Etude de l'ADO-OFDM pour son implémentation dans les réseaux d'accès optiques

Universit´ e d’abomey-calavi

Ecole Polytechnique d’abomey-calavi

D´ epartement de g´ enie informatique et t´ el´ ecommunications

Option : R´ eseau et T´ el´ ecommunications (RT)

M´ emoire de fin de Formation Pour l’obtention

Du diplˆ ome d’ing´ enieur de conception Th` eme :

Etude de l’ADO-OFDM pour son

impl´ ementation dans les r´ eseaux d’acc` es optiques

Pr´ esent´ e et soutenu par :

Katel Yacine HOUNSOUNOU

Pr´esent´e le 03 Avril 2019 devant le jury compos´e de : Pr´esident : Dr. Leolpold DJOGBE

Membre : Dr. Patrick SOTINDJO Membre : Ing. Fabrice DAKO Maˆıtre de m´emoire : Dr. Max Fr´ejus SANYA

Sommaire

Sommaire ii

D´edicace iii

Remerciements iv

Liste des sigles et abr´eviations v

Liste des tableaux ix

Liste des figures xi

R´esum´e xii

Abstract xiii

I Synth` ese bibliographique 1

Introduction 2

Contexte,justification et probl´ematique 3

1 Introduction aux r´eseaux optiques 6

2 Syst`emes de transmission optique et techniques de modulation 20

II Approche m´ ethodologique 29

3 Les techniques de modulation OFDM en syst`emes IM/DD 30

III R´ esultats et discussions 35

4 Simulation et analyse des r´esultats 36

Conclusion g´en´erale et perspectives 49

Bibliographie 53

Annexes 59

Table des mati`eres 61

English Version 62

D´ edicace

A Dieu le p`` ere et `a toute ma famille et particuli`erement `a Kenzy ;

A toutes les personnes qui m’ont toujours soutenue et accompagn´` ee de conseils et de pri`eres pendant toutes ces ann´ees d’´etudes.

Remerciements

Toute ma gratitude va `a l’endroit de ces personnes qui de pr`es ou de loin ont apport´e leur contribution `a la r´ealisation effective de ce document. Je remercie sinc`erement :

- l’Eternel des arm´ees pour tous ces bienfaits dans ma vie et dans celle de ma famille ; - le Docteur L´eopold DJOGBE, Chef du d´epartement de G´enie Informatique et T´el´ecom-

munications (GIT) de l’EPAC ;

- le Docteur Max Fr´ejus O. SANYA, enseignant `a l’EPAC, mon maˆıtre de m´emoire, pour son accompagnement, sa rigueur, sa grande patience, sa disponibilit´e et pour avoir ac- cept´e suivre ce travail en y consacrant une attention particuli`ere en d´epit de ses multiples responsabilit´es ;

- les Ing´enieurs Fr´ejus ADJE, Fortun´e KPONOU et Quentin CHOUKPIN pour leur aides et leur accompagnements ;

- l’Ing´enieur Bickel OLOUDE qui m’a toujours soutenu, conseill´e et aid´e durant mon cursus malgr´e ses multiples occupations ;

- mes camarades de classe et de promotion Jaures AZATA, ALAKOUKO Raimi et Franck ADJIBAO pour leur aide, leur soutien et leur attention `a mon ´egard ;

- monsieur Jean-Ga¨el KIWALLO pour son aide, tout son soutien moral, sa pr´esence et son attention ;

- monsieur Oswald ODJO ZOSSOU pour sa patience, sa compr´ehension et pour les efforts consentis en vue de mener `a bien ce travail ;

- tous les enseignants du d´epartement de GIT pour la formation de qualit´e donn´ee ; - toute la 11`eme promotion du Secteur Industriel de l’EPAC ;

- toutes les personnes dont je n’ai pas pu citer les noms ici, mais qui m’ont aid´e d’une mani`ere ou d’une autre.

Liste des sigles et abr´ eviations

A

ACO-OFDM : Asymmetrically Clipped Optical OFDM

ADO-OFDM : Asymmetrically clipped DC-biased Optical OFDM APD : Avalanche Photodetector

AWGN : Additive White Gaussian Noise

B

B2B :Back-to-Back BER :Bit Error Ratio BO : Budget Optique

C

CO :Central Optique CP : Cyclic Prefixe

D

DCO-OFDM : DC-biased Optical OFDM DML :Directly Modulated Laser

DFB :Distributed FeedBack

E

EVM :Error Vector Magnitude

F

FFT :Fast Fourrier Transform FTTH : Fiber-To-The-Home FTTx : Fiber-To-The x

I

ICI :Inter Channel Interference

IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers IFFT : Inverse Fast Fourier Transform

ICI :Inter Channel Interference

IM/DD :IntensityModulation / Direct Detection ISI :Inter Symbol Interference

IUT-T :International Union of Telecommunications branch of Telecommunications

L

LASER :Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LED : Light Emitting Diode

O

ODN :Optical Distributed Network

OLT :Optical Line Terminal ONT : Optical Network Terminal

P

P2MP :Point to Multi-Point P2P : Point to Point

PON :Passive Optical Network POR : Puissance Optique Re¸cue

PDI2T Projet de D´eveloppement Des Infrastructures des T´el´ecommunications et des TICs

Q

QAM :Quadrature Amplitude Modulation

R

RIN :Relative Intensity Noise

S

SNR :Signal-to-Noise-Ratio

T

TDM :Time Division Multiplexing TEB :Taux d’Erreur Binaire

W

WDM :Wavelength Division Multiplexing

Liste des tableaux

1.1 Syst`emes PON actuellement d´eploy´es . . . 13

4.1 Param`etres de simulation de la ADO-OFDM . . . 37

4.2 Param`etres de simulation du signal OFDM . . . 42

4.3 Param`etres de la liaison optique . . . 43

4.4 Comparaison des techniques OFDM ´etudi´ees . . . 48

1 Param`etres de simulation de la DCO-OFDM . . . 54

2 Param`etres de simulation de la ACO . . . 56

Table des figures

1.1 Typologie d’un r´eseau de communication optique [7] . . . 7

1.2 Architecture PON [14] . . . 9

1.3 Architecture AON [14] . . . 9

1.4 Architecture P2P [18]. . . 11

1.5 Architecture d’un r´eseau PON P2MP. . . 12

1.6 Evolution du PON et ses standards [6]. . . 14

1.7 D´eploiement du cˆable sous-marin SAT 3 [23]. . . 15

1.8 Structure d’un r´eseau TDM-PON [8]. . . 17

1.9 Principe d’une liaison WDM [24]. . . 18

2.1 Chaˆıne de transmission optique. . . 20

2.2 Image d’une fibre optique [28]. . . 22

2.3 Sch´ema de principe de la photodiode PIN . . . 23

2.4 Repr´esentation sch´ematique de l’orthogonalit´e de cinq sous-porteuses OFDM [32]. . . . 25

2.5 Sch´ema de principe de l’OFDM . . . 25

2.6 Principe du pr´efixe cyclique en OFDM [6] . . . 26

3.1 Sch´ema synoptique d’une chaˆıne de transmission DCO-OFDM . . . 30

3.2 Sch´ema synoptique d’une chaˆıne de transmission ACO-OFDM. . . 32

3.3 Sch´ema du principe de la sym´etrie hermitienne en ACO-OFDM [6]. . . 32

3.4 Signal OFDM avant clipping. . . 33

3.5 Signal ACO-OFDM apr`es clipping.. . . 33

3.6 Sch´ema de principe d’un emetteur ADO [6]. . . 33

3.7 Sch´ema de principe d’un r´ecepteur ADO [6]. . . 34

4.1 Performances TEB en fonction de E_b(elec)/N₀ obtenues avec la partie DCO(7dB) avec la technique ADO-OFDM dans un canal plat AWGN . . . 37

4.2 Performances TEB en fonction de E_b(elec)/N₀ obtenues avec la partie ACO avec la technique ADO-OFDM dans un canal plat AWGN . . . 37

4.3 Performances TEB=f( E_b(elec)/N₀) comparatives entre DCO(ADO) et DCO convention- nelle dans un canal plat AWGN `a 7 dB . . . 38

4.4 Performances TEB=f( E_b(elec)/N0) comparatives entre ACO (ADO) et ACO conven-

tionnelle dans un canal plat AWGN . . . 39

4.5 Sch´ema synoptique de la liaison FTTH simul´ee . . . 41

4.6 Chaˆıne OFDM simul´ee . . . 41

4.7 Canal optique fibr´e ´etudi´e . . . 42

4.8 Performances TEB=f(POR) obtenues en DCO et en ACO pour diff´erentes puissance optiques ´emises. . . 44

4.9 Performances comparatives TEB=f(Distance) entre DCO et ACO pour la liaison optique simul´ee.. . . 45

4.10 Performances TEB=f(Distance) pour la DCO, l’ACO et pour l’ADO pour diff´erentes QAM `a 10 Gbps. . . 46

4.11 Performances comparatives TEB=f(D´ebit) entre DCO et ADO pour diff´erentes QAM `a 20 km. . . 47

1 Performances TEB en fonction de E_b(elec)/N₀ obtenues avec la technique DCO pour un canal plat AWGN et DC_bias= 7dB . . . 55

