ANALYSE DE PERFORMANCE D’UN RESEAU PON

TCO M2 N°13 Année Universitaire

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

DEPARTEMENT

Parcours :

ANALYSE DE PERFORMANCE D’UN

Soutenu le 16 Avril 2015 devant la Commission d’examen composée de :

Président:

M. ANDRIAMASY Zidora Examinateurs:

M. RATSIMBAZAFY Andriamanga

M. RAKOTONDRAINA Tahina Ezéchiel

M. RAVONIMANANTSOA Ndaohialy Manda

Directeur de mémoire :

M. RANDRIAMITANTSOA Paul Auguste

Année Universitaire : 2013 / 2014

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO ----------------------

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE-----------------------

DEPARTEMENT TELECOMMUNICATION

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES

en vue de l’obtention

du Diplôme : - Grade : MASTER

- Titre : Ingénieur

Domaine : Science de l’ingénieur

Mention : Télécommunication

Parcours : Ingénierie des réseaux et systèmes

Par : RABESON Andrivola Elie

ANALYSE DE PERFORMANCE D’UN RESEAU PON

2015 devant la Commission d’examen composée de :

M. RATSIMBAZAFY Andriamanga

M. RAKOTONDRAINA Tahina Ezéchiel

M. RAVONIMANANTSOA Ndaohialy Manda-Vy

RANDRIAMITANTSOA Paul Auguste

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

TELECOMMUNICATION

: MASTER

: Ingénieur

ANALYSE DE PERFORMANCE D’UN

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 :

Monsieur RATSIMBAZAFY Andriamanga,Maître de Conférences au sein du Département

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

Table des matières

REMERCIEMENTS ...................................................................................................................................... i

LISTES DES ABREVIATIONS ET NOTATIONS ................................................................................... v

INTRODUCTION GENERALE .................................................................................................................. 1

CHAPITRE 1 ................................................................................................................................................. 3

GENERALITES SUR LES FIBRES OPTIQUES...................................................................................... 3

1.1 Introduction [1] ................................................................................................................................... 3

1.2 Historique [5] ....................................................................................................................................... 4

1.3 Propagation dans la fibre optique [2] [3] .......................................................................................... 6

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 Dispersion des fibres [1] [3] [7] [10] ................................................................................................ 12

1.5.1 Dispersion intermodale ............................................................................................................... 12

1.5.2 Dispersion chromatique .............................................................................................................. 13

1.5.3 La dispersion de polarisation ..................................................................................................... 14

1.6 Atténuation de fibres optiques [3] [5] ............................................................................................. 15

1.6.1 Atténuation intrinsèque .............................................................................................................. 15

1.6.2 Pertes aux raccordements ........................................................................................................... 16

1.6.3 Pertes par courbure et microcourbure ....................................................................................... 17

1.7 Conclusion ......................................................................................................................................... 19

CHAPITRE 2 Les réseaux optiques .......................................................................................................... 20

2.1 Introduction ....................................................................................................................................... 20

2.2 Multiplexage ...................................................................................................................................... 20

2.2.1 Le multiplexage en temps (TDM) ............................................................................................... 20

iii

2.2.1 Le multiplexage en longueur d'onde (WDM) ............................................................................ 21

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

2.4.2 Les protocoles de communication SONET/SDH ....................................................................... 30

2.5 Conclusion ......................................................................................................................................... 35

CHAPITRE 3 Les réseaux d’accès ............................................................................................................ 36

3.1 Introduction ....................................................................................................................................... 36

3.2 Les réseaux d’accès terrestres [11] [13] .......................................................................................... 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

CHAPITRE 4 Réseaux d’accès optique PON ........................................................................................... 49

4.1 Introduction ....................................................................................................................................... 49

4.2 Liaison par fibre optique [1] [9] ....................................................................................................... 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

4.4.3 EPON (Ethernet Passive Optical Network) ............................................................................... 59

4.4.4 GPON .......................................................................................................................................... 60

4.5 Conclusion ......................................................................................................................................... 60

CHAPITRE 5 Simulation d’un réseau PON ............................................................................................. 61

5.1 Introduction ....................................................................................................................................... 61

5.2 Choix du logiciel de simulation ........................................................................................................ 61

5.3 Présentation de COMSIS [9] ............................................................................................................ 61

5.3.1 L’éditeur de schéma-bloc............................................................................................................ 61

5.3.2 La bibliothèque ........................................................................................................................... 62

5.3.3 Les différentes analyses .............................................................................................................. 63

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

5.4.4 La fibre optique ........................................................................................................................... 69

5.5 Résultat de simulation ...................................................................................................................... 70

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

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVE ................................................................................. 75

v

LISTES DES ABREVIATIONS ET NOTATIONS

1–minuscules grecques

α paramètre de profil d’indice

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

Θ un rayon fait avec l’interface cœur-gain

∆ différence relative d’indice

∆λ largeur spectrale de la source (nm)

3–minuscules latines

� angle du rayon réfléchi

� angle du rayon réfracté

�� angle limite

�� indice de réfraction de l’air

� 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

� indice de réfraction

� distances à l’axe

vitesse de la lumière

vi

4–majuscules latines

� Angle d’ incidence

�� Perte due aux raccordements

�� rayon critique

DG dispersion due au guide

DM dispersion due au matériau

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

V fréquenceréduite

5–abréviations

3GPP 3rd Generation Partnership Project

ADSL Asymmetric DSL

APON ATM Over PON

ATM Asynchronous Transfer Mode

AU-N Administrative Unit-N

BGP Border Gateway Protocol

BLR Boucle Local Radio

BPON Broadband PON

BSC Base Station Controller

BTS Base Transceiver Station

CATV Community Access Television

CDMA Code Division Multiple Access

CEPT Conférence européenne des Postes et Télécommunications

COMSIS COMmunication System Interactive Software

CR-LDP : Constraint-based Routing-Label Distribution Protocol

vii

CSMA/CD CarrierSense Multiple Access with Collision Detection

DCS Digital Cellular System

DEL Diodes ElectroLuminescentes

DL Diodes Laser

DSL Data Subscriber Line

DSLAM Digital Subscriber Line Access Multiplexer

DSP DensitéSpectrale de Puissance

DVB-C Digital Video Broadcasting – Cable

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

FSAN Full Service Access Network

FSC Fiber Switching Capable

FTTB Fiber To The Building

FTTC Fiber To The Curb

FTTH Fiber To The Home

FTTO Fiber To The Office

GEOS GeostationaryEarth Orbital Satellite

GFP Generic Framing Protocol

GMPLS Generalized MPLS

GPON, Gigabit PON

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System for Mobile Communication

HDLC High-level Data Link Control

HDSL High Bit Rate DSL

HDTV High Definition TV

viii

HFC Hybrid Fiber/Coax

HiperLAN2 High Performance Radio LAN 2.0

HLR Home Location Register

HomeRF Home Radio Frequency

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IETF Internet Engineering Task Force

IOE Interface Optiqued’Emission

IOR Interface Optique de Réception

IP Internet Protocol

IPSIS Ingénierie Pour SIgnaux et Systèmes

IPv6 IP version 6

IS-54 Interim Standard

L’OLT Optical Line Termination

L2S Level 2 Switching

L2SC Level 2 Switching Capable

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

LT Line Termination

LTE Long Term Evolution

M2M Machine to Machine

MEOS MediumEarth Orbital Satellite

MPλS. Multi Protocol Lambda Switching

MPEG Moving Picture Experts Group

MPLS Multi Protocol Label Switching

MSC Mobile services Switching Center

ix

NNI Network Node Interface

NT Network Termination

OC Optical Carrier.

OMCI ONU management and Control Interface

ON OuvertureNumérique

ONU Optical Network Unit

OSPF Open Shortest Path First

OXC Optical Cross Connect

P2M point to multipoint

PCM Pulse Code Modulation

PON Passive Optical Network

POTS Plain Old Telephone Service

PPP Point to Point Protocol

PSC Packet Switching Capable

RADSL Rate Adaptive DSL

RSVP Resource reSerVation Protocol

RWA Routing and Wavelength Assignment

SDH Synchronous Digital Hierarchy

SDSL Single Pair DSL

SMF Single Mode Fiber

SONET Synchronous Network

STM Synchronous Transport Module

STS-N Synchronous Transport Signal, level N

TDM Time Division Multiplexing

TDMA Time Division Multiple Access

TDMC Time Division Multiplexing Capable

TE Trafic Engineering

TE Transverse Electrique

TM Transverse Magnétique

x

TU Tributary Unit

TUG Tributary Unit Groups

UIT-T Union internationale des télécommunications-standardisation du secteur télécommunications

UMTS Universal Mobile Télécommunication System

VC Virtual Container

VC-N V C de niveau N.

VDSL Very high bit rate DSL

VLR Visitor Location Register

WDM Wavelength Division Multiplexing

Wi-Fi Wireless Fidelity

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

WLAN Wireless Local Area Network

WLAN Wireless Local Area Network

WLL Wireless Local Loop

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

WPAN Wireless Personal Area Network

WRAN Wireless Regional Area Network

WWAN Wireless Wide Area Network

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.

