2. Le réseau d'accès GPON
2.4. Budget optique
Le budget optique comptabilise la perte ou l'atténuation optique possible entre un émetteur et un récepteur reliés par des composants optiques passifs tels que fibres, coupleurs, atténuateurs ou encore multiplexeurs. Cette notion de budget optique prend de l'importance pour le GPON. Elle constitue la principale limite dans la réalisation d'architecture d'accès optique sur une longue portée.
2.4.1.
Atténuation linéique de la fibre et portée
L'atténuation dans une fibre monomode à base de Silice est due aux impuretés du verre qui peuvent absorber et diffuser la lumière. Les caractéristiques d'atténuation linéique (pertes en fonction de la distance parcourue) sont données en Figure 18 en fonction de la longueur d'onde transmise pour une fibre standardisée SMF28 (Single Mode Fibre).
Figure 18 : Atténuation linéique d'une fibre SMF28
Pour le GPON, on retiendra les valeurs d'atténuation, typiquement, de 0.31dB/km pour les signaux montants à 1.31µm et 0.25dB/km pour les signaux descendants à 1.49µm.
Remarque : Pour rappel et comparaison, typiquement l'atténuation d'une paire cuivre (4/10) est de 15dB/km à 300kHz et 21dB/km à 512 kHz
La portée du GPON, désignant la distance possible entre l'OLT et les ONTs, est ainsi limitée par l'atténuation linéique souvent à 20km selon le taux de couplage utilisé par l'architecture.
La norme G984.1 définit également une portée logique maximale de 60km.
De plus, une distance différentielle de fonctionnement de 20km est fixée, entre le client à connecter le plus proche du central, et celui le plus éloigné. Ceci est lié notamment à la taille de la fenêtre de ranging nécessaire à la synchronisation des ONT, conformément à la norme ITU-T Rec. G.983.1.
2.4.2.
Coupleurs optiques
Les coupleurs optiques sont des composants passifs à faible coût et à encombrement réduit. Ils permettent de partager un canal optique en N branches de sortie, on parle alors d'un coupleur optique 1 vers N ou 1:N. La division du faisceau optique entre plusieurs branches induit une réduction du signal transmis vers chaque destinataire. Cette réduction exprimée en dB est au mieux pour un coupleur sans perte supplémentaire, donné par l'expression : Att(dB)= Pout - Pin = 10 log (1/N). Les valeurs d'atténuation des coupleurs utilisés le plus fréquemment sont résumées dans le tableau suivant. La valeur réelle doit inclure les pertes de connexions et les pertes internes du coupleur qui sont de l'ordre de 1dB. Les études de dimensionnement d'une transmission optique utilisent de telles valeurs typiques.
Coupleur 1:N Atténuation (dB) Théorique Typique 1:2 3 4-5 1:4 6 7-8 1:8 9 10-11
Tableau 5 : Pertes d'un coupleur optique
Pour le GPON les coupleurs assurent le multiplexage temporel. L'intérêt de l'opérateur réside dans un fort taux de couplage afin d'atteindre un maximum de client et de mutualiser au mieux les équipements du coté du central (ports OLT et fibre).
Cependant, le budget optique disponible, défini par les puissances émises et les sensibilités des récepteurs, limite ce taux couplage. L'architecture du GPON est ainsi souvent basée sur deux étages de coupleurs 1:8 afin d'atteindre 64 clients.
2.4.3.
Classes A, B, C
Les classes A, B, B+, C, C+ sont définies par la norme GPON. Elles définissent le budget optique entre le central et les clients :
Classe Atténuation (dB) Min. Max. A 5 20 B 10 25 B+ 13 28 C 15 30 C+ 17 32 Tableau 6 : Classes A, B, B+, C, C+
La Figure 19 illustre un schéma justifiant le budget défini pour la classe B+. En effet, le client le plus proche peut se trouver aussi bien après un premier coupleur 1 vers N, ce qui représente environ 10dB de perte pour le signal dans le cas où N=8 ; il peut également être à l'extrémité du réseau après 2 coupleurs et 20km de fibre qui représentent environ 25dB de perte pour le signal (dépendant de la longueur d'onde). Pour garantir à chaque client une bonne réception, la classe B+ est ainsi définie avec un minimum de 13dB de pertes depuis l'OLT pour le client le plus proche et un maximum de 28dB pour le client le plus éloigné.
Figure 19 : Architecture d'un système PON de classe B+
Les performances des émetteurs-récepteurs en termes de puissances respectivement émises et reçues vont permettre de définir le budget optique d'une liaison. Elles sont définies par la norme G984.2 à l'ITU-T. Le tableau suivant résume ces spécifications pour une transmission
Emission Réception OLT Coupleur 1:N Emission Réception ONU Emission Réception 1 2 N λ λ λ λ1 λ 1 : 1.49 µm λ 2 : 1.3 µm Emission Réception Mux/Demux Mux/Demux λ λ λ λ2 Coupleur 1:N 13dB 13dB 15dB (20 km = 5dB) Emission Réception 1 2 N
central ligne client
client
10dB
OLT Classe ONT Classe A B C C+ A B C C+ Tx Max (dBm) 4 9 7 7 Tx Max (dBm) 2 3 7 5 Tx Min (dBm) 0 5 3 3 Tx Min (dBm) -3 -2 2 0,5 Rx Max (dBm) -3 -7 -8 -12 Rx Max (dBm) -1 -1 -8 -8 Rx Min (dBm) -24 -28 -29 -32 Rx Min (dBm) -21 -21 -28 -30
Tableau 7 : Spécifications des émetteurs et récepteurs à l'OLT et à l'ONT selon les classes.
Dans une optique de profiter d'un budget optique supérieur, il existe désormais des émetteurs- récepteurs GPON Classe C+ mais leur utilisation est freinée pour une question de coût de cette technologie.
2.4.4.
FEC
Un code correcteur d'erreur FEC (Forward Error Correction) peut être utilisé pour la couche de transport dans les systèmes de télécommunication. Il est basé sur un format encodé pour la transmission des données. L'encodage introduit une redondance qui permet au décodeur de détecter et corriger les erreurs de transmission. Par exemple, pour un taux d'erreur binaire (BER: Bit Error Rate) de 10-4, en sortie du décodeur du FEC on obtient un BER de 10-15. En utilisant cette technique, on peut réaliser de bonnes transmissions avec des taux d'erreur faibles, évitant ainsi des besoins de réémission des données transmises.
L'utilisation d'un FEC permet ainsi d'augmenter le budget optique du lien de l'ordre de 3 à 4 dB. En conséquence, l'OLT et les ONU peuvent supporter des débits plus élevés, une plus longue distance de transmission ainsi qu'un plus grand taux de couplage par arbre PON.
Cette solution est normalisée à l'ITU-T et son fonctionnement est détaillé sur la norme G984.3.