2 Performances TEB en fonction de E_b(elec)/N₀ obtenues avec la technique DCO pour un canal plat AWGN et DC_bias = 13dB . . . 55

3 Performances TEB en fonction de Eb(elec)/N0 obtenues avec la technique ACO-OFDM pour un canal plat AWGN . . . 56

4 Performances TEB = f( Eb(elec)/N0) entre DCO (13 dB) et ACO dans un canal plat AWGN . . . 58

1 Schematic diagram of an ADO-OFDM transmitter . . . 66

2 Schematic diagram of an ADO-OFDM receiver . . . 67

3 BER=f( E_b(elec)/N0) comparative performances between DCO(ADO) and conventional DCO in a flat channel AWGN . . . 68

4 BER=f( E_b(elec)/N₀) comparative performances between ACO(ADO) and conventional DCO in a flat channel AWGN . . . 68

5 BER=f(range) for DCO vs ACO vs ADO for differents QAM at 10 Gbps . . . 69

6 BER=f(useful data rate) for DCO vs ADO (4-QAM DCO 4-QAM ACO) vs ADO (4- QAM DCO 16-QAM ACO) at 20 km . . . 70

R´ esum´ e

L’introduction de la fibre optique dans les r´eseaux de t´el´ecommunications a permis l’atteinte du haut d´ebit r´epondant ainsi `a la demande en bande passante qui ne cesse de croˆıtre. De ce fait, dans les r´eseaux d’acc`es, les infrastructures FTTx apparaissent comme une solution `a la demande croissante en bande passante. Compte tenu du coˆut excessif du d´eploiement brut de ces infrastructures, notre choix s’est port´e sur les syst`emes de modulation d’intensit´e et de d´etection directe (IM/DD) de type FTTH(Fiber-To-The-Home) dans un r´eseau optique passif (PON). Dans le pr´esent document, une solution pour la mont´ee en d´ebit a ´et´e d´evelopp´ee par l’impl´ementation de la modulation multi-porteuse OFDM : l’ADO-OFDM (Asymmetrically clipped DC biased Optical OFDM). Cette technique de modulation a d’abord ´et´e impl´ement´ee dans un canal plat AWGN puis dans une liaison optique r´ealiste. Nous avons ´egalement impl´ement´e l’ACO et la DCO- OFDM qui sont deux techniques OFDM tr`es utilis´ees dans les syst`emes IM/DD. Les r´esultats obtenus compar´es entre-eux, r´ev`elent une importante am´elioration apport´ee par l’ADO-OFDM.

Pour un mˆeme d´ebit, l’ADO permet d’atteindre une distance de 100 km : soit 30 km de gain en distance (environ la moiti´e de la DCO) pour une complexit´e de calcul ´elev´ee. De plus, il est possible d’obtenir `a peu pr`es le double du d´ebit utile r´ealisable en 4-QAM DCO, en ADO (4- QAM DCO et 4-QAM ACO). Ces r´esultats pourraient ˆetre am´elior´es en associant des m´ethodes adaptatives `a l’OFDM en plus des techniques de transposition de fr´equence.

Mots-cl´es : ADO-OFDM, liaison optique, FTTH, PON.

Abstract

The introduction of optical fibre into telecommunications networks has enabled broadband to be achieved, thus meeting the ever-increasing demand for bandwidth. As a result, in access networks, FTTx infrastructures appear to be a solution to the growing demand for bandwidth. Gi- ven the excessive brute cost of deploying these infrastructures, we chose intensity modulation and direct detection (IM/DD) systems of the FTTH (Fiber-To-The-Home) type in a passive optical network (PON). In this document, a solution for the increase in throughput has been developed by the implementation of the OFDM multi-carrier modulation : ADO-OFDM (Asymmetrically clip- ped DC biased Optical OFDM). This modulation technique was first implemented in an AWGN flat channel and then in a realistic optical link. We have also implemented ACO and DCO-OFDM, which are two OFDM techniques widely used in IM/DD systems. The results obtained compared to each other reveal a significant improvement made by the ADO-OFDM. For the same flow rate, the ADO allows a distance of 100 km to be reached : 30 km of distance gain (about half of the DCO) for a calculation complexity of five IFFT/FFT blocks. In addition, it is possible to obtain approximately twice the usable flow rate achievable in 4-QAM DCO, ADO (4-QAM DCO and 4-QAM ACO). These results could be improved by combining adaptive methods with the OFDM in addition to frequency transposition technics.

Keywords : ADO-OFDM, optical link, FTTH, PON.

Premi` ere partie

Synth` ese bibliographique

Introduction g´ en´ erale

Au cours de ces derni`eres ann´ees, l’accroissement des services de l’internet, de la VoD, de la VoIP, des jeux en ligne, de la 3G, du«cloud computing», etc., a engendr´e un flux de donn´ees ´elev´e dans les r´eseaux de communication. Ces applications gourmandes en bande passante pr´esentent des enjeux pour le d´eveloppement du monde d’aujourd’hui qui se veut enti`erement num´erique.

Ainsi, les infrastructures bas´ees sur le cuivre n´ecessitant une grande consommation ´electrique ne sont plus `a mˆeme de couvrir tout le trafic et surtout en ce qui concerne le haut d´ebit. Ils deviennent de ce fait obsol`etes. Il convient alors de trouver une alternative disposant d’une large bande passante susceptible de g´erer le traffic et surtout le haut d´ebit. La fibre optique se pr´esente alors comme une solution aux limites du cuivre dans l’atteinte du haut d´ebit. C’est alors que les r´eseaux de communication `a fibre optique remplacent de plus en plus les r´eseaux `a base de cuivre pour fournir aux usagers davantage de services n´ecessitant de grandes bandes passantes avec une grande fluidit´e. La transmission optique repr´esente donc un domaine en plein essor et attire beaucoup de chercheurs aussi bien sur le mat´eriel qu’est la fibre optique que les aspects li´es au traitement du signal. Plusieurs architectures ont ´et´e mises au point en ce qui concerne le d´eploiement de la fibre optique.

Dans les r´eseaux d’acc`es, pour d´eployer la fibre optique, l’architecture point-`a-multipoint avec des ´equipements passifs, appel´ee Passive Optical Network, est utilis´ee du fait de son avantage« bas-coˆut » en comparaison aux architectures point `a point passif et point-multipoint actifs. De mˆeme, dans les diff´erentes architectures utilis´ees, un grand nombre de techniques ont ´et´e mises en place toujours dans le soucis du haut d´ebit et d’une meilleure exploitation des avantages qu’offrent la fibre optique.

Diverses techniques de modulation sont donc utilis´ees : les modulations monoporteuses et celles multiporteuses en l’occurence, l’OFDM. Cette derni`ere disposant de plusieurs variantes comme par exemple l’ACO-OFDM (Asymmetricaly clipped optical OFDM), la DCO-OFDM ( DC-biased Optical OFDM), l’ADO-OFDM (Asymmettrically clipped Dc-biased OFDM), etc [1].

Par ailleurs, la mont´ee en d´ebit ne repose pas seulement sur ces techniques mais ´egalement sur divers autres ´el´ements de la laison optique comme la source optique utilis´ee (LED, laser), le photod´etecteur (PIN, APD, etc). Le param´etrage de chacun de ces composants joue un rˆole particulier sur les performances du r´eseau.

Contexte, justification et probl´ ematique

L’avanc´ee spectaculaire du secteur des TIC, a r´evolutionn´e aujourd’hui notre fa¸con de com- muniquer. Grˆace aux r´eformes et r´eglementations tourn´ees vers un avenir meilleur, les innovations de la part de l’industrie, les investissements dans les infrastructures et les nouveaux services, des milliards de personnes ont eu acc`es en un laps de temps, au monde des technologies de l’informa- tion.

En cons´equence, nous nous trouvons aujourd’hui dans un environnement de plus en plus connect´e qui englobe un grand nombre de services : IOT, cloud computing, des m´ega-donn´ees et de nou- velles applications dans divers domaines (sant´e, finances, divertissements, etc). Le monde ´evolue mˆeme vers la cr´eation de syst`emes de transport intelligents et de cr´eation de villes intelligentes [2]. A mesure que les infrastructures se d´eploient et que la connectivit´e progresse, le haut d´ebit devient donc l’un des soucis majeurs des r´eseaux de t´el´ecommunication. En effet, monsieur Houlin Zhao, secr´etaire g´en´eral de l’UIT d´eclare :« Au 21`eme si`ecle, l’acc`es abordable `a l’Internet haut d´ebit devient aussi indispensable au d´eveloppement social et ´economique que les r´eseaux tels que le transport, l’eau et l’´energie » [3]. Cette d´eclaration r´esume l’importance du haut d´ebit qui est universellement reconnu aujourd’hui comme un atout essentiel d’une v´eritable soci´et´e d’in- formation bas´ee sur le savoir. Par ailleurs, une estimation de la banque mondiale montre que le haut d´ebit impacte positivement la croissance ´economique d’un pays. De plus, dans un contexte national, le B´enin dans sa « vision 2025 » veut ˆetre le quartier num´erique de l’Afrique et ceci ne saurait ˆetre r´ealis´e sans le haut d´ebit. Une solution pour l’atteinte de ce haut d´ebit : la fibre optique.