3

CHAPITRE 1

GENERALITES SUR LES FIBRES OPTIQUES

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 Propagation dans la fibre optique [2] [3]

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 :

#� %&#(&&') = # %&#(( ) = #

(1.05)

D’où �� = arcsin (��)

��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)

L’ouverture numérique (ON) est ainsi défini par :

?@ = %&#(ABCD) = �� %&# 8E − 4�F�B9 = ;�� − � (1.09)

Afin de faciliter l’injection de la lumière dans la fibre à l’entrée, on a intérêt à avoir l’angle limite

�7�le 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 :

- multimode quand N = 1 ;

- monomode quand N ≠ 1.

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 = (0λ3 ;#� − #

(1.10)

10

Avec λ�longueur d’onde dans le vide [m]

a diamètre du cœur de la fibre [µm]

Le nombre de modes N dans ce type de fibre est égal à :

H = G

(1.11)

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)

Avec r distance à l’axe

α paramètre de profil d’indice

∆ différence relative d’indice

∆= n − n2n ≈ n − nn 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 :

G = (0λ3 ;#� − # < , T3U

(1.14)

La fibre monomode présente deux avantages considérables qui sont :

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)

�composante suivant l’axe de propagation de la vitesse

Pour le mode le plus lent : � = �W��

Alors

�F�B = V�� %&# (4F�B) (1.16)

Pour le mode le plus rapide : � = "

Alors

XY0Z = [#� (1.17)

13

Après un trajet d’une distance L, le décalage est :

• pour une fibre à saut d’indice

∆\ = '2 #�(#� − # )#

(1.18)

En posant ∆= (]^_]`)]` la différence relative d’indice ∆� devient

∆\ = '#�2 ∆ (1.19)

• pour une fibre à gradient d’indice

∆\ = '#�2 ∆ a

(1.20)

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 − λλλλ3Y0ZTλλλλ

j ) ≤ l(λλλλ) ≤ i3Y0ZT (λλλλ − λλλλ3Y&#Tλλλλ

j ) (1.22)

14

Avec :m��no = 0,093 ps.nm-2.km-1

λ��] = 1300nm

λ��no= 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 :

Ac = (3. uU + vv∆�w)λλλλ_T[dB/km] (1.23)

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)

La perte est égale à :

�� = �3 �� ⁄ [dB] (1.25)

1.6.3 Pertes par courbure et microcourbure

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 :

�2 = 0.#� �H [cm] (1.26)

Pour les fibres monomodes :

�2 = 3 λ(#�_# )j ⁄ 8 . uU − λ

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

∝Y�#�= 3. 3U ∝Y��& �3T�3v �H 0Y

(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

20

CHAPITRE 2 Les réseaux optiques

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

21

2.2.1 Le multiplexage en longueur d'onde (WDM)

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.

Figure 2.07 : Routage dynamique

24

2.4 Protocol des réseaux optiques [11] [12]

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).

.

Figure 2.08 : Hiérarchie des supports dans GMPLS

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-24 1 244,16 Mbit/s

OC-3 155,52 Mbit/s

OC-36 1 866,24 Mbit/s

OC-9 466,56 Mbit/s

OC-48 2 488,32 Mbit/s

OC-12 622,08 Mbit/s

OC-96 4 976,64 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

Figure 2.14 : Représentation d'une trame STM-1

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

155,52 Mbit/s

STM-12

1 866,24 Mbit/s

STM-3

466,56 Mbit/s

STM-16

2 488,32 Mbit/s

STM-4

622,08 Mbit/s

STM-32

4 976,64 Mbit/s

STM-6

933,12 Mbit/s

STM-64

9 953,28 Mbit/s

STM-8

1 244,16 Mbit/s

STM-256 39 813,12 Mbit/s

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

CHAPITRE 3 Les réseaux d’accès

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

38

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

- La distance maximale du lien

- Le caractère symétrique ou asymétrique du lien

39

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'offrir un débit de 2Mbps dans les

deux sens.

Comme toutes les technologies DSL, cette dernière est très sensible à la qualité du câble sur le

dernier tronçon entre le «LT » et le client final. La norme définit que la longueur du dernier

tronçon devra être incluse entre 3 et 7 km suivant le diamètre du fil, et le débit pourra varier entre

2Mbps (Megabits/seconde) et 380 kbps (kilobits/seconde). HDSL permet de conserver la ligne

ouverte en permanence mais n'offre pas la possibilité simultanée d'utilisation d'un canal de

téléphonie.

3.2.2.2 SDSL (Single Pair DSL)

Cette technologie est également une technologie symétrique. La majorité des maisons étant

aujourd'hui connectées par une seule paire torsadée (câble), une technologie a été mise au point

afin d'offrir du haut débit sur une paire torsadée unique. Toutefois cela s'est fait au détriment de la

distance maximale du dernier tronçon. Le débit maximal SDSL, pour un dernier tronçon de 7 km,

est de 128 kbps (kilobits par seconde).

Cette technologie a servi de base au développement de la norme HDSL2, laquelle offre le même

confort que la norme HDSL mais sur une seule paire torsadée. A terme, SDSL pourrait disparaître

au profit de HDSL

3.2.2.3 ADSL (Asymmetric DSL)

Cette technologie existe également depuis le début des années 90. Elle fût initialement mise au

point pour supporter l'image télévisée sur réseau téléphonique. Dans ce cadre, le débit du canal

montant était réduit par rapport au canal descendant qui supportait le transport de l'image

(technologie asymétrique). Le développement d'Internet dont la majorité du trafic répond aux

mêmes besoins, c'est-à-dire peu de trafic en provenance de l'utilisateur pour un retour

d'information important, a détourné cette technologie de son but premier.

Le standard finalisé au milieu des années 90 est basé sur :

- Un canal montant offrant un débit maximal de 800 kbps.

40

- Un canal descendant offrant un débit maximal de 8192 kbps.

- Un canal téléphonique analogique ou RNIS (Réseau Numérique à Intégration de Service).

3.2.2.4 RADSL (Rate Adaptive DSL)

Cette technologie asymétrique basée sur ADSL n'est pas encorestandardisée. Le débit de

transmission est géré durant toute lacommunication afin d'offrir dynamiquement la vitesse

optimalesur la ligne de raccordement.RADSL promet des débits descendants de 600 kbps à 7

Mbps etdes débits montants de 128 kbps à 1 Mbps pour un tronçon final de 5,4 km maximum.

3.2.2.5 VDSL (Very high bit rate DSL)

En cours de standardisation, cette technologie «hybride», est utilisable en mode symétrique ou

asymétrique et peut nécessiter l'utilisation de fibres optiques pour le transport des données.

Initialement prévue pour le transport de l'ATM (Asynchronous Transfer Mode), cette technologie

est la plus performante puisque capable de supporter des débits montants allant jusqu'à plus de 55

Mbps.

3.2.2.6 Tableau de synthèse

Technologie Définition Mode de transmission

Debit download Debit upload Distance maximale

HDSL Hihg data rate DSL

Symétrique 1.544 Mbps 2.048 Mbps

1.544 Mbps 2.048 Mbps

3.6 km

HDSL 2 High data rate DSL2

Symétrique 1.544 Mbps 1.544Mbps 3.6 km

SDSL Single line DSl

Symétrique 768 Kbps 768 Kbps 3.6 km

ADSl Asymmetric DSL

Asymétrique 1.544-9 Mbps 16-640Kbps 5.4 km

RADSL Rate Adaptative DSL

Asymétrique 0.6-7 Mbps 0.128-1 Mbps 5.4 km

VDSL Very high bit rate DSL

Asymétrique 15-53Mbps 1.544-2.3 Mbps 1.3 km

Tableau 3.01: Tableau de synthèse

41

3.3 Les réseaux d’accès hertziens [11] [14]

3.3.1 Les normes et Catégories des réseaux sans fil

3.3.1.1 Normes

Les principales normes de réseaux sans fil sont les suivantes :

• IEEE 802.15, pour les petits réseaux personnels d’une dizaine de mètres de portée ;

• IEEE 802.11, ou Wi-Fi, pour les réseaux WLAN (Wireless Local Area Network) ;

• IEEE 802.16, pour les réseaux WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) atteignant plus de

dix kilomètres de portée ;

• IEEE 802.22, pour les WRAN (Wireless Regional Area Network).

3.3.1.2 Categories

WWAN (Wireless Wide Area Network) : c’est le plus large des réseaux ans fils. On l’appelle

aussi « réseau cellulaire mobile » du fait que les téléphones mobiles sont raccordés au WWAN.

Les principales technologies sont : Le GSM (Global System for Mobile Communication, Groupe

Spécial Mobile), GPRS (General Packet Radio Service) et UMTS (Universal Mobile

Telecommunication System).

WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) : fondé sur la nome 802.16, on les appelle aussi

BLR (Boucle Local Radio). La norme la plus connue est le WiMax, avec un débit de plus de

70Mbit/s sur un rayon de plusieurs kilomètres.

