ETUDE DES PERFORMANCES D’UN SYSTEME DE COMMUNICATION OPTIQUE DWDM-FSO UTILISANT LA TECHNIQUE SIM-OFDM

(1)

UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI

********

ÉCOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI

*************

MASTERS PHOTONIQUE ET RADIODIFFUSION NUMERIQUE

********

OPTION : PHOTONIQUE

********

MEMOIRE DE FIN DE FORMATION POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MASTER PROFESSIONNEL

Thème :

Réalisé et soutenu le 15 Janvier 2020 par :

Fifamè Merci-Ange MAGNIDET

JURY composé de :

Dr DOSSOU Michel Enseignant-Chercheur à l’EPAC/UAC, Maître de Conférences (CAMES)

Président du jury

Ir SOGLO Claude Enseignant à PHORAN Membre du jury

Dr SOEDE Casimir Enseignant-Chercheur à l’EPAC/UAC Membre du jury Dr SANYA Max Fréjus Enseignant-Chercheur à l’EPAC/UAC,

Maître Assistant (CAMES)

Maître de mémoire

Année académique : 2018 - 2019

ETUDE DES PERFORMANCES D’UN SYSTEME DE COMMUNICATION OPTIQUE DWDM-FSO

UTILISANT LA TECHNIQUE SIM-OFDM

(2)

UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI

********

ÉCOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI

*************

MASTERS PHOTONIQUE ET RADIODIFFUSION NUMERIQUE

********

OPTION : PHOTONIQUE

********

MEMOIRE DE FIN DE FORMATION POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MASTER PROFESSIONNEL

Thème :

Réalisé par :

Fifamè Merci-Ange MAGNIDET

Année académique : 2018 - 2019 1^ère Promotion

Maître de mémoire :

Dr SANYA Max Fréjus O.

Enseignant-Chercheur à l’EPAC/UAC Maître Assistant (CAMES) Co-encadré par :

Dr ABALLO Théophile

Enseignant-Chercheur à l’EPAC/UAC Maître Assistant (CAMES)

ETUDE DES PERFORMANCES D’UN SYSTEME DE COMMUNICATION OPTIQUE DWDM-FSO

UTILISANT LA TECHNIQUE SIM-OFDM

Sous la supervision de : Dr DOSSOU Michel

Enseignant-Chercheur à l’EPAC/UAC Maître de Conférences (CAMES)

(3)

Réalisé par Fifamè Merci-Ange MAGNIDET i

Dédicaces

A mes adorables parents, Aurélien et Géneviève, pour votre amour insondable, l’aide inconditionnelle et l’encouragement sans relâche. Je vous attribue tous les mérites de ce modeste travail car c’est le fruit de vos innombrables sacrifices, bien que je ne vous en acquitterai jamais assez ; vous pouvez être fiers de vous. Je promets être la fierté qui remplira vos cœurs de joie et de bonheur. Aucune dédicace ne saurait exprimer tout l’amour que j’ai pour vous.

A mes frères et sœurs, pour votre amour et attention. J’espère que je suis à la hauteur du modèle de grande sœur que vous aimeriez suivre. Votre joie et votre gaieté me comblent de bonheur.

A mon oncle Séraphin MAGNIDET, pour votre amour et votre courage. Vous êtes ma motivation. Recevez mon profond respect et amour.

A Max Fréjus SANYA, pour l’encadrement, pour toutes les nuits blanches et les journées sans repos, pour avoir illuminé mon chemin.

Vous êtes mon modèle.

A ma descendance, dans l’espoir que vous feriez mieux que moi…

Je vous dédie ce travail et puisse Dieu vous garder.

« … I’ll be your beacon through the darkest night, I’ll be the wings that guide your broken flight, I’ll be your shelter through the raging storm… »

Céline Dion

(4)

Réalisé par Fifamè Merci-Ange MAGNIDET ii

Remerciements

Je remercie le Dieu Tout Puissant pour m’avoir donné la force nécessaire, protégée et mis sur mon chemin les personnes qu’il faut pour mener à bien ce travail ; cette œuvre n’est rien d’autre qu’un témoignage.