Les t´el´ecommunications ont connu un essor sans pr´ec´edent avec l’av`enement de ce support de transmission. Conscient de l’importance de la fibre optique dans l’atteinte de cet objectif du haut d´ebit, il a ´et´e mis sur pied le projet PDI2T visant `a d´eployer la fibre optique sur toute l’´eten- due du territoire national. Ce projet fut essentiellement men´e par B´enin T´el´ecom Infrastructure (BTI). Cependant, le d´eploiement de la fibre jusqu’`a l’abonn´e (FTTX), fˆut confi´e aux op´erateurs t´el´ecom du territoire. Afin de diminuer le coˆut des r´ealisations et d’exploiter au mieux ce sup- port de transmission, il convient de prendre en compte un certain nombre de param`etres dont par exemple, l’´etude et le dimensionnement des liaisons optiques FTTx ainsi que le choix de la technique de modulation `a employer. Quant `a la technique de modulation, l’OFDM s’est montr´e comme un candidat pour la mont´ee en d´ebit dans les r´eseaux d’acc`es. C’est alors que notre choix

de modulation : DCO-OFDM, ACO-OFDM et ADO-OFDM. Ce document sera pr´esent´e en deux grandes parties : la premi`ere partie sera consacr´ee `a la synth`ese bibliographique, la deuxi`eme par- tie `a l’approche m´ethodologique et la troisi`eme partie, `a la pr´esentation des diff´erents r´esultats obtenus et leurs analyses.

Contribution du travail

Le travail pr´esent´e dans ce document porte de fa¸con sp´ecifique sur :

- l’´etude et la mod´elisation d’une chaˆıne de transmission sur fibre bas´ee sur l’architecture PON ; - l’´etude des techniques de modulation OFDM dont la DCO, l’ACO et l’ADO-OFDM ;

- la r´ealisation des simulations syst`emes en utilisant une cosimulation des logiciels Optisystem7 et Matlab ;

- l’´evaluation des performances des techniques DCO-OFDM, ACO-OFDM et ADO-OFDM dans une liaison FTTH.

Par ailleurs, ´etant donn´e le projet PDI2T (Projet de D´eveloppement des Infrastructures des T´el´ecommunications et des TIC) en cours et au regard de la demande de plus en plus importante en bande passante, une liaison FTTH utilisant une modulation ADO-OFDM pour le transport du signal haut d´ebit a ´et´e propos´ee et ´etudi´ee. Ainsi, cette ´etude pourrait ˆetre analys´ee dans le but d’un d´eploiement FTTH dans les r´eseaux de communication au B´enin.

Chapitre 1

Introduction aux r´ eseaux optiques

Aujourd’hui, le monde connaˆıt une explosion des services multim´edias li´es `a internet qui g´e- n`ere un trafic r´eseau de plus en plus important. Ceci entraine un besoin croissant en termes d’augmentation du d´ebit et l’acc`es en temps r´eel aux services. De ce fait, les solutions `a base de cuivre s’av`erent obsol`etes en ce sens qu’elles ne pourront assurer les d´ebits n´ecessaires. En effet, c’est l’´evolution des services vid´eo, comme par exemple la vid´eo `a la demande, la t´el´evision haute d´efinition et ultra-haute d´efinition, la t´el´evision 3D, etc., qui contribue en grande partie `a l’aug- mentation du trafic internet. C’est ainsi que les op´erateurs et les ´equipementiers ont opt´es pour la fibre optique dans les diff´erents r´eseaux de communication [4]. Dans cette section, il sera pr´esent´e la typologie d’un r´eseau optique, son architecture et quelques techniques de transmission.

1.1 G´ en´ eralit´ es sur les r´ eseaux optiques

Les r´eseaux optiques sont compos´es de trois types de r´eseaux (figure 1.1) `a savoir : le r´eseau cœur, le r´eseau m´etropolitain et le r´eseau d’acc`es.

1.1.1 Le r´ eseau cœur

Le r´eseau cœur : encore appel´e« backbone », est l’´el´ement principal des r´eseaux optiques et repr´esente le nœud principal du r´eseau. Il s’agit d’un r´eseau utilisant des fibres optiques fonc- tionnant dans la fenˆetre de 1,55 µm pour la transmission des informations [5]. Le r´eseau cœur transporte d’importantes donn´ees ( d´ebit de transport ´elev´e, de l’ordre des centaines de Gbps voire Tbps ) d’un noeud `a un autre en interconnectant diff´erents pays ou r´egions et s’´etend sur des centaines voire des milliers de kilom`etres entre noeuds [6].

1.1.2 Le r´ eseau m´ etropolitain

Le r´eseau m´etropolitain : encore appel´e« r´eseau de distribution», est le r´eseau interm´ediaire entre le r´eseau cœur et le r´eseau d’acc`es. Il regroupe l’ensemble du trafic d’une r´egion ou d’une

surface limit´ee et constitue un interface entre r´eseaux cœurs. Il est d´eploy´e `a l’´echelle moyenne (interconnexions d’agglom´erations, d’arrondissements ou de villes). Il connecte l’ensemble des centres offices (CO) `a l’int´erieur d’une r´egion ou d’une ville et peut s’´etendre de quelque kilom`etres

`

a plusieurs dizaines de kilom`etres entre offices. Il poss`ede un environnement souvent tr`es complexe et divers qui se justifie par son rˆole d’acheminement des donn´ees depuis des r´eseaux d’acc`es aux r´eseaux de transports (et vis-versa) [6].

1.1.3 Le r´ eseau d’acc` es

Le r´eseau d’acc`es : (first or last mile network) encore appel´e ”r´eseau de desserte”, est la partie du r´eseau qui permet `a l’abonn´e final de se connecter aux diff´erents services offerts [7]. Il est le dernier segment de l’op´erateur d’acc`es avant d’atteindre l’abonn´e et r´ealise la connexion des usagers [8]. Il englobe l’ensemble des moyens mis en œuvre pour connecter l’ensemble des terminaux (utilisateurs) aux r´eseaux m´etropolitains. D´eploy´es sur de courtes distances (allant de quelques kilom`etres jusqu’`a 50 km [5]), les r´eseaux d’acc`es servent `a collecter l’ensemble des flux provenant des abonn´es vers le r´eseau m´etropolitain (sens montant) et du r´eseau m´etropolitain vers les abonn´es (sens descendant). En effet, le nombre tr`es ´elev´e de clients exploitants des services (´echanges de vid´eos, conf´erences en ligne, le cloud computing, jeux trois dimensions (3D) en ligne, etc.) gourmands en bande passante, exige de ce r´eseau des d´ebits tr`es ´elev´es impliquant ainsi un coˆut on´ereux. Les b´en´efices potentiels de la technologie fibre pour le r´eseau d’acc`es optique sont nombreux. A titre d’exemple, en utilisant la paire de cuivre, un d´ebit maximum de 200 Mbit/s peut ˆetre th´eoriquement atteint pour une port´ee de 200 m, 100 Mbit/s jusqu’`a 450 m, alors que pour la fibre, sur une distance de 60 km, un d´ebit de 10 Gbit/s peut ˆetre transmis simplement, sans difficult´es [4]. Il importe alors d’utiliser de nouvelles technologies d’acc`es permettant ainsi d’offrir des services hauts d´ebits aux abonn´es `a moindres coˆuts. Afin de permettre une bonne compr´ehension du r´eseau d’acc`es, nous parlerons dans la section suivante des r´eseaux d’acc`es PON, cœur de notre ´etude.

Figure 1.1 – Typologie d’un r´eseau de communication optique [7]

1.2 La technologie FTTH

Depuis les premi`eres installations de r´eseaux `a fibres optiques `a la fin des ann´ees 1970, l’indus- trie de la fibre optique avait pour objectif d’installer des fibres optiques jusqu’`a la maison. D’un point de vue ´economique, la fibre ´etait imm´ediatement rentable sur les r´eseaux longue distance.

En tr`es peu de temps, la fibre optique a domin´e le march´e de l’interurbain. A la fin des ann´ees 80, tous les moyens d’expansion des communications `a l’´etranger ´etaient assur´es par des fibres optiques, rempla¸cant les cˆables en cuivre et les satellites. Au moment o`u les r´eseaux longues dis- tances ´etaient termin´es, l’utilisation d’Internet par les consommateurs a pris son envol conduisant ainsi `a la r´evolution des communications en connectant toute personne disposant d’un ordinateur

`

a une source mondiale d’information et for¸cant de ce fait l’extension de la fibre vers les r´eseaux de communication. Les r´eseaux t´el´ephoniques m´etropolitains ont rapidement ´et´e surcharg´es et la fibre optique ´etait prˆete `a fournir la capacit´e d’extension [9]. Aujourd’hui, les r´eseaux optiques arrivent tout naturellement en p´eriph´erie du r´eseau et jusqu’`a l’abonn´e. Le d´eploiement de ces r´eseaux de desserte optique, d´esign´es par le terme g´en´erique FTTx, constitue aujourd’hui un enjeu d’am´ena- gement, d’attractivit´e et de comp´etitivit´e des territoires. Ils repr´esentent des investissements tr`es importants (notamment sur la partie terminale du r´eseau) d´ependant des architectures qui seront mises en œuvre [10]. FTTH est la solution d’acc`es par fibre ultime o`u chaque abonn´e est connect´e

`

a une fibre optique parce qu’il assure un lien en fibre optique de bout en bout, c’est-`a-dire jusqu’`a l’int´erieur des locaux de l’abonne [11]. Le FTTH est aujourd’hui l’une des technologies les plus performantes pour un acc`es `a l’internet fixe [12]. Les d´eploiements FTTH n´ecessitent beaucoup de planification et d’´el´ements pour ´etendre le nœud d’acc`es aux locaux d’abonnement. Dans ce r´eseau `a fibre optique, il existe deux ´el´ements de base :

1) Un terminal de ligne optique (OLT) situ´e cˆot´e FAI. C’est l’´equipement d’´emission–r´eception de l’op´erateur

2) Un terminal de r´eseau optique (ONT) plac´e chez le client. C’est la partie r´eceptrice des signaux descendants vers l’utilisateur et ´emettrice des signaux montants `a partir de l’utilisateur.