WLAN (Wireless Local Area Network) : équivaut à un réseau local d’entreprise donc une portée

d’environ une centaine e mètre. Il permet de relier plusieurs terminaux sur une même zone de

couverture. Il existe plusieurs technologies concurrentes comme : le Wi-Fi ou IEEE 802.11 et

HiperLAN2 (High Performance Radio LAN 2.0)

WPAN (Wireless Personal Area Network) : c’est un réseau domestique sans fil donc de faible

portée (quelque dizaine de mètre). Le WPAN utilise les technologies Bluetooth, HomeRF (Home

Radio Frequency), ZigBee (802.15.4) et infrarouge.

42

3.3.2 La boucle locale sans fil WLL (Wireless Local Loop)

La technologie hertzienne est facilement utilisable dans la boucle locale puisque les techniques

sans fil permettent, au prix d’infrastructures terrestres minimales, de relier un opérateur à ses

clients. La différence avec les réseaux de mobiles provient de l’immobilité du client : il s’agit dans

ce cadre de relier un domicile ou une entreprise au réseau de l’opérateur. Il n’y a pas besoin de

gérer la mobilité de l’utilisateur ce qui évidemment simplifie considérablement le système.

L’avantage de cette solution de réseau d’accès réside dans la simplicité de sa mise en place. Il

suffit de relier l’antenne de l’utilisateur à l’antenne de la station de base, évitant de la sorte tous les

travaux de génie civil que demande la pose de câbles. Cependant, il ne faut pas négliger la mise en

place de l’infrastructure à l’intérieur du ou des bâtiments de l’utilisateur pour connecter toutes les

machines à l’antenne, laquelle doit être généralement en vue directe de l’antenne de l’opérateur.

Exemples de réseaux d’accès hertziens

Les systèmes WLL disponibles sur le marché sont de plus en plus nombreux, par exemples :

• Les technologies IEEE 802.11 directives, dites encore Wi-Fi directif.

• IEEE 802.16, ou WiMax, une norme stabilisée en décembre 2004 et qui s’est fortement répandue

depuis. Une version spécifique.

• IEEE 802.22, qui préfigure les connexions sur de plus longues portées afin de diminuer les coûts

de déploiement.

3.3.3 Les réseaux de mobiles

Les réseaux de mobiles se caractérisent par la mobilité du terminal. Pour réaliser cette mobilité, le

réseau se compose de cellules, constituées par les espaces géographiques couverts par une

antenne. Le système est alors capable de gérer des changements intercellulaires, c’est-à-dire le

passage d’une cellule à une autre, ou encore le changement d’antenne.

3.3.3.1 Génération 1G

La première génération de réseaux de mobiles est apparue à la fin des années 1970. Elle définit un

réseau cellulaire, c’est-à-dire composé de cellules, ou zones géographiques, limitées à quelques

kilomètres, qui recouvrent le territoire de l’opérateur. Ces cellules se superposent partiellement

pour assurer une couverture complète du territoire cible. Le mobile communique par le biais d’une

interface radio avec l’antenne centrale, qui joue le rôle d’émetteur-récepteur de la cellule. Cette

interface radio utilise des bandes de fréquences généralement spécifiques du pays dans lequel est

43

implanté le réseau. L’émission des données sur l’interface radio est effectuée en analogique. Cette

première génération ne pouvait avoir que relativement peu de succès, étant donné le

fractionnement des marchés.

Figure 3.03 : Réseau cellulaire


En 1982, la CEPT (Conférence européenne des Postes et Télécommunications) a décidé de

normaliser un système de communication mobile dans la gamme des 890-915 MHz et 935-960

MHz pour l’ensemble de l’Europe. Deux ans plus tard, les premiers grands choix étaient faits,

avec, en particulier, un système numérique. Le groupe spécial mobile, ou GSM, a finalisé en 1987

une première version comportant la définition d’une interface radio et le traitement de la parole

téléphonique.

Avec une autre version dans la gamme des 1 800 MHz, le DCS 1800 (Digital Cellular System), la

norme GSM a été finalisée au début de l’année 1990. Cette norme est complète et comprend tous

les éléments nécessaires à un système de communication numérique avec les mobiles. Il existe

d’autres normes pour cette deuxième génération, comme l’IS-95 ou l’IS-136, mais elles sont

fragmentaires et ne concernent généralement que l’interface radio.

44

Dans un système GSM, la station mobile comprend deux parties : l’équipement mobile, qui

permet la communication radio, et le module d’identification, qui contient les caractéristiques

identifiant l’abonné. Le réseau est découpé en cellules, qui possèdent chacune une station de base,

ou BTS (Base Transceiver Station). Cette dernière s’occupe des transmissions radio sur la cellule.

Associés à la station de base, des canaux de signalisation permettent aux mobiles de communiquer

avec la BTS et vice versa. Chaque station de base est reliée à un contrôleur de station de base, ou

BSC (Base Station Controller).

Le réseau lui-même contient un commutateur, ou MSC (Mobile services Switching Center), qui

communique avec les différents systèmes radio, un enregistreur de localisation nominal, ou HLR

(Home Location Register), qui est une base de données de gestion des mobiles, et un enregistreur

de localisation des visiteurs, ou VLR (Visitor Location Register), qui est une base de données des

visiteurs dans une cellule. Le système GSM comporte également des mécanismes de sécurité.

En ce qui concerne le mode d’accès, c’est la technique TDMA (Time Division Multiple

Access), dans laquelle le temps est découpé en tranches, qui est employée. Une seule station peut

accéder à une tranche donnée. Par canal radio, le découpage est effectué en huit tranches d’une

durée de 0,57 ms. La parole est compressée sur une bande de 22,8 kHz, qui inclut un codage

permettant la correction des erreurs. En Amérique du Nord, un système assez similaire, l’IS-54

(Interim Standard) a été développé. Il utilise également le TDMA. Sa vitesse de transmission peut

atteindre 48,6 Kbit/s.

Figure 3.04 : Architecture d’un réseau de mobiles

45


La troisième génération s’est implantée au tournant des années 2000 avec un très fort déploiement

à partir de 2005. Sa normalisation s’est effectuée principalement sous l’égide de l’UIT-T, sous le

nom d’IMT 2000, et du 3GPP.

La différence la plus sensible avec la deuxième génération concerne l’introduction du mode

paquet à l’exception de la parole téléphonique, qui reste très semblable à celle du GSM. Toutes les

informations, en dehors de la parole, sont mises dans des paquets et transportées dans un réseau à

transfert de paquets.

L’augmentation des débits est assez importante par rapport au GSM, qui plafonne à 9,6 Kbit/s,

puisqu’elle atteint 384 Kbit/s dans les services commercialisés lors de la première génération de

l’UMTS. Cependant, au démarrage de l’UMTS la partie du spectre dédiée à la troisième

génération étant relativement faible, il ne fallait pas compter sur de très hauts débits en période

fortement chargée.

Le codage numérique qui est utilisé pour le transport de la parole permet un débit de 8 Kbit/s.

L’image animée est véhiculée par le biais d’une compression MPEG-2 ou MPEG-4. Plusieurs

types de modulations ont été étudiés pour l’émission numérique du signal. Il s’agit d’extensions

des modulations classiques en fréquence, en amplitude et en phase. L’accès au canal radio utilise

les techniques FDMA, TDMA et CDMA. FDMA et TDMA sont déjà utilisés dans la génération

précédente et dans les réseaux satellite, mais avec l’inconvénient que la réutilisation des canaux

radio dans des cellules connexes peut donner lieu à un brouillage. La méthode principale pour la

troisième génération est le CDMA. Les mobiles d’une même cellule se partagent un canal radio

par des techniques d’étalement de spectre. Le système alloue un code unique à chaque client, ce

code étant utilisé pour étaler le signal dans une très large bande passante, B, par rapport à la bande

du signal utile, R. Plus le rapport B/R est important, plus le nombre d’utilisateurs potentiel

augmente. L’avantage de cette méthode est la réutilisation des mêmes fréquences dans des cellules

connexes.

La technique ATM a été adoptée dans un premier temps du fait de sa forte compatibilité avec le

réseau fixe et pour la gestion des ressources. Aujourd’hui, on utilise des réseaux de type MPLS

avec de la commutation Ethernet. La mobilité du terminal est assurée par des solutions

normalisées par le 3GPP dans lesquelles l’intelligence est assez présente. Le débit des terminaux

vers le réseau dans la première génération de l’UMTS reste relativement limité, avec 384 Kbit/s

sur la voie montante, mais permet à l’utilisateur d’accéder à de premiers services multimédias.

46


La quatrième génération est de nouveau une révolution pour les réseaux hertziens par sa totale

compatibilité avec le monde IP, de telle sorte qu’il n’y a plus aucune différence entre un réseau

fixe et un réseau de mobiles.