Je tiens à remercier à travers ces mots mon maître de mémoire, le Docteur Max Fréjus SANYA, pour ses efforts et sa patience. Je le remercie également pour le partage inestimable de ses connaissances, sa disponibilité, son intérêt, sa confiance et ses nombreux conseils durant la rédaction de ce mémoire. J’espère que c’est le début d’une longue aventure scientifique très fructueuse sous sa direction.

Je tiens également à remercier le Docteur Théophile ABALLO, mon co-encadreur pour tous ses conseils et ses efforts ainsi que les membres du jury qui ont bien voulu accepter de lire et d’évaluer cette étude.

J’exprime mes sincères remerciements à l’endroit de toute l’administration du projet PHORAN en particulier au Docteur Michel DOSSOU et au Professeur Marc WUILPART qui sont respectivement les coordonnateurs sud et nord pour leurs efforts sans oublier le corps enseignant du projet.

Je suis aussi reconnaissante envers tous mes camarades de la première promotion du projet PHORAN sans qui, il aurait été difficile de mener à bien ce travail. Leurs échanges et débats fréquents, leur disponibilité et leurs contributions objectives, ont positivement guidé ce travail. Qu’ils trouvent ici l’expression de ma profonde gratitude.

J’adresse également mes vifs remerciements à l’endroit de tout le personnel de la Direction des Radiocommunications de l’ARCEP BENIN.

Je remercie particulièrement Aziz SOUMANOU, Natacha DADJEDJI pour votre soutien inconditionnel à mon égard depuis des années et tous ceux qui d’une façon ou d’une autre m’ont aidée.

Que mes adorables parents, que les familles MAGNIDET et ZANOU trouvent à travers ce travail ma profonde gratitude et le fruit de leurs sacrifices inconditionnels.

Enfin, mes remerciements vont vers tous ces gens de l’ombre qui sans se lasser, continuent à partager leurs connaissances et leurs aides. Sans eux, ce travail ne pouvait voir le jour.

(5)

Réalisé par Fifamè Merci-Ange MAGNIDET iii

Liste des sigles et acronymes

ACO-OFDM Asymmetrically Clipped Optical OFDM

AH –MPPM Anisochrone Harmonic MPPM

APD Avalanche Photo Diode

ASK Amplitude Shift Keying

ATM Asynchronous Transfer Mode

AWGN Addictive White Gaussien Noise

BER Bit Error Rate

BPSK Binary Phase Shift Keying

BTS Base Transceiver Station

CCDF Cumulative Complementary Distribution Function

CDF Cumulative Distribution Function

CP-OFDM Cyclic Prefix OFDM

CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing

DC-Bias Direct curent Bias

DEL Diode électroluminescente

DEMUX Démultiplexeur

DFB Distributed Feedback

DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing

ESIM-OFDM Enhanced Subcarrier Index modulation OFDM

EVM Error Vector Magnitude

FBMC Filter Bank Multi Carrier

FFT Fast Fourier Transform

FO Fibre Optique

FP Fabry-Pérot

FSK Frequency Shift Keying

FSO Free Space Optics.

FTTx Fiber To The x

GFDM Generalized Frequency Division Multiplexing

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

IM/DD Intensity Modulation / Direct Detection

ISI Inter-Symbol Interference

(6)

Réalisé par Fifamè Merci-Ange MAGNIDET iv

LAN Local Area Network

LOS Line of sight

MAC Média Access Control

MPPM MPPM Multi-Pulse Position Modulation

MUX Multiplexeur

NRZ Non Return to Zero

OC Optical Carrier

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OLT Optical Line Terminal

OTDM Optical Time Domain Multiplexing

PAM Pulse Amplitude Modulation

PAM-DMT Pulse Amplitude Modulation-Discrete Multitone Modulation

PAPR Peak to Average Power Ratio

PDH Plesiochronous Digital Hierarchy

PIN Positive Intrinsic Negative

PN Positive Negative

PON Passive Optical Network

PPM Pulse Position Modulation

PRP Power Relocation Policy

PSK Phase Shift Keying

PSP Power Saving Policy

QAM Quadrature Amplitude Modulation

RF Radio Frequency

RIN Relative Intensity Noise

SDH Synchronous Digital Hierarchy

SIM Subcarrier Index Modulation

SIM-OFDM Subcarrier Index Modulation- OFDM

SM Spartial Modulation

SNR Signal to Noise Ratio

SONET Synchronous Optical Network

STM Synchronous Transport Module

TEB Taux d’Erreur Binaire

TDM Time Division Multiplexing

(7)