La connexion entre ces deux ´el´ements est r´ealis´ee `a la fois avec des ´equipements et des composants optiques et non optiques [13].

Il importe alors de d´eployer une architecture permettant un bon d´ebit `a moindre coˆut et d’y utili- ser les infrastructures cons´equentes. A cet effet, un certain nombre d’architectures a ´et´e propos´e.

1.3 Architecture des r´ eseaux d’acc` es optique

Il existe principalement deux types de r´eseau d’acc`es optique : le r´eseau d’acc`es optique actif AON (Active Optical Network) et le r´eseau d’acc`es optique passif PON (Passive Optical Network).

Dans le cas du AON, il existe entre le central office (CO) et l’abonn´e, au moins un dispositif n´ecessitant une puissance pour fonctionner et une alimentation de secours en cas de panne de courant ´electrique. De plus, il n´ecessite un refroidissement et de l’espace. En raison de ses exigences et de son entretien, il est toujours consid´er´e comme coˆuteux. En revanche, pour les abonn´es AON, la bande passante de chaque port est d´edi´e `a chaque individu sans partage donc ´elev´ee selon le d´eploiement. De plus, il est facile de d´etecter les d´efauts ou les probl`emes de fibre des r´eseaux AON puisqu’un port est consacr´e `a un seul utilisateur. Lorsqu’aucun dispositif actif n’est interpos´e entre le CO et l’abonn´e, le r´eseau est dit PON (Passive Optical Network ou R´eseau Optique passif).

Dans ce cas, comme on n’utilise que des composants passifs (r´epartiteurs et coupleurs optiques).

Ceci r´eduit consid´erablement les coˆuts d’installation et de maintenance vu que les ´equipements sensibles (ayant besoin de maintenance) sont situ´es aux deux bouts de la chaine de transmission et qu’il est moins possible que les pi`eces passives ne fonctionnent pas correctement. L’installation du PON devient une solution indispensable pour r´epondre aux diff´erents besoins comparativement aux technologies cˆabl´ees.

Figure 1.2 – Architecture PON [14]

Figure 1.3 – Architecture AON [14]

1.3.1 Architecture des r´ eseaux PON

Un aspect important de l’architecture PON est sa simplicit´e. Un r´eseau PON est constitu´e : - d’un nœud central appel´e terminal de ligne optique (OLT) situ´e `a l’agence centrale du fournis- seur de services ;

- de plusieurs nœuds utilisateurs appel´es unit´es optiques du r´eseau (ONU) ou terminaux du r´eseau optique (ONT), qui sont au niveau des utilisateurs finaux ;

- de fibres optiques et des diviseurs/coupleurs optiques passifs (passive optical splitter) entre les fibres ;

- d’un r´eseau de distribution optique (ODN) qui connecte les OLT et les ONU par les fibres et diviseurs [15].

L’OLT (Optical Line Terminal) est l’´el´ement principal du r´eseau et est g´en´eralement plac´e dans le Centre Office (CO) [14]. Sa fonction principale est de contrˆoler le flux d’informations sur l’ODN (Optical Distribution Network), dans les deux sens (en amont et en aval), tout en ´etant situ´e dans le CO. Dans le sens montant, chaque client re¸coit toutes les informations mais n’est autoris´e `a recevoir que les donn´ees qui lui sont destin´ees. La r´epartition du d´ebit entre les clients peut ˆetre fixe ou variable [4] .

La distance maximale prise en charge pour la transmission sur l’ODN d´epend de la norme PON.

La terminaison OLT a deux directions : en amont (obtenir un type de donn´ees de distribution diff´erent et trafic vocal des utilisateurs) et en aval (obtenir le trafic de donn´ees, voix et vid´eo du r´eseau m´etropolitain ou d’un r´eseau longue distance et l’envoyer `a tous les modules ONT sur l’ODN [16]. Du fait de la diversit´e des signaux optiques re¸cus `a l’OLT, due aux divers chemins parcourus par chacun d’eux, l’utilisation d’un r´ecepteur optique permettant de retranscrire le signal correctement et instantan´ement est n´ecessaire. Il effectue la conversion entre les signaux

´electriques utilis´es par les ´equipements du fournisseur de services et les signaux `a fibres optiques utilis´es par le r´eseau optique passif et coordonne le multiplexage entre les dispositifs de conver- sion situ´es `a l’autre extr´emit´e du r´eseau (terminaux optiques ou r´eseaux optiques)[17]. L’ONT (Optical Network Terminal) quant `a lui convertit les signaux optiques transmis via la fibre en signaux ´electriques et est situ´e dans les locaux du client. De plus, il re¸coit et pr´epare diff´erents types de donn´ees provenant du client et les envoie en amont vers l’OLT. Ainsi, pour le PON, on distingue principalement deux architectures : l’architecture point-`a-point (P2P) et l’architecture point-`a-multipoint (P2MP). Bien sˆur, il existe des architectures hybrides qui combinent les deux architectures pr´ec´edemment cit´ees.

1.3.1.1 Architecture Point `a point

L ’architecture point-`a-point (P2P) est la premi`ere architecture du r´eseau d’acc`es optique. Elle consiste `a relier chaque abonn´e au central `a l’aide d’une fibre optique. Dans une telle architecture, chaque abonn´e b´en´eficie ind´ependamment de la totalit´e de la bande passante de son canal et le

d´ebit est facilement adapt´e selon l’utilisateur. Aucune forme de multiplexage n’est requise : il n’y a pas de partage de d´ebit. Cependant, les coˆuts de d´eploiement et de r´ealisation d’une telle architecture s’av`erent tr`es ´elev´es du fait qu’il y a autant de fibres d´eploy´ees que d’abonn´es, causant ainsi de forts besoins en g´enie civil `a chaque nouveau raccordement. De plus, `a l’int´erieur du central, on note un encombrement dˆu `a un grand nombre de r´ecepteurs et d’´emetteurs, ce qui ne rend pas ais´ee la maintenance [8].

Figure 1.4 – Architecture P2P [18].

1.3.1.2 Architecture point `a multipoints

L’architecture point-`a-multipoints (P2MP : Point to Multipoint) constitue l’une des alterna- tives pour r´eduire le coˆut de d´eploiement de la fibre comparativement `a l’architecture point `a point. Cette architecture permet de faire des ´economies sur la quantit´e de fibres `a poser, et donc sur le dimensionnement des infrastructures d’accueil. Elle permet d’utiliser une seule fibre pour alimenter plusieurs abonn´es en utilisant les diff´erentes techniques de multiplexage. Cela consiste

`

a faire transiter dans une mˆeme fibre, les donn´ees des abonn´es depuis le central jusqu’au point d’´eclatement d’o`u partent des fibres optiques vers chaque abonn´e. L’usage d’un coupleur optique passif 1 vers N plac´e `a proximit´e de la zone `a desservir permet la division de la puissance optique vers autant de ports de sortie. Chaque habitation re¸coit toutes les informations envoy´ees par l’´equipement central (OLT). L’´equipement r´ecepteur (ONT) de chaque abonn´e assure le filtrage.

Cette architecture n´ecessite au moins un ou plusieurs r´epartiteurs optiques et r´eduit le d´ebit uti- lisateur, du fait du partage du support. Cependant elle pr´esente l’avantage de r´eduire les coˆuts de d´eploiement et de maintenance [8].

Figure 1.5 –Architecture d’un r´eseau PON P2MP.

1.4 Evolution et normalisation

D`es leurs premi`eres impl´ementations les r´eseaux d’acc`es optiques ont ´et´e standardis´es princi- palement par deux grandes instances de normalisation que sont : l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) en ce qui concerne les syst`emes d´eploy´es en Asie et l’ITU (Internatio- nal Telecommunications Union) pour ceux d´eploy´es en Europe et aux USA. Un autre organisme de pr´e-normalisation nomm´e FSAN (Full Service Access Network) travaille en partenariat avec l’ITU pour recueillir les diff´erents besoins des op´erateurs et analyser les solutions possibles. Par ailleurs, pour mener `a bien leurs missions, ces diff´erents organismes s’associent `a diff´erents acteurs du domaine des t´el´ecommunications que sont les op´erateurs (Orange, Nippon Telegraph and Tele- phone, British Telecom, Verizon, Deutsche Telekom, etc.) ainsi que des ´equipementiers (Huawei, NEC, Finisar, Mitsubishi, Alcatel Lucent, etc).