Toutes les applications sont traitées avec le protocole IP, même la parole téléphonique. Quoique

l’on classifie parfois le LTE dans la quatrième génération, cette génération démarre avec le LTE

Advanced. Les débits sont du même ordre de grandeur que dans le LTE. Les applications M2M

(Machine to Machine) font partie de la 4G ainsi que toutes celles que l’on trouve aujourd’hui sur

l’Internet fixe.

Le problème du manque de fréquences est résolu par l’utilisation de cellules de tailles différentes

selon l’environnement et les débits demandés. Dans les zones très denses, il est possible d’utiliser

des cellules de toute petite taille, capables d’apporter à chaque machine terminale un débit de

plusieurs mégabits par seconde avec des débits crête beaucoup plus élevés.

Ces picocellules ont une portée de quelques dizaines de mètres au maximum. Pour des zones un

peu moins denses, une ville avec moins de bureaux, par exemple, des microcellules de quelques

centaines de mètres de diamètre sont adoptées. Des cellules plus grandes, dites cellules parapluie,

se superposent aux précédentes pour résoudre les problèmes de grande mobilité.

La quatrième génération introduit à la fois le très haut débit et le « multi-homé », c’est à- dire la

possibilité de se connecter sur plusieurs réseaux simultanément. Un même flot peut-être

décomposé en plusieurs sous-flots transitant par des réseaux différents, afin d’augmenter la vitesse

globale de la transmission. La quatrième génération peut également permettre à différents flots de

partir chacun par son propre réseau. Le terminal doit donc être capable de détecter tous les réseaux

qui sont autour de lui et de choisir pour chacune de ses applications le meilleur réseau à utiliser.

3.3.4 La boucle locale satellite

Trois catégories de systèmes satellitaires ont été définies sous les noms de LEOS, MEOS et GEOS

(Low, Medium et GeostationaryEarth Orbital Satellite). Les satellites sont situés respectivement à

environ 1 000, 13 000 et 36 000 km de la Terre. Les deux premières catégories concernent les

satellites défilants, et la dernière les satellites qui semblent fixes par rapport à la Terre (figure

3.05).

La boucle locale satellite concerne l’accès d’un utilisateur, que ce soit une entreprise ou un

particulier, au commutateur d’un opérateur employant un réseau terrestre. En d’autres termes, le

47

satellite joue le rôle de boucle locale pour permettre à un utilisateur de se connecter à un

opérateur. Cette boucle locale est destinée aux clients isolés ou qui n’ont pas la possibilité

d’utiliser une boucle locale terrestre.

Les trois catégories de systèmes satellitaires peuvent jouer le rôle de boucle locale. Les

LEOS adressent des terminaux relativement légers, ressemblant à des portables de type

GSM, mais avec une antenne un peu plus grande. Les systèmes MEOS demandent des antennes

plus importantes, qui peuvent exiger une certaine mobilité sur leur socle. Les systèmes GEOS

demandent des antennes fixes très importantes.

La figure illustre la taille du spot, c’est-à-dire la zone éclairée par une antenne située sur le

satellite, que l’on peut obtenir à partir des différents types de satellites. Plus le satellite est près du

sol, plus la taille du spot est petite. L’avantage offert par les satellites basse orbite est la

réutilisation des fréquences, qui peut atteindre 4 000 pour une constellation de satellites située à

700 km du sol.

Figure 3.05 : Taille des spots des différentes catégories de satellites

La boucle locale satellite exige des trames pour permettre aux récepteurs de retrouver les débuts et

les fins des paquets transportés. Les paquets, aujourd’hui essentiellement de type IP, sont

encapsulés dans des trames, qui peuvent être de type HDLC, soit de type ATM, soit encore de

48

type Ethernet. Dans ces deux derniers cas, on parle de réseau satellite ATM ou Ethernet. Un

commutateur ATM ou Ethernet peut se trouver dans le satellite.

Une particularité des boucles locales satellite vient du défilement des satellites lors de l’utilisation

d’une constellation. Le client doit changer de satellite au fur et à mesure du passage des satellites

au-dessus de sa tête. Ce changement s’appelle un handover satellite.

Il est également possible que les satellites défilants aient plusieurs antennes et que le terminal de

l’utilisateur ait à effectuer un handoverintrasatellite. Ces handovers peuvent être de différents

types, appartenant à deux grandes catégories : les soft-handover et les hard-handover. Le soft-

handover consiste à se connecter à la fois sur le satellite qui disparaît et sur celui qui apparaît. Le

passage se fait alors en douceur. Dans un hard-handover, le passage s’effectue brutalement, la

communication devant passer d’un satellite à l’autre sans recouvrement.

3.4 Conclusion

Le raccordement de l’usager au réseau cœur peut se faire : soit par l’intermédiaire de support

physique comme les câbles coaxiaux u les fibres optiques ; soit par faisceau hertzien. Tous ces

moyens présentent divers avantages. Que ce soit en termes de débit, de service offert ou de

mobilité.

En écartant le problème de cout et de mobilité, la fibre optique demeure le meilleur support de

transmission pour les réseaux d’accès. Le chapitre suivant montrera les caractéristiques de ce

réseau d’accès optique.

49

CHAPITRE 4 Réseaux d’accès optique PON

4.1 Introduction

Pour créer un réseau d’accès optique il faut câbler le réseau de distribution en fibre optique. Cette

technique est appelée FITL (Fiber In-The-Loop). Le réseau local optique est encore souvent

constitué par une partie en fibre optique suivie d’une partie en conducteur métallique qui va

jusqu’au terminal de l’abonné. Selon lalocalisation de la terminaison de réseau optique, différentes

configurations sontenvisageables :

• FTTH / FTTO (Fiber To The Home / Fiber To The Office) : La terminaison du réseau

optique, propre à un abonné, est implantée dans ses locaux. La fibre optique va donc

jusqu’au domicile ou au bureau.

• FTTB (Fiber To The Building) : La terminaison optique est localisée soit au pied de

l’immeuble, soit dans un local technique, soit dans une armoire ou un conduit sur le palier.

Elle est généralement partagée entre plusieurs abonnés qui lui sont raccordés par des

liaisons en fil de cuivre.

• FTTC (Fiber To The Curb) : La terminaison de réseau optique est localisée soit dans une

chambre souterraine, soit dans une armoire sur la voie publique, soit dans un centre de

télécommunications, soit sur un poteau. Selon le cas, il est envisagé de réutiliser le réseau

terminal en cuivre existant ou de mettre en œuvre une distribution terminale par voie

radioélectrique.

La boucle locale optique se présente sous plusieurs formes. Une des solutions est d’utilisées une

étoile optique : à partir d’une tête de réseau, chaque client dispose d’une fibre optique pour lui tout

seul. Dans ce cas, il faut des chemins de câbles importants pour poser toutes les fibres

simultanément. Cette solution a l’avantage évident l’apporter le plus haut débit possible à

l’utilisateur.

Une seconde solution normalisée par l’UIT-T consiste à multiplexer plusieurs utilisateurs sur la

même fibre optique. Sa topologie est un arbre optique passif, ou PON (Passive Optical Network).

4.2 Liaison par fibre optique [1] [9]

Une liaison point à point par fibres optiques comprend :

• les fibres optiques,

• l’interface optique d’émission

50

• l’interface optique de réception

• Lorsque la longueur de la liaison le nécessite, on y insère un ou plusieurs répéteurs,

utilisés pour amplifier le signal.

Figure 4.01 : Liaison point à point par fibre optique

4.2.1 Interface optique d’émission

Le rôle d’un émetteur optique est de transformer un signal électrique en signal lumineux pour

l’envoyer dans la fibre optique qui sert de canal de transmission. Dans les systèmes de

transmission par fibres optiques, on utilise comme source optique des composants semi-

conducteurs.Les émetteurs peuvent être de deux types :

• les diodes électroluminescentes (DEL) ;

• les diodes laser (DL).

4.2.1.1 Principe de l’émission de lumière dans un semi-conducteur

Dans un semi-conducteur, les électrons peuvent transiter entre la bande de valence et la bande

deconduction : soit si la bande interdite n’est pas trop importante ; soit en présence d’impuretés

créant des niveaux intermédiaires dans cette bande interdite. L’énergie nécessaire à ces électrons

pour passer d’un niveau à un autre est au minimum égale à l’énergie de cette bande interdite :

�V − �� = ��

Ces transitions correspondent à une recombinaison des niveaux tendant à combler les trous de la

bande de valence par la transition des électrons en provenance de la bande de conduction. Une

méthode, pour générer ces transitions, consiste à créer artificiellement des trous dans la bande de

valence (dopage). La transition de la bande de conduction à la bande de valence est alors assurée

par un apport d’énergie extérieur (polarisation externe). C’est le cas des semi-conducteurs. Ce

type de transition peut être soit non radiatif, auquel cas il n’y a pas émission de lumière, soit

51

radiatif: il y a alors émission de rayonnement et c’est le cas des diodes électroluminescentes. Les

transitions radiatives peuvent être naturelles ou stimulées.