Réalisé par Fifamè Merci-Ange MAGNIDET v

TDM-PON Time Division Multiplexing- Passive Optical Network

TIA Transimpedance Amplifier

U-OFDM Unipolar OFDM

UIT-T Union Internationale des Télécommunications-

standardisation des Télécommunications

VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting laser

WDM Wavelength Division Multiplexing

WWDM Wide Wavelength Division Multiplexing

xDSL Digital Subscriber Line

(8)

Réalisé par Fifamè Merci-Ange MAGNIDET vi

Table des figures

Figure 1.1. : Classification des communications optiques sans fil [1] ... 6

Figure 1.2. : Liaison FSO établie pour interconnecter deux entreprises [15]... 7

Figure 1.3. : Quelques topologies des liaisons FSO ... 8

Figure 1.4. : Les problèmes auxquels sont confrontés les FSO [15]. ... 9

Figure 1.5. : Liaison FSO Métro en Egypte (Caire) [14] ... 11

Figure 1.6. : Configuration de base d'une liaison optique en espace libre ... 12

Figure 1.7. : Modulation directe par intensité ... 13

Figure 1.8. : Quelques exemples de diode électroluminescente ... 15

Figure 1.9. : Quelques exemples de diodes laser ... 15

Figure 1.10. : Caractéristique courant-puissance 𝑃 = (𝐼) d’une diode laser [24] ... 16

Figure 1.11. : Quelques exemples de photodiodes ... 18

Figure 2.1 : Chaine de transmission OTDM ... 23

Figure 2.2 : Schéma d’une liaison WDM à 04 longueurs d’onde ... 24

Figure 2.3 : Grille UIT pour CWDM avec espacement inter-canal de 20 nm [12] ... 25

Figure 2.4 : Grille UIT pour DWDM avec espacement inter-canal de 0.8 nm [12] ... 26

Figure 3.1 : Modulations d’amplitude ASK ... 29

Figure 3.2 : Modulation de Fréquence FSK [34] ... 30

Figure 3.3 : Modulation BPSK [34] ... 30

Figure 3.4 : Constellation 16-QAM ... 31

Figure 3.5 : Bloc modulateur OFDM ... 33

Figure 3.6 : Spectre OFDM [35] ... 33

Figure 3.7 : Bloc démodulateur OFDM ... 34

Figure 3.8 : Principe du CP-OFDM ... 35

Figure 3.9 : Principe d’une liaison DCO-OFDM en FSO ... 37

Figure 3.10 : Signal DCO-OFDM dans le domaine temporel [10] ... 38

Figure 3.11 : Un signal U-OFDM dans le domaine temporel [39] ... 38

Figure 3.12 : Architecture d’une liaison U-OFDM en FSO ... 39

Figure 3.13 : Principe de la SIM-OFDM [10] ... 40

Figure 3.14 : Principe d’une liaison SIM-OFDM optique ... 41

Figure 3.15 : Principe de l’ESIM-OFDM [10] ... 43

Figure 4.1. : TEB=f (Ebelec/No) avec Monte Carlo et avec EVM de l’OFDM conventionnel 48 Figure 4.2. : Performances TEB=f (Ebopt/No) de la DCO-OFDM en canal plat AWGN pour : (a) DC-Bias=7 dB - (b) DC-Bias=11 dB ... 49

Figure 4.3. : Performances TEB=f (Ebopt/No) de la DCO-OFDM en canal plat AWGN pour un DC-Bias=13 dB ... 50

Figure 4.4. : TEB=f (Eboptic/No) de l’U-OFDM pour différents formats QAM ... 51

(9)

Réalisé par Fifamè Merci-Ange MAGNIDET vii

Figure 4.5. : TEB=f (Eboptic/No) de la DCO-OFDM avec DC-Bias=11 dB et de l’U-OFDM 51