En 1990 le groupe FSAN (Full Service Access Network) fixa les premi`eres sp´ecifications du PON bas´ees sur l’ATM (Asynchronous Transfer Mode) devenu A-PON (Asynchronous PON) norma- lis´e ITU-T G.983.1 [6]. L’adaptation du A-PON pour le haut d´ebit donne naissance au B-PON (Broadband PON) normalis´e ITU-T G.983.x qui a ´evolu´e en E-PON puis en G-PON.

Le Tableau 1.1 pr´esente une comparaison des standards PON actuellement d´eploy´es en termes : de protocole, de bande passante totale ou par abonn´e, de nombre d’abonn´es par r´eseau PON et d’appr´eciation du coˆut global de r´ealisation.

ATM : Asynchronus Transfer Mode GEM : G-PON Encapsulation Mode

RF/IP : Radio Frequency/Internet Protocol

Vu l’accroissement des diff´erents services contemporains et l’augmentation de la demande en bande passante, le r´eseau PON a besoin d’ˆetre gracieusement mis `a niveau. Il est donc n´ecessaire que le r´eseau PON soit ´evolutif (de mani`ere `a ce que, seuls les clients qui ont besoin du haut d´ebit soient mis `a niveau, et pas tout le r´eseau). C’est dans ce contexte que le collectif (FSAN, IEEE et ITU SG-15) a propos´e le NG-PON (Next-generation PON). Ainsi, le NG-PON a ´et´e propos´e

Tableau 1.1 –Syst`emes PON actuellement d´eploy´es

A-PON B-PON E-PON G-PON

Standard ITU-T G.983.21 ITU-T G.983.2x IEEE 802.3ah ITU-T G.984.x Protocoles

ATM ATM Ethernet GEM

Bande passante

maximale 155 Mb/s (↑↓) 622 Mb/s (↑↓) 1.25 Gb/s (↑↓) 2.5 Gb/s (↓) 1.5 Mb/s (↑ ) Nombre d’abonn´es

par PON 16-32 16-32 16-32 32-64

Bande passante par

abonn´e 10-20 Mb/s 20-40 Mb/s 30-60 Mb/s 40-80 Mb/s

Vid´eo

RF/IP RF/IP RF/IP RF/IP

Coˆut

Faible Faible Faible Moyen

afin de coexister avec le PON actuel [19] - [20]. La migration du G-PON vers le NG-PON n’a pas pour objectif d’interrompre des services aux abonn´es qui d´ecident de rester sur le G-PON, mais plutˆot d’int´egrer d’autres composants en bout de chaine pour les abonn´es voulant bien migrer au XG-PON1 qui est une variante de la premi`ere forme du NG-PON1. La figure suivante pr´esente les ´evolutions du PON et ses standards en 2015 [6].

Figure 1.6 – Evolution du PON et ses standards [6].

1.5 Etat de l’art du r´ eseau optique au B´ enin

Le B´enin dispose de deux cˆables sous-marins : ACE et SAT3. C’est en Avril 2002, que ce dernier a ´et´e mis en service au B´enin. Ce projet appartient au consortium SAT3/WASC/SAFE (South Africa Transit 3/West Africa Submarine Cable/ South Africa - Far East) dont l’objectif est d’interconnecter les continents. Le r´eseau d’une capacit´e de 800 Gb/s (cˆote ouest) dessert 15 pays (avec une capacit´e de 40 Gb/s pour le B´enin) pour une longueur totale de fibre de 28000 km.

Ce cˆable est constitu´e de deux segments : le segment sud (Melkbosstrant- Abidjan) et le segment nord (Accra - Sessimbra).

D’une longueur de fibre de 17000 km et de capacit´e 5 t´erabits , le cˆable ACE (Africa-Coast to Europe), a ´et´e mis en service au B´enin en octobre 2015 et appartient au projet WARCIP (West Africa R´egional Communications Infrastructure Program). Quant au r´eseau optique dont dispose

le B´enin, il est d´eploy´e par B´enin T´el´ecom Infrastructure, et est constitu´e de 1320 km de fibre optique dont 70 points de pr´esence r´epartis dans 36 communes avec une capacit´e moyenne de transport de 2,5 Gbps [3]. Ce r´eseau backbone ´equipe les principales art`eres de transmission du r´eseau fibr´e de l’op´erateur historique B´enin T´el´ecoms S.A. Ainsi les capacit´es offertes par les cˆables SAT3 et ACE restent largement sous exploit´ees `a l’int´erieur du pays. Cette r´ealit´e a d’ailleurs vite

´et´e comprise par l’Etat b´eninois qui, `a travers le projet PDI2T (Projet de D´eveloppement Des Infrastructures des T´el´ecommunications et des TIC) lanc´e en 2015 d´esire mettre `a la disposition des op´erateurs de r´eseaux, des FAI, des cˆablo-op´erateurs et du public, des infrastructures perfor- mantes, fiables, s´ecuris´ees, multiservices pour la fourniture d’offres convergentes (Voix, donn´ee, image et Vid´eo) [21]. Cela repose notamment sur le d´eploiement de la fibre dans les r´eseaux back- bone m´etropolitain et d’acc`es.

En octobre 2017, 67 communes ´etaient d´ej`a interconnect´ees grˆace `a la mise en place de 974km de fibre optique additionnelle et la r´ehabilitation de 1060km de fibre optique [22]. A cela se joint la densification du r´eseau m´etropolitain du ”Grand Nokou´e” avec l’ajout de 196 km de fibre optique aux 22 km r´ehabilit´es et la mise `a disposition de 34 points de mutualisation [3].

Figure 1.7 –D´eploiement du cˆable sous-marin SAT 3 [23].

1.6 Les techniques de transmission

La transmission par fibre optique est une transmission offrant un d´ebit th´eorique ´elev´e, dˆu `a son importante largeur de bande [18]. Afin de pouvoir mieux exploiter cette grande largeur de bande cons´equence de l’obtention du tr`es haut d´ebit `a moindre coˆut, de nombreuses recherches ont ´et´e men´ees. C’est alors qu’interviennent les techniques de multiplexage afin d’optimiser la transmission de plusieurs informations simultan´ement `a travers un seul signal. Pour conserver l’int´egrit´e des informations transmises, on distingue le multiplexage par r´epartition en temps, le multiplexage par r´epartition en fr´equence, le multiplexage bas´e sur le code, le multiplexage en lon- gueur d’onde. Ainsi, `a la r´eception, il faut des dispositifs capables de reconnaitre les informations destin´ees `a chaque utilisateur afin d’effectuer le d´emultiplexage. Pour ce faire, il faut proc´eder

`

a des techniques de filtrage qui ne seront effectives qu’avec l’usage de d´emultiplexage appropri´e.

Le terme « multiplexage » d´esigne l’ensemble des techniques qui permettent de transmettre si- multan´ement plusieurs signaux ind´ependants via un seul support de transmission. Ainsi `a partir de N signaux `a haut d´ebit D, le multiplexage permet d’atteindre ainsi une transmission `a tr`es haut d´ebit N*D sur un m´edium de communication, ce qui serait difficile `a r´ealiser directement, sans multiplexage en raison des limitations fr´equentielles des composants opto´electroniques de pilotage.

1.6.1 TDM-PON

Le TDM (Time Division Multiplexing), en fran¸cais multiplexage par r´epartition en temps, est une technique de multiplexage qui permet de transmettre au moins deux signaux num´eriques en flux continu sur un canal commun. Il consiste `a affecter `a un utilisateur unique la totalit´e de la bande passante pendant un court instant, ceci `a tour de rˆole pour chaque utilisateur. En FTTH, pour le mode TDM, les signaux entrants dans l’OLT sont divis´es en intervalles de temps ´egaux de longueur fixe appel´es ”Time Slot” et d´edi´es aux multiples abonn´es (ONT) connect´es dans le PON.

A chaque abonn´e est attribu´e un nombre de time slot donn´e. Ainsi, chaque utilisateur (ONT) peut ´emettre en occupant toute la bande passante disponible sur le canal pendant les times slots qui lui sont allou´es. Tous les ONU re¸coivent chacun, la totalit´e du signal provenant du central optique et chaque ONU s´electionne la partie du signal correspondant `a son time-slot (pr´ed´efini) tandis que dans le sens montant, une synchronisation au central est n´ecessaire pour chaque abonn´e afin de savoir quand transmettre son paquet. Par ailleurs, dans un r´eseau bas´e sur le TDM, il est possible d’allouer un ou plusieurs times slots `a un abonn´e, ce qui lui permet d’avoir un d´ebit plus

´elev´e que les abonn´es poss´edant moins de times slots [8]. Cette technique pr´esente cependant des limites : puisque le TDM-PON peut typiquement servir 64 abonn´es et plus, la moyenne de bande passante d´edi´ee `a chaque ONU est d’habitude seulement de quelque pourcentage de la capacit´e du canal. Par ailleurs, les composants `a l’ONU doivent fonctionner `a d´ebit ´egal au d´ebit syst`eme (ce qui impose leur bande passante) alors que le d´ebit r´eel par utilisateur est souvent tr`es inf´erieur

`

a cette valeur. De plus, le coˆut des sous-syst`emes ´emetteur-r´ecepteur optique devient ´elev´e avec la mont´ee en d´ebit. La limite en vitesse de l’´electronique pose probl`eme `a des d´ebits ´elev´es.

Figure 1.8 – Structure d’un r´eseau TDM-PON [8].