Figure 4.02 : Transition dans un semi-conducteur

4.2.1.2 Principe des diodes DEL

La base des diodes DEL est la jonction pn qui est constituée d’un semi- conducteur ayant en

contact une zone dopée n et une zone dopée p. Lorsque la jonction pn est traversée par un courant

direct, une émission spontanée de photon, due à la recombinaison de paires électron- trou, se

produit.

Figure 4.03 : Jonction pn polarisé en direct

4.2.1.3 Principe du laser

Le principe du LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) est la

combinaison de deux éléments essentiels :

52

• un amplificateur d’ondes lumineuses ;

• une boucle de réaction formant un résonateur.

L’amplificateur utilise les propriétés de l’émission stimulée d’un photon par une particule excitée.

L’exploitation de cette émission stimulée nécessite une modification importante du milieu :

l’inversion la plus importante possible de ses populations actives. L’émission stimulée

s’accompagne de la création d’un photon. Si on s’arrange pour que la durée de vie τ des

électronssoit suffisamment longue pour ne pas perturber le phénomène, on aura une émission

induite plus forte que l’absorption : c’est l’effet laser. Ce photon ainsi créer a même direction,

même phase, même polarisation et même fréquence que le photon incident. Le résonateur est une

cavité optique dans laquelle l’onde lumineuse se réfléchit et s’amplifie. Le plus utilisé est le

résonateur de Fabry-Pérot constitué de deux miroirs plans dont l’un est semi-transparent.

Les diodes laser sont des semi-conducteurs dans lesquels on a recréé un milieu amplificateur avec

sa cavité résonnante et dont l’inversion de la population est réalisée par un courant. Tant que l’on

reste en dessous d’une valeur seuil de ce courant, la diode laser se comporte comme une diode

électroluminescente classique ; dès que le seuil est atteint, l’inversion de population est réalisée et

l’effet laser est déclenché.

Figure 4.04 : Puissance émise par une diode laser

4.2.1.4 Techniques de modulation

Afin de transmettre des informations dans les systèmes numériques optiques, il faut les imprimer

sur le signal à envoyer dans la fibre, c'est ce que l'on appelle une modulation. Pour cela, il est

53

nécessaire de réaliser une conversion des données électriques en données optiques. Il existe

principalement deux techniques : la modulation directe et la modulation externe.

La modulation directe

Un des principaux avantages de l'utilisation des lasers à semi-conducteur pour les systèmes de

télécommunications par fibres optiques réside dans le fait qu'il est possible de les moduler

facilement : la modulation du courant qui les traverse entraîne directement la modulation en

intensité de la lumière émise. Cette technique est appelée modulation directe. Ainsi, il suffit

d'inscrire les données sur l'alimentation du laser.

Cette solution de modulation directe requiert assez peu de composants. En dehors de la source

optique, le laser, seuls un générateur de courant et un driver sont nécessaires. Le premier va

émettre à un débit donné une séquence de données, expression de l'information à transmettre. Le

second a pour rôle de commander la source optique au niveau des puissances émises (en fixant les

valeurs du courant d'alimentation). Pour cela, il modifie et transforme les niveaux du courant issu

du générateur.

Figure 4.05 : Synoptique de la modulation directe

Figure 4.06 : Modulation directe d'une diode laser

54

La modulation directe connaît beaucoup d'avantages, en particulier le faible coût de mise en

œuvre. Mais elle comporte aussi des limites. Les lasers en sont souvent la cause. Leur temps de

réaction, les oscillations, le bruit créer font que la modulation directe engendre, pour les hauts et

très hauts débits, certaines dégradations sur le signal optique modulé. A cela, la modulation

externe constitue un remède.

La modulation externe

La modulation externe consiste à écrire les données électriques sur un signal optique continu. Elle

est obtenue en modulant directement le faisceau lumineux en sortie du laser et non plus le courant

d'alimentation à l'entrée du laser. Ainsi les défauts de la modulation directe qui incombent au laser

ne seront plus présents sur le signal optique.

La modulation est effectuée sur une onde pure et constante et par un composant indispensable : le

modulateur externe. Celui-ci est commandé par une tension externe v(t), modulée et représentative

de l'information à transmettre. Cette tension appliquée au modulateur a pour propriété de modifier

le facteur de transmission en intensité à la sortie. Le signal optique continu émis par le laser

alimenté par un courant constant est donc peu dégradé. En traversant le modulateur, il subit les

modifications du facteur de transmission et le signal de sortie se trouve modulé selon v(t). Un

driver est souvent présent entre les données et le modulateur afin de fixer les niveaux de v(t) et de

choisir les modifications du facteur de transmission.

Figure 4.07 : Synoptique de la modulation externe.

La modulation directe, plus simple et moins coûteuse est encore très utilisée si les données sont

transmises à un débit de quelques gigabits/s, selon la qualité du laser. Mais au-delà de 5 Gbits/s, la

modulation externe est indispensable pour maintenir une qualité de transmission correcte.

55

Cependant, les modulateurs ne sont pas parfaits et peuvent engendrer des défauts mais leurs

impacts sont moins importants.

4.2.2 Interface optique de réception

Le rôle du récepteur optique est de convertir le signal optique au signal électrique d’origine et de

retrouver les données transmis à travers la fibre. Son principal constituant est un

photodétecteur.Deux variantes de photodétecteur sont fréquemment utilisées dans une liaison par

fibre optique :

• la photodiode PIN ;

• la photodiode à avalanche (PDA).

4.2.2.1 La photodiode PIN

La photodiode PIN est une photodiode classique dans laquelle on a inséré, entre les deux zones de

porteurs, une région à forte résistivité (zone intrinsèque I). Dans cette zone, on appauvrit la

quantité de porteurs libres en la faisant travailler sous tensions.

Lorsque la jonction est polarisée en inverse, la zone déplétée augmente et les porteurs majoritaires

sont incapables de la traverser : le seul courant (Is), dit de seuil, qui subsiste est dû à la traversée

des porteurs initialement minoritaires

Figure 4.08 : Photodiode PIN

4.2.2.2 La photodiode à avalanche (PDA).

Le signal reçu étant souvent très faible, il est nécessaire d’amplifier le photocourant. On fait suivre

la photodiode d’un amplificateur, mais le bruit de celui-ci est souvent prépondérant. Aussi a-t-on

56

parfois intérêt à utiliser un composant à gain interne, la photodiode à avalanche ou PDA. Son

principe est l’ionisation en chaîne, par impact, des porteurs, sous l’effet d’un champ électrique très

intense. C’est l’effet d’avalanche qui, s’il n’est pas contrôlé, aboutit au claquage de la jonction.

4.3 Architecture [8] [15]

Il existe plusieurs architectures possibles pour le réseau d’accès optique. La première consiste à

relier chaque abonné au central avec une fibre optique. Il s’agit de l’architecture point-à-point.

L’abonné bénéficie de la totalité de la bande passante offerte par la fibre optique et d’une

sécurisation totale des données puisqu’il est le seul à les recevoir. Cependant le coût de

déploiement est prohibitif puisqu’il est nécessaire d’installer autant de fibres optiques que de

clients ce qui revient extrêmement cher et pose des problèmes de génie civil à chaque nouveau

raccordement. La deuxième solution consiste à mutualiser une portion de fibre entre plusieurs

clients. Il s’agit alors d’une architecture point-à-multipoints. Un premier tronçon de fibre amène

les données de tous les utilisateurs jusqu’à un point d’éclatement d’où partent plusieurs fibres pour

alimenter des clients aux alentours. Ce type d’architecture permet de réduire les coûts de

déploiement et de maintenance mais impose de mettre en place un système de répartition pour

adresser les différents utilisateurs et le débit par utilisateur est diminué puisque le médium de

transport est partagé. La figure résume les deux architectures décrites précédemment.

Figure 4.09 : Les architectures des réseaux d’accès optiques

L’architecture PON est un architecture point à multipoint (P2M) semblable à un arbre. Les

principaux constituants du réseau étant :

• L’OLT (Optical Line Termination) qui se trouve au plus proche du cœur du réseau. L’OLT

comporte la partie émission-réception comparable au DSLAM des réseaux xDSL.

57

• l’ONU (Optical Network Unit), dessert directement le domicile de l’utilisateur ou peut être

poursuivi par un réseau métallique faisant la jonction entre l’extrémité de la fibre optique

et l’utilisateur.

• Un Splitter Combiner qui est coupleur optique de 1vers N pour la partie montante et de N

vers 1 pour la partie descendante.

Figure 4.10 : Architecture PON

4.4 Type de réseau PON [11] [12]

Les technologies associées aux PON sont de type ATM, Ethernet ou Gigabit (UIT-T), ce qui

donne naissance aux APON, EPON et GPON. La première permet de mettre en place des FSAN

(Full Service Access Network). Dans la solution Ethernet, chaque trame émise est envoyée en

diffusion comme sur un réseau Ethernet partagé. La troisième solution met en œuvre les

technologies de transmission définies par l’UIT-T au niveau physique.