Figure 4.6. : TEB=f (Ebelec/No) de la SIM-OFDM pour différents seuils en 4/16 QAM. ... 52

Figure 4.7. : TEB=f(Ebelec/No) de l’ESIM-OFDM pour différentes politiques d’allocation de puissance : (a) PSP, (b) PRP. ... 53

Figure 4.8. : TEB=f (Ebelec/No) de l’ESIM-OFDM vs OFDM pour différentes QAM ... 54

Figure 4.9. : La chaine de transmission FSO simulée ... 55

Figure 4.10. : La liaison simulée sous OptiSystem7 en cosimulation avec Matlab ... 56

Figure 4.11. : Caractéristique statique du laser d’OptiSystem7 ... 57

Figure 4.12. : Caractéristique statique du laser de référence ... 58

Figure 4.13. : Schématique du laser modélisé sous Optisystem7. ... 58

Figure 4.14. : Sous-système « Chirp adiabatique et transitoire » du laser modélisé ... 59

Figure 4.15. : TEB=f (Distance) de l’ESIM-OFDM et du NRZ pour différentes valeurs du débit binaire ... 60

Figure 4.16. : TEB=f (Débit) de l’ESIM-OFDM pour une portée de 2.2 km ... 61

Figure 4.17. : Liaison DWDM-FSO simulée ... 62

Figure 4.18. : TEB=f (Distance) de l’ESIM-OFDM sous un canal DWDM-FSO ... 63

Figure 4.19. : TEB=f (Débit) de l’ESIM-OFDM sous un canal DWDM-FSO réaliste ... 64

(10)

Réalisé par Fifamè Merci-Ange MAGNIDET viii

Liste des tableaux

Tableau 1.1 : Caractéristiques de base d’une liaison FSO [15] ... 19

Tableau 4.1. : Les paramètres de simulation ... 48

Tableau 4.2. : Paramètres de simulation ESIM-OFDM en canal FSO ... 56

Tableau 4.3. : Paramètres du laser de référence ... 57

Tableau 4.4. : Paramètres du canal FSO et du récepteur optique modélisé. ... 59

Tableau 4.5. : Paramètres de simulation DWDM FSO ... 61

Tableau 4.6. : Paramètres du canal FSO pour une simulation réaliste ... 63

(11)

Réalisé par Fifamè Merci-Ange MAGNIDET ix

Résumé

Dans cette étude, nous avons utilisé la technique SIM-OFDM (Subcarrier Index Modulation- Orthogonal Frequency Division Multiplexing)/ESIM-OFDM (Enhanced SIM-OFDM) pour fournir une robustesse aux systèmes FSO (Free Space Optics) en plus d’un PAPR (Peak to Average Power Ratio) réduit et un meilleur débit de transmission. L’OFDM ne fournissant pas un signal convenable (réel et unipolaire), nous avons implémenté la DCO-OFDM (Direct Current biased Optical OFDM) et l’U-OFDM (Unipolar OFDM) qui sont des types de l’OFDM unipolaire tout en leur appliquant la symétrie hermitienne qui permet d’avoir un signal purement réel. Le problème de seuillage à la réception au niveau de la SIM-OFDM, nous a conduits vers sa version améliorée qu’est l’ESIM-OFDM. Cette dernière nous a permis d’obtenir dans un canal AWGN (Additive White Gaussian Noise), un gain d’au moins 3 dB comparativement à l’OFDM avec un faible PAPR. Nous avons montré qu’il est possible de réaliser un débit de 10 Gbit/s DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) pour une portée de 2 km avec la technique ESIM-OFDM sous un canal FSO réaliste.

Mots clés : Canal FSO, DWDM, OFDM unipolaire, ESIM-OFDM, liaison IM/DD.