1.6.2 FDM-PON

Le FDM (Frequency Division Multiplexing), `a l’oppos´e du TDM est un multiplexage par r´epartition en fr´equence. Ainsi, la bande passante disponible sur le canal pour la transmission est divis´ee en plusieurs bandes de fr´equences et chaque ONU ´emet sur des porteuses bien d´efinies.

L’attribution de bande peut ˆetre faite soit en variant le d´ebit par sous-porteuse, soit en allouant plusieurs sous-porteuses `a un mˆeme abonn´e. Par rapport au TDM, l’avantage du FDM est que les composants `a l’ONU peuvent fonctionner au d´ebit r´eel utilisateur. De plus, ´etant donn´e que chaque sous-porteuse dispose d’une bande passante plus ´etroite que celle du signal complet, cette technique s’av`ere robuste face `a la dispersion chromatique dans la fibre. Par contre, l’utilisation de la FDM n´ecessite un certain nombre d’´el´ements ( Convertisseur Analogique-Num´erique (CAN), des Convertisseur Num´erique-Analogique (CNA)) pour g´en´erer et d´emoduler les signaux Radio Fr´equence (RF) ou encore d’oscillateurs locaux accordables en fr´equence, en plus des composants optiques pr´esents dans les ONU et les CO.

1.6.3 WDM-PON

Le WDM (Wavelength Division Multiplexing) est un multiplexage par r´epartition en longueur d’onde. Cette technique s’affiche comme un point capital des transmissions optiques aujourd’hui

en ce sens qu’elle repr´esente une r´eponse au probl`eme de mont´ee en d´ebit sur de longues dis- tances. La capacit´e totale de la bande passante du syst`eme d’acc`es est multipli´ee par le nombre de longueurs d’onde multiplex´ees sur la fibre.

Ce type de multiplexage consiste `a attribuer (Statiquement ou Dynamiquement) diff´erentes lon- gueurs d’onde `a chaque abonn´e ou groupe d’abonn´es dans un r´eseau optique de type PON en occurrence. Cette technique permet de b´en´eficier `a la fois des avantages des architectures P2P et P2MP afin d’obtenir le plus haut d´ebit possible au niveau des ONT. Ainsi, plusieurs transmis- sions peuvent ˆetre faites simultan´ement, chacune sur une bande de fr´equences particuli`eres. En liaison descendante (DL), toutes les longueurs d’onde sont achemin´ees vers chacun des abonn´es.

Ceci n´ecessite alors la pr´esence de filtres au niveau des ONUs entraˆınant ainsi la complexit´e de cette technique du fait que les composants ´emetteurs/r´ecepteurs doivent int´egrer en plus de leur fonction intrins`eque, la gestion des diff´erentes longueurs d’ondes utilis´ees.

Afin de mettre en place un syst`eme de filtrage peu couteux et induisant moins de pertes optiques, l’usage d’un multiplexeur/- d´emultiplexeur WDM en lieu et place du conventionnel point d’´eclate- ment dans l’ODN s’av`ere indispensable. Afin d’´eviter les perturbations (interf´erences, diaphonie, etc) li´ees `a la cohabitation de plusieurs canaux WDM impl´ement´es, il est important de pr´evoir un espacement ∆λ¸ entre les canaux. Compte tenu de cet espacement choisi, on distingue diff´erents types de WDM dont le Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) dont l’espacement

∆λ est de 20 nm et le Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) dont l’espacement ∆λ est de 0.8 nm et qui permet d’avoir plus de canaux que dans le cas CWDM. Par ailleurs, d’autres

´etudes se poursuivent pour l’utilisation d’un espacement ∆λ de 0.2 nm, ce qui donnera naissance

`

a l’Ultra Dense Wavelength Division Multiplexing (UDWDM).

Figure 1.9 – Principe d’une liaison WDM [24].

En somme, dans ce chapitre, il a ´et´e question des g´en´eralit´es sur les r´eseaux optiques. Nous

y avons donc pr´esent´e les diff´erents types de r´eseaux optiques leurs architectures en mettant une attention particuli`ere sur les r´eseaux d’acc`es optiques et surtout sur la FTTH. Nous avons

´egalement pass´e en revue quelques techniques de transmission. La suite de notre document fera la lumi`ere sur les diff´erents syst`emes de transmission, les composants d’une liaison optique et les techniques de modulation.

Chapitre 2

Syst` emes de transmission optique et techniques de modulation

2.1 Pr´ esentation d’une liaison optique

Afin de r´eussir la communication entre points distants, il est n´ecessaire d’´etablir une liaison entre ceux-ci pour y faire transiter des informations. Ainsi, toute liaison, pour une bonne trans- mission n´ecessite un certain nombre de blocs pour ˆetre fonctionnelle.

En effet, la transmission de signaux lumineux sur la fibre optique requiert trois blocs essentiels : la fibre elle-mˆeme en tant que support de transmission et `a ses extr´emit´es, le bloc ´emetteur qui s’oc- cupe de la conversion du signal ´electrique en signaux lumineux et le bloc r´ecepteur qui convertit le signal lumineux en signal ´electrique. L’´emetteur se compose d’un modulateur et d’une source optique (en g´en´eral un laser), tandis que le r´ecepteur est compos´e d’un photod´etecteur (en g´en´e- ral une photodiode) et d’un d´emodulateur. Ces diff´erents blocs seront pr´esent´es dans la section suivante, de mˆeme que quelques techniques de modulation dont l’OFDM.

Figure 2.1 –Chaˆıne de transmission optique.

2.1.1 Emetteur optique

L’´emetteur optique convertit le signal ´electrique qu’il re¸coit en un signal optique envoy´e dans le canal de transmission. Il est essentiellement compos´e d’une source optique (LED, LASER etc.) et/ou d’un modulateur optique.

2.1.1.1 Sources optiques

En transmission optique, il existe plusieurs types de sources optiques (LED ou LASER). Le laser est un proc´ed´e d’amplification de la lumi`ere et constitue l’un des composants essentiels dans les transmissions par fibres optiques. Les lasers pr´esentent un rayonnement coh´erent et une bande passante de modulation de plusieurs GHz, avec une puissance optique ´emise pouvant atteindre quelques Watts. Nous nous pencherons dans notre ´etude sur les lasers dont les performances ne sont plus `a prouver. On distingue de ce fait plusieurs types de lasers optiques caract´eris´es le plus souvent par leurs principes de fonctionnent, leurs performances et leurs coˆuts [25]. On distingue ainsi les lasers Fabry-Perot, VCSEL, DFB etc.

Le principal bruit dans les lasers `a semi-conducteurs est le RIN (Relative Intensity Noise).

Il est dˆu `a l’´emission spontan´ee. En effet chaque photon ´emis en ´emission spontan´ee ajoute une petite composante al´eatoire en phase au champ optique coh´erent et perturbe `a la fois l’amplitude et la phase du signal en sortie du laser de mani`ere al´eatoire. Les fluctuations d’intensit´e conduisent

`

a un rapport signal sur bruit (SNR : signal to noise ratio) limit´e, alors que les fluctuations de phase conduisent `a une largeur de raie spectrale non nulle. Un effet important li´e au couplage phase-amplitude est l’effet chirp. Il s’agit de la d´eviation en fr´equence lors de la modulation au niveau de la source optique. Il en existe deux sortes : chirp adiabatique k et chirp transitoireα<sub>H</sub>. Si l’on consid`ere le signal optique ´emis par la source optique, le chirp adiabatique est d´efini par le d´ecalage de fr´equence entre deux ´etats d’intensit´es diff´erents [15].

2.1.1.2 Les modulateurs optiques

Le rˆole des modulateurs optiques est de transformer le signal ´electrique en un signal optique.

On distingue ainsi deux cat´egories de modulateurs optiques `a savoir : les modulations directes et les modulations externes.

La modulation directe se base sur la modulation de l’intensit´e du signal inject´e dans le laser.

Pour cette modulation, la puissance optique ´emise croˆıt en fonction du courant inject´e. Cette modulation est non seulement facile `a mettre en oeuvre mais aussi peu coˆuteux. Son inconv´enient r´eside dans le fait que la modulation d’amplitude obtenue par une modulation de l’intensit´e du courant d’alimentation engendre une modulation de fr´equence due au chirp. Le chirp ´elargit le spectre du signal optique et entraine une augmentation de l’effet de la dispersion chromatique. Le d´ebit maximal des donn´ees pouvant ˆetre transmises pour un taux d’erreur binaire (TEB) donn´e est donc limit´e.

La modulation externe consiste `a inscrire les donn´ees `a transmettre sur un signal optique continu qui sera ensuite modul´e grˆace `a un modulateur externe. Le modulateur est command´e par une tension externe v(t), repr´esentative de l’information `a transmettre. Cette tension appli- qu´ee au modulateur a pour propri´et´e de modifier le facteur de transmission d’intensit´e optique en sortie. A l’oppos´e de la modulation directe, la modulation externe contribue `a la r´eduction

modulateurs externes permettent de ce fait d’augmenter la distance de transmission. Deux types de modulateurs externes sont couramment utilis´es : le modulateur Mach-Zehnder (MZM) et le modulateur `a ´electro-absorption (EAM)[26].