4.4.1 APON (ATM Over PON)

L’ATM est un protocole de transport, apparu au début des années 1990, gérant le transport de la

voix, de la vidéo (Pulse Code Modulation PCM)) aussi bien que celle des données en garantissant

une qualité de service. Les performances de l'ATM sont très évolutives. Ces performances sont

obtenues grâce à la taille très réduite des cellules transmises : tout le trafic est divisé en trames de

53 octets (48 octets de données plus cinq d'en-tête), que l'on peut traiter avec des commutateurs

très rapides. C'est pourquoi l’ATM a fait naître de grands espoirs en matière de performances de

58

réseau lors de son apparition. La technologie est aujourd'hui bien utilisée comme infrastructure de

transport de données.

Dans le tronçon FTTx la méthode de prédilection de nombreux opérateurs est le réseau optique

passif ATM (APON) qu’ils ont normalisé. C’est simplement un système point à multipoint sur

fibre optique qui utilise l’ATM comme protocole de transmission. Ces normes sont définies par

l’ITU-T : G.983.1 et G.983.2. Cette normalisation s’effectue dans deux organismes, le premier est

le FSAN et le deuxième est l’IEEE. Aussi, on peut voir parfois l’APON défini sous le nom de

FSAN PON. Avec l’APON, les données à haut débit, la voix et la vidéo peuvent être acheminées

jusqu’aux abonnés sur une seule fibre. Cette capacité permet aux opérateurs d’offrir d’emblée de

nouveaux services et met à leur disposition une infrastructure permettant d’ajouter de nouveaux

services à mesure qu’ils apparaissent.

Un système APON peut relier jusqu'à 32 abonnés au PON et leur fourni un système d'accès

flexible et un débit élevé (622 Mbit/s ou 155 Mbit/s dans le sens descendant, 155 Mbit/s dans le

sens montant). Dans le sens descendant, le multiplexage des cellules ATM est utilisé, alors qu'un

protocole de TDMA commande l'accès ascendant des abonnés au réseau.

Figure 4.11 : Structure de la zone de données de la trame FSAN

4.4.2 BPON (Broadband PON )

Le BPON est l’extension de l’APON en vue de fournir d'autres services, tels que l'Ethernet et la

diffusion de la vidéo (broadcast video). C’est un réseau de distribution en fibre optique à large

bande. En effet, les améliorations de l’APON incluent une vitesse plus élevée, le multiplexage en

longueur d’onde WDM, une commande dynamique de la largeur de bande (DBA), une meilleure

sécurité de données et une OMCI (ONU management and Control Interface) complète. Pour

59

traduire cette évolution, ITU-T a officiellement changé le nom du système en PON à large bande,

ou BPON.

Les APON actuellement déployés opèrent en un des 3 modes downstream/upstream :

155Mb/s/155Mb/s, 622Mb/s/155 Mb/s ou 622Mb/s/622Mb/s.

Les autres caractéristiques des réseaux APON / BPON sont:

• 32 ONUs dans un seul PON,

• La longueur de la fibre peut aller jusqu’à 20 km,

• Pour la voix et les données les longueurs d’onde utilisées dans le sens descendant et

montant sont 1490 nm et 1310 nm respectivement,

• Une troisième longueur d’onde (1550 nm) peut être utilisée pour le transport de la vidéo

numérique dans le sens descendant.

4.4.3 EPON (Ethernet Passive Optical Network)

Ethernet (aussi connu sous le nom de norme IEEE 802.3) est une technologie de réseau local basé

sur le principe que tous les utilisateurs d'un réseau Ethernet sont reliés à une même ligne de

transmission et la communication se fait à l'aide d'un protocole appelé CSMA/CD (CarrierSense

Multiple Access with Collision Detection) ce qui signifie qu'il s'agit d'un protocole d'accès

multiple avec surveillance de porteuse (Carrier Sense) et détection de collision.

Lorsque les trames qui sont émises sur le PON sont de type Ethernet, on parle d’EPON. Les

caractéristiques de ce réseau sont identiques à celles des autres PON : diffusion sur l’ensemble du

réseau, où seule la station indiquée dans la trame Ethernet peut récupérer l’information véhiculée.

Cette solution a été développée par le groupe de travail EFM (Ethernet in the First Mile) de

l’IEEE. L’objectif était de remplacer la technologie ATM, très coûteuse à mettre en œuvre sur une

technologie multipoint, par la technologie Ethernet. Dans la technologie EPON, la trame

provenant de l’OLT est diffusée vers l’ensemble des ONU (64 au maximum). L’ONU qui

reconnaît son adresse récupère la trame Ethernet, dont la taille peut atteindre une longueur de 1

518 octets. Dans le sens montant, les trames Ethernet sont émises suivant une technologie TDM

(Time Division Multiplexing) la solution classique utilisée dans Ethernet, CSMA/CD, étant

inadaptée aux vitesses des EPON. Le multiplexage dans le sens descendant s’exerce sur des slots

de longueur constante de telle sorte que les trames Ethernet doivent être divisées en segments de

longueur constante, à l’exception de la dernière partie, qui peut être inférieure à la longueur du

slot. Une synchronisation est indispensable pour qu’il n’y ait pas de collision entre les slots. Cette

synchronisation s’effectue toutes les 2 ms, correspondant à la longueur de la trame physique qui

60

comporte l’ensemble des slots des ONU. Le niveau physique utilise deux ou trois longueurs

d’onde. Avec deux longueurs d’onde, il est possible d’utiliser les canaux montants et descendants.

La longueur du réseau dans ce cas atteint une vingtaine de kilomètres avec 32 étoiles passives.

Avec trois longueurs d’onde, il est possible d’ajouter une voie descendante pour diffuser des

canaux de télévision.

4.4.4 GPON

Le GPON, ou gigabit PON, est un protocole de 2éme génération des PON édité par ITU-T comme

norme de recommandation G.984. Le protocole soutient plusieurs vitesses descendantes et

ascendantes, et une vitesse typique de 1,24 Gbit/s en aval et 622 Mbit/s en amont. GPON est basé

sur un protocole appelé (GFP GenericFraming Protocol). Le but est d'éliminer ou réduire de

manière significative les issues autour de l’ATM. Là où l’ATM a présenté des inefficacités en

segmentant tout dans des cellules de 48/53 octets, GFP envoie des trames de longueur variable

avec jusqu'à 65.535 octets dans une trame. Ceci lui permet de porter des trames d'Ethernet

beaucoup plus efficacement que APON/BPON et aussi efficace que EPON.

4.5 Conclusion

On a vu que les normes des réseaux PON sont à la fois exigeant et nombreuse. Les réseaux

d’accès de type PON sont en même temps déployer et fait l’objet d’étude. C’est justement dans ce

cadre que le chapitre suivant traitera de l’étude de ces réseaux.

61

CHAPITRE 5 Simulation d’un réseau PON

5.1 Introduction

Les outils de simulation constituent une assistance intéressante pour trouver des solutions, aussi

bien au niveau des composants que des systèmes de télécommunication. Les logiciels peuvent être

une aide à la conception et à la prise de décision, tout en évitant la multiplication d’essais

compliqués et onéreux. Contrairement à l’électronique et aux micro-ondes, il n’existe pas d’outils

standards et bien admis dans le domaine des transmissions optiques.

Le but de ce chapitre est de montrer que l’utilisation de réseau de type PON est totalement faisable

sur une distance assez élever.

5.2 Choix du logiciel de simulation

Pour la simulation de système de télécommunication par fibre optique plusieurs logiciels se

présentent COMSIS (COMmunication System Interactive Software) est l’un d’entre eux. C’est un

logiciel plus qu’adapter pour la simulation de système de transmission optique. C’est pourquoi

notre choix s’est porté sur lui.

5.3 Présentation de COMSIS [9]

COMSIS est un logiciel de simulation système développé par une société française, IPSIS

(Ingénierie Pour SIgnaux et Systèmes), basé sur la technopole de Rennes.COMSIS est un outil qui

permet aux scientifiques et aux ingénieurs de modéliser, simuler, analyser et concevoir tout

module de traitement du signal, allant du dispositif le plus élémentaire, au système complet de

communication. COMSIS possède un environnement interactif qui allie des outils numériques

efficaces à des fonctionnalités graphiques puissantes et une interface utilisateur complète. Il

permet d’analyser des systèmes analogiques et numériques décrits sous la forme de schéma-blocs.

5.3.1 L’éditeur de schéma-bloc

L’aspect principale de COMSIS est un éditeur de schéma bloc sur lequel on peut mettre les

composants que ce soit optique électronique ou autre.

Figure 5.01 :

la construction d’un schéma-bl

de la souris, des objets disponibles dans la bibliothèque et de le

Ces objets représentent des modélisations d’opérateurs, d’entrées et de sorties et doivent être

interconnectés et nommés. Une fois ces modèles positionnés, reliés et nommés, leurs paramètres

caractéristiques doivent être définis, sous forme numérique ou à l’aide d’un paramètre formel,

avant de lancer l’analyse du système. Il faut encore insérer des variables intermédiaires

(correspondant aux grandeurs d’entrée et de sortie des opérateurs) et les nommer. Ainsi, le

simulateur a accès aux signaux en chaque point du schéma.