(12)

Réalisé par Fifamè Merci-Ange MAGNIDET x

Abstract

In this study, we used the SIM-OFDM (Subcarrier Index Modulation-Orthogonal Frequency Division Multiplexing)/ESIM-OFDM (Enhanced SIM-OFDM) technique to provide robustness to the FSO (Free Space Optics) systems with low PAPR (Peak to Average Power Ratio) and best transmission throughput. Since OFDM does not provide a suitable signal (real and unipolar), we have implemented DCO-OFDM (Direct Current biased Optical OFDM) and U-OFDM (Unipolar OFDM), which are types of unipolar OFDM, while applying Hermitian Symmetry to them to provide a purely real signal. The thresholding problem at reception for SIM-OFDM brought us to its enhanced version which is ESIM-OFDM. This latter allowed us to earn a minimum of 3 dB compared to OFDM with a reduced PAPR for any QAM under an AWGN (Additive White Gaussian Noise) channel. We showed that it is possible to achieve 10 Gbit/s DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) for a range of 2 km with ESIM-OFDM technique under a realistic FSO channel.

Keywords: FSO channel, DWDM, unipolar OFDM, ESIM-OFDM, IM/DD link.

(13)

Réalisé par Fifamè Merci-Ange MAGNIDET xi

Sommaire

Dédicaces ... i

Remerciements ... ii

Liste des sigles et acronymes ... iii

Table des figures ... vi

Liste des tableaux ... viii

Résumé ... ix

Abstract ... x

Sommaire ... xi

Introduction ... 1

Chapitre I : Communications en espace libre optique (FSO) ... 5

1.1. Introduction aux communications optiques FSO ... 6

1.2. Composants optoélectroniques d’une liaison FSO ... 12

Conclusion ... 19

Chapitre II : Introduction à la technologie WDM ... 21

2.1. Optical Time Domain Multiplexing ... 22

2.2. Wavelength Division Multiplexing ... 23

Chapitre III : Techniques OFDM et introduction à la SIM-OFDM ... 28

3.1. Modulations monoporteuses ... 29

3.2. Modulations multiporteuses ... 31

Chapitre IV : Evaluation des performances d’une liaison DWDM-FSO avec la technique SIM-OFDM : Simulations et résultats ... 46

4.1. Présentation des logiciels de simulation ... 47

4.2. Etude et performances des techniques de modulation étudiées dans un canal plat AWGN ... 48

4.3. Comparaison des techniques OFDM et ESIM-OFDM en termes de PAPR ... 54

4.4. Etude des performances de l’ESIM-OFDM dans un canal FSO ... 55

Conclusion Générale ... 65

(14)

Réalisé par Fifamè Merci-Ange MAGNIDET xii

Références bibliographiques ... 66 ENGLISH VERSION ... 70 Table des matières ... 80

(15)

Réalisé par Fifamè Merci-Ange MAGNIDET 1

Introduction

Les systèmes de transmission ont beaucoup évolué ces dernières années en particulier ceux sans fil. Les communications sans fil font l'objet de l'étude d'un grand nombre de chercheurs dans l’optique d'obtenir une bonne qualité de communication avec des débits de transmission très élevés. C’est ainsi qu’ont vu le jour, les liaisons optiques en espace libre ou FSO. Le principe de base de la transmission FSO est similaire à celui de la communication par fibre optique à la différence que les données modulées sont transmises via un canal non guidé, au lieu d’une fibre optique [1]. L’étroitesse de la largeur du faisceau de transmission conduit la communication FSO à fournir une communication LOS (line of sight : visibilité directe entre émetteur et récepteur). Autrement dit, pour qu’il y ait une communication basée sur la technologie FSO entre un émetteur et un récepteur, il faudrait une ligne de mire sans obstruction. La communication FSO fonctionne dans le spectre visible et IR (InfraRed) et présente également d’énormes avantages comparativement à la communication RF (Radio Frequency) traditionnelle. Elle offre une très grande largeur de bande passante qui permettrait un débit binaire élevé et une facilité de mise en place (on n’a pas besoin de creuser pour la pose et elle se passe de licence) avec un coût de déploiement très réduit par rapport à la communication par fibre optique. L'installation peut être faite plus rapidement. L’interception et la détection du faisceau laser sont difficiles : ce qui rend la communication FSO meilleure pour des raisons de sécurité. Cependant, avec tant d’avantages, les liaisons FSO sont confrontées principalement à deux grands problèmes tels que : l’atténuation géométrique et l’atténuation atmosphérique (pluie, neige, brouillard…) qui entraînent des phénomènes tels que l’absorption, la diffusion et la scintillation [1]-[4]. Il s’avère alors très nécessaire de trouver des techniques et méthodes pour faire face à ces obstacles afin de pouvoir bénéficier amplement des avantages qu’elles offrent, vu la demande de plus en plus croissante en haut débit. Pour minimiser les effets de ces obstacles, nous utiliserons dans le cadre de cette étude, la technologie WDM [5]-[7] pour une grande bande passante et la technique SIM-OFDM [8]- [10] pour une meilleure robustesse contre le délai d'étalement généré par un canal et un débit intéressant avec une consommation énergétique efficiente. Pour ce faire, nous nous sommes fixés les objectifs suivants :