2.1.2 La fibre optique

La fibre optique est un guide d’onde di´electrique circulaire permettant la transmission d’un signal sur de tr`es grandes distances. Ce guide d’onde a pour particularit´e, la transmission des informations par la lumi`ere. La fibre optique est constitu´ee de diff´erentes parties : le cœur pour confiner l’´energie lumineuse et propager le signal et la gaine pour aider `a la propagation du signal. Des revˆetements de protection pour prot´eger la fibre contre d’´eventuelles cassures et autres d´esagr´ements. Le cœur et la gaine optique sont responsables de la propagation du signal lumineux

`

a travers la fibre. On distingue les fibres optiques monomodes et multimodes. Les fibres multimodes (multimode fiber ou MMF) ont des dimensions grandes par rapport `a la longueur d’onde, ce qui permet `a plusieurs modes de se propager par opposition aux fibres monomodes (un seul mode propag´e). Ces derni`eres sont plus ch`eres mais offrent une plus grande bande passante [27]

(figure2.2).

Figure 2.2 – Image d’une fibre optique [28].

En se r´ef´erant `a la variation de l’indice de r´efraction dans la fibre, on distingue deux groupes de fibres `a savoir : la fibre `a saut d’indice (l’indice de r´efraction reste constant dans le cœur de la fibre et change `a l’interface cœur-gaine) et la fibre `a gradient d’indice (variation d´ecroissante non lin´eaire de l’indice de r´efraction depuis l’axe de la fibre vers la gaine optique) [27]. Lors de la propagation des ondes dans la fibre, le signal subit plusieurs d´egradations dues `a l’att´enuation, la dispersion et aux effets non lin´eaires. Les effets non-lin´eaires principaux sont l’effet Kerr et l’effet Raman-Brillouin qui se traduisent par une d´ependance entre la phase du signal et sa puissance, et qui conduisent aussi `a une auto-modulation de phase. Ces effets sont peu importants lorsque la puissance inject´ee est faible [29].

2.1.3 R´ ecepteur optique

Le r´ecepteur optique a pour rˆole de recevoir le flux lumineux provenant de la fibre et de le convertir en un signal ´electrique qui sera envoy´e vers le circuit de d´emodulation. Il est compos´e d’une photodiode , d’un amplificateur, d’un convertisseur courant-tension, ainsi que d’un filtre.

L’´el´ement principal du r´ecepteur est le photod´etecteur qui a pour rˆole la conversion du signal optique en signal ´el´ectrique. Nous distinguons deux types de photo-d´etecteurs `a savoir les photo- d´etecteurs PIN et les photo-d´etecteurs `a avalanche (APD).

La photodiode PIN est une diode qui se pr´esente avec une large zone intrins`eque (i) (zone tr`es faiblement ou non dop´ee) comprise entre les zones extrins`eque positif (p) et extrins`eque n´egatif (n) d’o`u l’appellation p-i-n. Elle facilite la prise en compte de l’usage des bandes passantes ´elev´ees [25].

Figure 2.3 – Sch´ema de principe de la photodiode PIN

La photodiode APD quant `a elle est une photodiode PIN avec un facteur d’avalanche. Dans cette photodiode, les ´electrons cr´e´ees dans la zone intrins`eque sont multipli´es par effet d’avalanche.

En effet lorsque les porteurs acc´el´er´es dans le champ ´electrique atteignent des vitesses tr`es grandes, il se cr´ee des porteurs suppl´ementaires par collision, et permettent ainsi l’obtention d’un courant photo´electrique particuli`erement ´elev´e : on parle de claquage par avalanche. La photodiode PIN est plus stable que l’APD en pr´esence des fluctuations de temp´erature et de la tension appliqu´ee.

Le gain de l’APD est 10 `a 1000 fois sup´erieur `a celui de la photodiode PIN. Aujourd’hui, les photodiodes PIN et APD utilis´ees dans les communications par fibres optiques ont une bande passante ´electrique allant au-del`a de 60 GHz et couvrent toutes les fenˆetres de longueurs d’onde [30].

2.2 Les formats et techniques de modulation

Dans les syst`emes de t´el´ecommunication, il est important d’adapter l’information au canal de

moins un param`etre (fr´equence, phase ou amplitude) d’une porteuse avec un signal modulant. On en distingue plusieurs types.

2.2.1 Les formats de modulation avanc´ es

Lorsque l’on souhaite monter en d´ebit pour desservir plus de clients et/ou leur offrir plus de d´ebit, il importe d’augmenter l’efficacit´e spectrale. L’efficacit´e spectrale η ´etant le rapport entre le d´ebit des donn´ees ´emises par la bande passante occup´ee par le signal, elle peut ˆetre augment´ee en utilisant des formats de modulation avanc´ee. Chaque symbole ´emis est repr´esent´e sur un certain nombre de bits. Ainsi, on distingue les formats de modulation : PAM (Pulse amplitude modulation), ASK (Amplitude shift keying), PSK (Phase shift keying) et QAM (Quadrature amplitude modulation). Chaque format de modulation a pour principe de faire passer l’information binaire, soit via la phase et ou l’amplitude de la porteuse. La modulation QAM ou modulation d’amplitude en quadrature de phase est une technique qui emploie une combinaison de modulation de phase et d’amplitude. Le signal r´esultant d’une telle modulation est complexe. Le nombre de symboles M de l’alphabet d´efinit le nombre de bits b repr´esent´es par chaque symbole suivant la relationb = log2(M). M repr´esente ´egalement l’ordre de la modulation. Bien que ces formats de modulation permettent d’am´eliorer l’efficacit´e spectrale, elles demeurent des modulations mono- porteuses et ne permettent de ce fait pas de combattre efficacement les effets n´efastes d’une transmission IM/DD optique comme le cas de la dispersion chromatique [6]. Ceci est d’autant plus improbable lorsque nous nous pla¸cons dans un contexte haut d´ebit. Pour cela, ces modulations sont associ´ees `a l’OFDM, pour am´eliorer les performances de la liaison. Dans ce travail, une attention particuli`ere a ´et´e consacr´ee aux modulations QAM car usuellement employ´ees en OFDM.

2.2.2 La modulation multi-porteuses OFDM

Le multiplexage par r´epartition orthogonale de fr´equences est une modulation multiporteuse, o`u le signal de donn´ees est transmis sur un certain nombre de sous-porteuses `a bande ´etroite. Son principe est de transmettre un grand nombre d’informations sur plusieurs porteuses orthogonales entre elles modul´ees `a bas d´ebit. Ainsi le spectre du signal pr´esente une occupation optimale de la bande allou´ee. En r´ealit´e, l’OFDM vient pallier les insuffisances du FDM (Frequency-Division Multiplexing) qui est une technique multiporteuse o`u deux sous-porteuses cons´ecutives se trouvent s´epar´ees par un intervalle de garde. La notion d’orthogonalit´e des sous-porteuses, introduite en OFDM permet `a ces derni`eres de se chevaucher entre elles sans interf´erence mutuelle (ICI : Inter Carrier Interference). Ceci conduit `a un gain en efficacit´e spectrale et en bande de fr´equences.

L’OFDM permet donc de maximiser le d´ebit de donn´ees et minimiser les interf´erences intercanaux et intersymboles dues aux canaux s´electifs en fr´equence comme le cas du canal IM/DD [22].

La figure 2.4 pr´esente le principe d’orthogonalit´e des sous-porteuses en OFDM.

Figure 2.4 – Repr´esentation sch´ematique de l’orthogonalit´e de cinq sous-porteuses OFDM [32]

2.2.2.1 Principe de base de l’OFDM

Le principe de base de l’OFDM est de parall´eliser une source de donn´ees `a d´ebit ´elev´e en plu- sieurs sous porteuses `a d´ebit r´eduit. La figure2.5 pr´esente le sch´ema de principe d’une chaine de transmission OFDM. A l’´emission, la trame binaire de d´epart est parall´elis´ee puis encod´ee en sym-

Figure 2.5 – Sch´ema de principe de l’OFDM

boles complexes. Cet encodage peut ˆetre bas´e sur une modulation de phase (PSK), d’amplitude (ASK) ou une combinaison des deux (QAM). Les symboles sont ensuite envoy´es `a l’entr´ee d’un bloc IFFT pour ˆetre transmis ind´ependamment sur les diff´erentes sous-porteuses orthogonales.

inter symboles (ISI). Cet intervalle de garde peut ˆetre constitu´e de z´eros (ZPS : Zero Padding Suffix) ou de pr´efixe cyclique (CP : Cyclic Prefix) qui est la solution la plus utilis´ee. Le CP est g´en´er´e en d´ebut de symbole OFDM en r´ep´etant un certain nombre des derniers ´echantillons de ce symbole. Il permet non seulement de combattre l’ISI mais facilite ´egalement la synchronisation des symboles OFDM et peut jouer le rˆole d’un estimateur de canal. Afin d’obtenir un signal OFDM r´eel il est possible d’utiliser la sym´etrie hermitienne au prix d’une r´eduction de moiti´e de la bande passante du syst`eme. Pour r´ealiser la sym´etrie hermitienne, les donn´ees `a transmettre ne sont envoy´ees que sur la premi`ere moiti´e des entr´ees de l’IFFT. L’autre moiti´e re¸coit les complexes conjugu´es des donn´ees `a transmettre de mani`ere sym´etrique. Apr`es l’IFFT, le signal num´erique est purement r´eel. Le signal analogique g´en´er´e peut alors ˆetre utilis´e pour moduler un laser ou un modulateur externe directement. En r´eception, les ´etapes d´ecrites pour l’´emetteur s’appliquent en sens inverse [33].