5.3.2 La bibliothèque

Parmi les modèles disponibles dans la bibliothèque de COMSIS, citons, par exemple, les codes en

ligne, les codes correcteurs d’erreurs, les fonctions logiques, les modulations, les démodulat

les filtres, les composants optiques…

Figure 5.02 :

62

Figure 5.01 : L’éditeur de schéma-bloc de COMSIS.

bloc est assez facile sous COMSIS. Il suffit de sélectionner, à l’aide

de la souris, des objets disponibles dans la bibliothèque et de les déposer sur la feuille de dessin.



définis, sous forme numérique ou à l’aide d’un paramètre formel,



ur a accès aux signaux en chaque point du schéma.


ligne, les codes correcteurs d’erreurs, les fonctions logiques, les modulations, les démodulat

les filtres, les composants optiques…

Figure 5.02 : Bibliothèque de COMSIS

bloc de COMSIS.

. Il suffit de sélectionner, à l’aide

s déposer sur la feuille de dessin.



définis, sous forme numérique ou à l’aide d’un paramètre formel,




ligne, les codes correcteurs d’erreurs, les fonctions logiques, les modulations, les démodulations,

63

Ces différents modèles, encore appelés opérateurs fonctionnels, sont des unités de transformation

caractérisées par une (ou plusieurs) grandeur(s) de sortie dépendant d’une grandeur d’entrée ou

d’une combinaison de grandeurs d’entrée. Ils sont classés en deux catégories :

• Les opérateurs linéaires qui jouissent des propriétés d’additivité, d’homogénéité et

destationnarité au cours du temps.

• Les opérateurs non linéaires qui forment une vaste classe sans mode de représentation

universelle.

5.3.3 Les différentes analyses

Dès qu’un système est complètement décrit, il est possible d’effectuer différentes analyses

temporelles et fréquentielles, accessibles à partir du menu /Analyse/de l’Editeur de schéma-bloc,

5.3.3.1 L’analyse statique

COMSIS permet de connaître certaines courbes ou valeurs caractéristiques d'opérateurs non

rationnels grâce à la commande /Analyse Statique/du menu /Analyse/. Lorsque cette commande

est activée, la cohérence du schéma est d’abord vérifiée. Une fois les calculs terminés, les résultats

sont affichés dans la fenêtre graphique

5.3.3.2 L’analyse de stabilité

Lors de l’activation de la commande /Analyse Stabilité/du menu /Analyse/, COMSIS calcule la

réponse en fréquence et les marges de stabilité d'un sous-système linéaire. COMSIS édite les

marges de stabilité (phase, retard, module et module complémentaire) dans le journal de la fenêtre

alphanumérique. La visualisation des résultats dans la fenêtre graphique peut être présentée sous

trois formes différentes : diagrammes de Bode (amplitude et phase), de Black et de Nyquist.

5.3.3.3 L’analyse de transfert de boucle

L’activation de la commande /Analyse Transfert de Boucle/du menu /Analyse/provoque le

calcul de la réponse en fréquence et des marges de stabilité des boucles. COMSIS édite les

résultats sous la même forme que pour l’analyse de stabilité.

64

5.3.3.4 La réponse fréquentielle

COMSIS permet de calculer la réponse fréquentielle d'un opérateur de filtrage non rationnel ou

d'un sous-système rationnel grâce à la commande /Réponse Fréquentielle/du menu /Analyse/.

Le logiciel vérifie toujours la cohérence du schéma. Lorsque le calcul est terminé, COMSIS

affiche la réponse fréquentielle en amplitude, en phase et en temps de propagation de groupe.

5.3.3.5 La simulation temporelle

La commande /Simulation Temporelle/du menu /Analyse/permet de déterminer la réponse d’un

système à des signaux dans le domaine temporel. Cette analyse est légèrement différente car ne

concerne plus l’analyse d’un opérateur mais plutôt l’analyse du signal envoyé pendant sa

transmission. A l’issue de la simulation, la fenêtre d’évaluationdes Performances propose

différents traitements sur les variables simulées.

5.3.4 Déroulement de la simulation sous COMSIS

Pour la suite on utilisera surtout la simulation temporelle car elle est l’analyse permettant le plus

grand nombre de possibilités dans l’exploitation des résultats. Les autres analyses affichent

directement le résultat demandé dans la fenêtre graphique

Après avoir lancé la simulation du système une fenêtre d’Evaluation des performances s’affiche.

On utilisera la visualisation globale car elle offre le plus de possibilité pour la simulation.

La commande /Visualisation/affiche les variables calculées, soit directement dans le domaine

temporel, soit après qu’elles aient subi un prétraitement. Lorsque cette commande est activée, la

fenêtre Variables et Pré-traitementsapparaît et donne accès aux choix de ces traitements à effectuer

et des variables simulées sur lesquels les effectuer. Sur la gauche s’affiche le type d’analyse à

effectuer, su la droite les variables mémorisés et en bas les variables à afficher.

5.3.4.1 La réponse temporelle

Cette commande permet d’observer directement les variables simulées, sans prétraitement.

L’abscisse des courbes est constituée d’une base de temps.

65

5.3.4.2 Les fonctions de corrélation

Ces prétraitements permettent de calculer la fonction d’autocorrélation d’un signal et la fonction

d’intercorrélation de deux signaux. COMSIS propose le choix entre une méthode de calculs

directs et une méthode basée sur la transformation de Fourier

5.3.4.3 Le diagramme de l’œil

Expérimentalement, on obtient le diagramme de l’œil en observant, sur un oscilloscope, le signal

reçu, en fonction d’une base de temps synchronisée sur l’horloge des données. En simulation, on

utilise une technique identique qui repose sur la connaissance d’une variable d’horloge de

synchronisation, utilisée pour générer la base de temps appropriée.

Figure 5.03 : Représentation graphique de quelques interprétations d’un diagramme de l’œil

66

5.3.4.4 Le diagramme vectoriel ou trajectoire

Les systèmes de communications numériques utilisent des signaux dont les combinaisons

d’amplitude et de phase représentent le message à transmettre. La représentation vectorielle de ces

différentes combinaisons donne naissance au diagramme vectoriel, encore appelé trajectoire. La

trajectoire est en fait la représentation de la composante en quadrature en fonction de la

composante en phase du signal modulé.

5.3.4.5 La vue tridimensionnelle

Ce prétraitement permet de visualiser l’évolution des composantes en phase et en quadrature, d’un

signal à bande étroite représenté par enveloppe complexe, en fonction du temps. La vue

tridimensionnelle est intéressante d’un point de vue qualitatif car elle ajoute la dimension

temporelle au diagramme vectoriel du signal et la dimension complexe au diagramme de l’œil des

composantes en phase et en quadrature.

5.3.4.6 Le diagramme de constellation

L’échantillonnage, par l’horloge, des données du diagramme vectoriel d’un signal, aboutit au

diagramme de constellation. Ce diagramme représente, par conséquent, les états d’amplitude et de

phase du signal modulé aux instants de décision. La géométrie de ces états et leur dispersion sont

des indications qualitatives pour le diagnostic des défauts et des marges d’erreur des systèmes.

5.3.4.7 La transformée de Fourier

La transformée de Fourier étant complexe, COMSIS édite, dans deux cadres différents, la partie

réelle et la partie imaginaire

5.3.4.8 La densité spectrale de puissance (DSP)

La densité spectrale de puissance d’un signal donne une idée de la largeur de bande nécessaire

pour la transmettre. Elle permet également d’apprécier l’efficacité de certaines fonctions et

d’évaluer différents types de brouillage. La densité spectrale de puissance d’un processus

stationnaire au second ordre, est définie comme la transformée de Fourier de la fonction

d’autocorrélation.

67

5.3.4.9 La puissance instantanée

Ce prétraitement permet de visualiser la variation de la puissance instantanée d’un signal en

fonction du temps.

5.3.4.10 L’histogramme

Ce prétraitement permet de visualiser la distribution des échantillons d’une variable. Il est possible

de visualiser l’histogramme de tous les échantillons qui ont été calculés ou uniquement ceux situés

sur les fronts montants d’une horloge donnée. Cette possibilité est particulièrement adaptée à

l’analyse de distributions des valeurs prises par la variable sur laquelle s’effectue la décision.

5.3.4.11 La fonction de distribution cumulative

La fonction de distribution cumulative (FDC) est une technique utilisée pour mesurer les signaux à

spectre étalé. L’échelle des ordonnées est une échelle logarithmique représentant une probabilité

en pourcentage. L’échelle des abscisses est une échelle en décibel (dB) considérant l’offset par

rapport à la puissance moyenne du signal.

5.4 Architecture du réseau

5.4.1 L’ONU

Un émetteur a modulation externe sera utiliser pour l’ONU car les débits requis sont supérieures à

2.5 Gbits/s.

Figure 5.04 : Emetteur de l’ONU

68

5.4.2 L’OLT

Au niveau de chaque OLT on utilisera des récepteurs simples et on introduira un filtre sur l’un

d’eux pour pouvoir montrer l’importance de ce dernier.

