sont entrecroisés sur le support physique.
Les niveaux supérieurs utilisent les mêmes entrecroisements.
En Europe, l’ETSI a défini des formats européens sous les noms de C-12, C-3 et C-4, qui
correspondent à des valeurs de containers. Des formats intermédiaires, appelés TU (Tributary
Unit) et TUG (Tributary Unit Groups), complètent la hiérarchie.
Figure 2.15 : Hiérarchie SDH de l’ETSI
35
2.5 Conclusion
On note un accroissement incessant de la demande de débit de la part des utilisateurs de réseau.
Les réseaux optiques répondent bien à ces demandes. Le potentiel de croissance des débits devrait
permettre de suivre facilement cette demande.
Au niveau du réseau cœur, une généralisation des réseaux optiques se met en place. Il reste encore
d’importants progrès à accomplir pour arriver à un réseau tout optique, dans lequel les signaux
sous forme lumineuse seraient transportés de bout en bout sous la forme de paquets. Le chapitre
suivant abordera le reste du réseau après le réseau cœur : le réseau d’accès.
36
3.1 Introduction
Les réseaux d’accès forment la partie qui relie l’équipement terminal de l’utilisateur et le réseau de
l’opérateur. Cette partie est parfois désignée par l’expression « derniers kilomètres du réseau ».De
multiples moyens permettent de réaliser ce réseau d’accès, même s’ils ont longtemps été l’apanage
du câble métallique, avec le réseau téléphonique. Une certaine diversification est apparue ensuite,
avec le câble coaxial, la fibre optique et les fils électriques. Les supports hertziens prennent une
place qui devient prépondérante et qui ne cesse d’augmenter.
3.2 Les réseaux d’accès terrestres [11] [13]
3.2.1 Les réseaux câblés (CATV)
Une solution pour obtenir un réseau de distribution à haut débit consiste à utiliser le câblage des
câblo-opérateurs, lorsqu’il existe. Ce câblage a pendant longtemps été constitué de câble TV, dont
la bande passante dépasse facilement les 800 MHz. Ce câblage est appelé CATV (Community
Access Television ou encore CommunityAntennaTelevision). La technologie utilisée sur le CATV
est de type multiplexage en fréquence. Sur la bande passante globale, une division en sous-canaux
indépendants les uns des autres est réalisés,
Figure 3.01 : Multiplexage en fréquence dans un CATV
Cette solution présente de nombreux avantages, mais aussi quelques défauts majeurs. Son
avantage principal réside dans la possibilité d’optimiser ce qui est transmis dans les différents
canaux, puisque chaque canal est indépendant des autres canaux. Le multimédia est facilement
37
supporté en affectant un média par sous-bande, chaque sous-bande ayant la possibilité d’être
optimisée. Il suffit pour cela de conserver les informations analogiques ou de les numériser.
Une sous-bande spécifique peut être dédiée à une connexion de parole téléphonique et une autre
sous bande à la connexion Internet. Cet accès au réseau Internet demande l’utilisation d’un
modem câble, qui permet d’accéder à la sous-bande connectée à Internet. Ce type de modem
requiert une fréquence déterminée, correspondant à la sous-bande choisie pour la connexion
Internet. Son débit peut atteindre, grâce à une bande passante importante, plusieurs dizaines de
mégabits par seconde.
Les canaux de télévision transitent dans des sous-bandes distinctes.La bande des 50-550 MHz est
réservée aux canaux de télévision. La technique utilise pour la transmission des chaines de
télévision dans les CATV est le DVB-C qui n’est pas compatible avec le DVB-T.
Aujourd’hui, cette infrastructure est légèrement modifiée par la mise en place de systèmes HFC
(HybridFiber/Coax), qui associent une partie en fibre optique entre la tête de réseau et le début de
la desserte par le CATV.
Figure 3.02 : Topologie HFC
3.2.2 Les accès xDSL
Les technologies xDSL permettent d’utiliser les paires de cuivre du réseau public de téléphonie
afin d’offrir des services de données à haut débit. Différents types de technologies xDSL, offrant
des débits symétriques ou non, ont été développés ou sont en cours de spécification pour offrir
l’adéquation entre les technologies utilisées et les services souhaités, ainsi qu’une augmentation
des débits utilisables.
Le mot DSL (Data Subscriber Line) indique une ligne d'abonné pour les données. Le ‘x’ devant DSL
précise le type de modem.
Le modem le plus classique est précisé par un A (Asymmetric) devant le signe ADSL
(AsymetricDigital Subscriber Line), qui donne un débit asymétrique, quatre fois plus important dans
le sens descendant que dans le sens montant.
Les technologies xDSL (Digital Subscriber Line) sont divisées en deux groupes selon l'utilisation
de la transmission symétrique ou asymétrique. On parle de liaison symétrique quand le débit
utilisé par le lien montant est identique à celui utilisé par le lien descendant. Cette famille reprend
les technologies HDSL et SDSL. On parle de liaison asymétrique quand le débit utilisé par le lien
montant est inférieur à celui utilisé par le lien descendant. Cette famille reprend les technologies
ADSL, RADSL, VDSL.
La liaison xDSL est une liaison point à point établie via une ligne téléphonique entre le « NT »
(Network Termination) chez l'utilisateur et le «LT » (Line Termination) installé chez le
fournisseur de service.
On parlera de flux montant vers le «LT » pour la communication émise par l'utilisateur. Le flux
descendant représente le trafic en provenance du «LT » vers l'utilisateur. Certaines technologies
DSL permettent également l'utilisation d'un canal téléphonique (POTS = Plain Old Telephone
Service).
Il existe plusieurs technologies xDSL correspondant à une utilisation et à des caractéristiques
techniques différentes. Les clefs de différenciation utilisées sont :
- La vitesse de transmission
- Le caractère symétrique ou asymétrique du lien
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3.2.2.1 HDSL (High Bit Rate DSL)
Cette technologie symétrique est à la base de toutes les autres technologies DSL. Elle a vu le jour
au début des années 90 (aujourd'hui sa standardisation n'est pas encore achevée).
Basée sur trois paires (de câbles) torsadées, HDSL permet d