2.2.2.2 Pr´efixe cyclique

Le pr´efixe cyclique est utilis´e pour combattre les interf´erences (ISI) en faisant pr´ec´eder chaque symbole ´emis, d’une portion de ses ´echantillons comme illustr´ee `a la figure 2.6. Lorsque la dur´ee

Figure 2.6 –Principe du pr´efixe cyclique en OFDM [6]

du pr´efixe cyclique d´epasse le retard maximum de propagation introduit par la dispersion, l’or- thogonalit´e entre les sous-porteuses est pr´eserv´ee et les symboles ´emis peuvent ˆetre enti`erement restaur´es apr`es ´egalisation `a la r´eception. Ainsi, l’utilisation du pr´efixe cyclique permet non seule- ment de lutter contre l’ISI mais ´egalement de simplifier l’´egalisation du canal dans le domaine fr´equentiel. En utilisant les param`etres de la figure2.6, le pr´efixe cyclique est calcul´e en % par la formule :

CP = N_CP

N (2.1)

2.3 Crit` eres d’´ evaluations

Diff´erents param`etres nous permettent d’´evaluer la qualit´e d’un syst`eme de transmission. Cette section pr´esente les diff´erents crit`eres d’´evaluation des chaines simul´ees dans cette ´etude.

2.3.1 TEB : Taux d’Erreur Binaire

Le TEB (Taux d’Erreur Binaire) ou BER (Bit Error Ratio) en anglais, repr´esente l’un des cri- t`eres quantitatifs d’appr´eciation des performances d’une liaison num´erique. Il est calcul´e `a partir du rapport entre le nombre de bits erron´es et le nombre total de bits ´emis.

T EB = nombre de bits errones

nombre total de bits emis (2.2)

Dans la litt´erature, le TEB est g´en´eralement calcul´e de deux mani`eres `a savoir : celle bas´ee sur la m´ethode du Monte-Carlo et celle bas´ee sur l’EVM.

2.3.2 Eb/No : Energy per bit to Noise power ratio

Egalement appel´e«SNR binaire», le param`etre Eb/No est une mesure normalis´ee du rapport signal sur bruit (SNR). Il est particuli`erement utile lors de la comparaison de la performance du taux d’erreur binaire (TEB) de diff´erents sch´emas de modulations num´eriques sans tenir compte de la bande passante.

Le rapport signal sur bruit ( SNR : Signal-to-Noise-Ratio) est un param`etre permettant de quan- tifier le niveau de bruit dans un signal. Pour un canal plat AWGN (Additive White Gaussian Noise), le SNR est d´efini par le rapport entre la puissance du signal et la puissance du bruit, soit :

SN R = Es

N₀ = P uissance du signal

P uissance du bruit = k∗ Eb

N o (2.3)

o`u k=log₂M

M, la taille d’une QAM ou d’une PSK par exemple.

En dB (d´ecibel), on a :SN R(dB) = 10log10(Es/N o).

2.3.3 EVM : Error Vector Magnitude

Il est appel´e erreur quadratique moyenne (ou erreur vectorielle r´esiduelle). Il permet de quan- tifier l’´etalement des symboles re¸cus autour des points d’une constellation id´eale. C’est la racine carr´ee moyenne (RMS : Root Mean Square) de la diff´erence entre symboles re¸cus et attendus, le tout moyenn´e sur un nombre de symboles plus grand que la taille de la constellation. Pour NST

repr´esentant le nombre total de symboles ´emis, S_n et S_0,n les n^iemes symboles respectivement re¸cus et ´emis, le SNR peut ˆetre estim´e par :

EV MRM S =

v u u t

1/N_ST.^PN_n=1^ST |S_n−S_0,n|²

(2.4)

2.3.4 Le budget optique (BO)

Le Budget Optique est le terme utilis´e pour d´esigner l’ensemble des pertes optiques de l’infra- structure passive qu’un syst`eme PON peut supporter pour une transmission donn´ee. Il s’agit des pertes maximales ou att´enuations optiques possibles entre l’´emetteur et le r´ecepteur optiques.

BO_(dB) = P uissance de l⁰emetteur_(dBm)−Sensibilite du recepteur_(dBm) = 3∗log₂(N)[5] (2.5) Avec N le nombre d’utilisateurs en consid´eration PON.

Dans ce chapitre, nous avons pr´esent´e le fonctionnement d’une chaˆıne de communication, de mˆeme que les techniques de modulation avec une attention particuli`ere port´ee `a l’OFDM en tant que technique de modulation multiporteuse.

Deuxi` eme partie

Approche m´ ethodologique

Chapitre 3

Les techniques de modulation OFDM en syst` emes IM/DD

La modulation opto´electrique ou IM/DD consiste `a envoyer un signal r´eel sur une source optique. Ceci est r´ealisable par modulation directe de l’intensit´e lumineuse d’un laser optique.

Etant donn´e que cette intensit´e lumineuse est une grandeur positive, un signal complexe bipolaire ne peut ˆetre utilis´e en modulation IM/DD. De ce fait, le signal ´emis a besoin d’ˆetre r´eel et positif.

C’est alors qu’intervient l’utilisation de la sym´etrie hermitienne [34]. Ainsi, les symboles `a l’entr´ee du bloc IFFT pr´esentent une sym´etrie hermitienne et le signal obtenu est r´eel. Dans les syst`emes IM/DD, les deux techniques OFDM les plus utilis´ees, sont : la DCO-OFDM (DC-biased Optical OFDM) [24] et l’ACO-OFDM (Asymmetrically Clipped Optical OFDM). Cependant, de nouvelles techniques sont ´egalement mises en oeuvre pour am´eliorer un tant soit peu, un certain nombre de performances et de crit`eres. L’ADO-OFDM (Asymmetrically clipped DC biased optical OFDM) [35] en est un exemple. C’est l’objet de notre impl´ementation. Mais avant, nous d´ecrirons les techniques `a la base de la technique ADO-OFDM.

3.1 Principe de la DCO OFDM

Figure 3.1 – Sch´ema synoptique d’une chaˆıne de transmission DCO-OFDM

La technique DCO-OFDM est une technique utilis´ee dans le but de g´en´erer un signal OFDM r´eel et positif.

L’´emetteur re¸coit une trame binaire `a transmettre r´epartie en plusieurs sous-trames parall`eles grˆace au bloc ’S/P’. Chaque sous-trame est ensuite modul´ee suivant un format de modulation (une modulation QAM en l’ocurrence). Les symboles issus de la modulation pr´esentent ensuite une sym´etrie hermitienne `a l’entr´ee du bloc IFFT afin d’obtenir un signal r´eel pour moduler la source optique. A ces symboles OFDM, est ajout´e un pr´efixe cyclique dans l’optique d’´eviter l’interf´erence inter-symbole. Le signal obtenu jusque l`a ´etant bipolaire, on proc`ede `a l’ajout d’une composante continueDC_bias suffisante. Apr`es l’ajout de cette composante continue, le signal pr´esente toujours des pics n´egatifs. Ces pics n´egatifs sont ensuite clipp´es `a z´ero. Le signal DCO-OFDM r´esultant est r´eel et unipolaire [35]. L’´egalisation faite `a la r´eception consiste `a compenser les effets induits par le canal sur la propagation du signal. Du fait que chaque sous-canal fonctionne `a d´ebit faible, l’impact de la dispersion chromatique se trouve r´eduit. Le processus de z´ero-clipping s’exprime math´ematiquement [36] par l’expression analytique suivante :

xc(k) =







x(k),si x(k)≥0

0,six(k)<0 (3.1)

Il est important de noter que l’on ajoute la composante continue DC_bias au signal bipolaire afin de fournir une puissance optique suffisante pour la transmission du signal OFDM [37]. Pour r´eussir `a ´eliminer tous les pics n´egatifs du signal OFDM, il faut alors effectuer un choix judicieux duDc_bias . Aussi, plus le DC-Bias est ´elev´e, plus la consommation en puissance optique augmente

´egalement. Ce qui sugg`ere un choix assez mod´er´e de la valeurDC<sub>bias</sub> [38]. De mani`ere g´en´erale, les valeurs duDC_bias sont choisies en fonction de la puissance moyenne E{x²(k)} du signal bipolaire OFDM :

Dc_bias = µ^qE{x²(k)} (3.2)

o`uµ fonction de l’expression en logarithme :

DC_bias(dB) = 10log₁₀(µ²+ 1) (3.3)

3.2 Principe de l’ACO-OFDM

L’ACO-OFDM (Asymmetrically Clipped Optical OFDM) est une autre variante de la mise en oeuvre de l’OFDM dans les liaisons optiques IM-DD. L’ACO-OFDM consiste `a g´en´erer un signal structur´e de sorte qu’un ´ecrˆetage direct `a z´ero (sans ajout de polarisation continue) soit autoris´e sans perte d’information.

Le sch´ema synoptique de l’ACO est `a peu pr`es identique `a celui de la DCO `a la diff´erence que, avec cette technique [39], seules les sous-porteuses d’ordre impair sont utilis´ees pour la trans-