Figure 5.05 : Récepteurs de l’OLT

69

5.4.3 Le splitter

Figure 5.06 : Splitter optique

Le splitter est un composant optique composé d’OXC (optical cross connect) et permet de répéter

le même signal d’entrer 8 fois. Il introduit une perte de 3dB par split.

5.4.4 La fibre optique

La fibre optique considérée dans l’étude est une fibre standard télécom (Single Mode Fiber, SMF),

G.652, dont les paramètres géométriques, mécaniques et optiques sont définis par l’UIT-T. Le

modèle disponible dans COMSIS est un bloc représentant une fibre optique monomode.

Paramètres système de la fibre Valeurs

Longueur (km) Variable km

Atténuation (dB/km) 0,25

Dispersion chromatique (ps/nm/km) 17

Effet Kerr Oui

Effet Raman Non

Coefficient de non linéarité (m2/W) 2,7.10-20

Aire effective de la section (µm2) 80

Dispersion Modale de Polarisation Non

Retard (ns) 4

Tableau 5.01: Les paramètres de la fibre SMF G.652

70

5.5 Résultat de simulation

Pour la simulation le logiciel COMSIS n’offre pas de solution satisfaisante pour la simulation de

« combiner ». De ce fait on simulera seulement la transmission de l’ONU vers l’OLT.

5.5.1 DSP pour différent débit à l’émetteur

Figure 5.07 : DSP à l’émetteur

Cette courbe de DSP montre que la plupart de la puissance utilisé se trouve au centre donc il y

possibilités d’étalement de spectre et d’émission via d’autre canaux. Aussi pour la suite on

limitera l’étude à de faible valeur de débit au niveau du générateur binaire pseudo-aléatoire. La

simulation de système a débit très élever nécessitant l’élaboration de nouveau systèmes d’émission

et de réception ayant des équipements optoélectronique plus complexe et nécessitant des études

plus approfondies avant de les mentionner.

5.5.2 Format du signal a la sortie de l’ONU

A la sortie du modulateur externe, le signal laser est combiné avec le signal utile pour pouvoir être

transmis. La figure5.08 montre les différents niveaux émis. En comparant le signal à la sortie du

71

générateur de bits avec celui à la sortie du modulateur les différents niveaux sont encore visible et

ne présente pas de retard temporelle.

Figure 5.08 : à gauche signal à la sortie du modulateur et à droite signa à l’entrée

5.5.3 résultat aux sorties du splitter

Le format du signal aux sorties du splitter est exactement le même qu’à la sortie du modulateur

donc le « split » n’a pas d’effet sur le signal émis

Figure 5.09 : sortie du splitter

72

5.5.4 Diagramme de l’œil

Figure 5.10 : Diagramme de l’œil

A droite nous avons le diagramme de l’œil pour les récepteurs sans filtre et à gauche pour le

récepteur avec filtre électrique. Nous remarquons que la présence du filtre améliore l’aspect du

diagramme grâce à l’élimination des hautes fréquences.

D’après ce qui est dit plus haut on voie que le seuil de décision pour le choix de la valeur suivante

se situe entre une amplitude de 5 et 10. L’analyse de ces résultats permette de définir un système

de récupération de la séquence binaire d’ entrer.

Si la valeur de sortie est inférieure au seuil de décision le futur circuit de décision mettra la valeur

haute et si elle est supéieure ce sera la valeur basse.

5.5.5 Résultat à la sortie

Figure 5.11 : Résultat de simulation

73

La première courbe indique les valeurs à l’entrer, la seconde pour la sortie filtrées et la troisième

pour une des sorties non filtrées. La prise de décision est possible dans les deux cas de sortie mais

avec un léger retard de moins le dixième d’une microseconde.

5.5.6 Multiplexage en longueur d’onde

Il existe aussi des architectures de réseau PON utilisant le multiplexage WDM. L’ONU est

remplacé par plusieurs émetteursémettant sur des longueurs d’onde différente puis multiplexer. Le

splitter est remplacé par le démultiplexeur dont chacun des sorties représente un OLT

Figure 5.12 : Architecture simplifiée d’un réseau PON à WDM

L’analyse statique du multiplexeur montre que chaque émetteur émet sur de longueur d’onde

différente.

74

.

Figure 5.13 : analyse statique du multiplexeur

cet analyse montre la possibilité d’utiliser le multiplexage WDM dans les réseaux PON. La

combinaison de ce résultat avec les résultats précédents permet de prévoir la possibilité de

combinaison d’un réseau TDM-PON avec un WDM-PON

5.6 Conclusion

Ce chapitre a montré qu’il est tout à fait possible d’utiliser un réseau d’accès optique sur plus de

20 Km. Même si on ne l’a pas montré les techniques d’étalement de spectre permettrons

d’accroitre le débit générer par l’émetteur. De là on peut trouver beaucoup d’autre sujet de

recherche. Comme l’augmentation du débit à l’intérieure des réseaux PON par exemple.

75

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVE

La fibre optique est en train de gagner de plus en plus de terrain dans le domaine des

télécommunications. Les réseaux à base de fibre optique se généralisent de plus en plus. La fibre

optique a complètement dépasser les autres supports de transmission à l’intérieure des réseaux

cœur. Elle commence aussi à faire son entrer dans les réseaux d’accès. La principale architecture

des réseaux d’accès optique est l’architecture de type PON. Du point de vue débit et distance de

transmission et de qualité de signale on peut dire que les réseaux PON supplante totalement les

autres type de réseaux d’accès. Malgré cela l’expansion de l’utilisation des réseaux PON est

surtout freiner par un cout élevé.

Les résultats de la simulation montrent la fiabilité de la fibre optique comme support de

transmission et la facilité de reconstruction des données émis à travers le réseau PON. La présence

du splitter, même si il introduit de nouvel atténuation n’affectant pas trop la transmission. La

distance de transmission dans un réseau optique dépasse de loin les distances des autres techniques

existant dans le domaine.

Même si on s’est arrêter su la simulation de l’architecture des réseaux PON, beaucoup d’autre

études peuvent être mené dans ce domaine. Que ce soit l’accroissement de débit ou l’atténuation

des effets de dispersion à travers les fibres. Le principale sujet de ce mémoire a était surtout les

réseaux PON qui n’ont pas encore cessé d’évoluer.

76

ANNEXE

Annexe 1Paramètres de simulationÉmetteur

Figure A1.01Paramètre générateur de bits aléatoire

Figure A1.02 .Driver

77

Figure A1.03Laser

Figure A1.04Modulateur externe

78

Annexe 2 Paramètres de simulation Fibre optique

Figure A2.01Fibre optique

Annexe 3 Paramètres de simulationSplitter

Figure A2.01Splitter

79

Annexe 4 Paramètres de simulationRécepteur

Figure A4.01Amplificateur optique

Figure A4.02Photodiode

80

Figure A4.03Filtre électrique

81

BIBLIOGRAPHIE

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Nom : RABESON

Prénoms: Andrivola Elie

Adresse de l’auteur : Lot III O 20 I A Bis Mananjara

Antananarivo 101

Madagascar

Tél : 034 61 536

E-mail [email protected]

Titre de mémoire : ANALYSE DE PERFORMANCE D’UN RESEAU P

Nombre de pages : 82

Nombre de tableaux : 4

Nombre de figures : 42

Mots clés :

- PON;

- COMSIS;

- Réseaux d’accès;

- Fibre optique;

Directeur de mémoire : M. RANDRIAMITANTSOA Paul Auguste

83

Adresse de l’auteur : Lot III O 20 I A Bis Mananjara

Antananarivo 101

Madagascar

[email protected]

ANALYSE DE PERFORMANCE D’UN RESEAU PON

RANDRIAMITANTSOA Paul Auguste

ON

RESUME

Ce mémoire a pour but de montré l’efficacité des réseaux d’accès de type PON. La fibre optique

s’avère être un excellent moyen de transmission de l’information. Les réseaux d’accès de type

PON, prennent de plus en plus de place dans la catégorie des réseaux d’accès. Le développement

des réseaux PON est incessant grâce aux techniques emprunté aux technologies déjà existant

comme les méthodes d’accès.

Dans ce mémoire on a montré les généralités sur la fibre optique; qui est utilisé dans les réseaux

optiques ; qu’on peut utiliser comme réseaux d’accès. Pour nous amener a notre thème qui sont les

Réseaux PON ou Passive Optical Network

Mots clés : PON, réseaux d’accès, fibre optique, COMSIS

ABSTRACT

This memory has for goal to show the efficiency of PON. Optical fiber is one of the best way for

information transmission. PON take more place in the field of access network. The use of career

system improve the capacity of PON network.

Firstly we show the generality about optical fibers; which is used in optical network; this optical

network can be used in access network. All of that give our topic which is PON or Passive Optical

Network

Keyword: PON, Access Network, optical fiber, COMSIS

ANALYSE DE PERFORMANCE D’UN RESEAU PON

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