• Etudier les techniques de modulation OFDM optiques pouvant satisfaire un meilleur débit de transmission ;

• Etudier la technique SIM-OFDM/ESIM-OFDM, objet de cette étude ;

(16)

• Modéliser une liaison DWDM-FSO avec le logiciel OptiSystem7 ;

• Evaluer les performances de la liaison DWDM-FSO avec la technique SIM-OFDM.

(17)

Plan du document

Le présent document est organisé en 4 chapitres :

Chapitre I : Communications en espace libre optique (FSO)

Dans ce chapitre, après une introduction aux communications FSO mettant en exergue successivement l’historique, l’évolution des systèmes FSO, leurs avantages et challenges de même que leurs domaines d’application, nous exposons les différents composants électroniques d’une liaison FSO sans oublier d’évoquer les différents critères à prendre en compte dans le choix de ces composants.

Chapitre II : Technologie WDM

Le multiplexage est une technique prometteuse pour augmenter la capacité d’un réseau de transmission. Dans ce chapitre, nous présentons les deux types de multiplexage optique les plus utilisés afin de déterminer lequel est le mieux adapté pour une utilisation dans un système FSO.

Chapitre III : Techniques OFDM : Introduction à la SIM-OFDM

La modulation est un procédé qui permet d’adapter le signal au canal tout en permettant d’utiliser efficacement la bande passante. Dans ce chapitre, nous présentons brièvement les modulations monoporteuses avant de nous attarder sur les modulations multiporteuses. La modulation OFDM permet de lutter contre les évanouissements du canal dus à l’aspect multitrajet du canal (espace libre). Elle fournit un signal complexe et bipolaire qui n’est pas adapté aux communications optiques ; nous présentons également deux techniques de modulation OFDM conduisant à un signal unipolaire et réel : DCO-OFDM et U-OFDM. Des améliorations de la modulation OFDM pour réduire les pics d’amplitude sont présentées également dans cette rubrique. Nous présentons principalement les techniques de modulation SIM-OFDM et l’ESIM-OFDM.

Chapitre IV : Evaluation des performances d’une liaison DWDM-FSO avec la technique SIM-OFDM : Simulations et résultats

Dans cette rubrique, nous modélisons une liaison DWDM-FSO sous OptiSystem7. Les données à transmettre sont modulées suivant la technique SIM-OFDM et ensuite suivant la

(18)

technique ESIM-OFDM grâce à une cosimulation des logiciels Matlab/ OptiSystem. Le canal optique est modélisé (forte contribution relative aux modèles de la diode laser, le photodétecteur et le Multiplexeur/Démultiplexeur DWDM pour l’implémentation d’un signal OFDM). Les différentes techniques OFDM traitées sont implémentées avec Matlab. Chaque étape de l’étude a été validée et les différents résultats sont présentés en se basant sur certains critères d’évaluation de performance comme le taux d’erreur binaire (BER), le rapport entre puissance crête et puissance moyenne (PAPR), etc.

(19)

Chapitre I : Communications en espace

libre optique (FSO)

(20)

1.1. Introduction aux communications optiques FSO 1.1.1. Historique

En 1880, quatre ans après l’invention du téléphone, Graham Bell utilisa la transmission d’un faisceau émis à partir du rayonnement solaire sur environ une distance de 213 m pour transmettre de la voix au moyen d’un appareil appelé "photophone". Bien que ce soit le téléphone filaire que l’histoire a conservé pour la postérité, Bell a toujours considéré le photophone comme sa plus grande invention [10]. A la fin des années 80s, les liaisons optiques sans fil sont apparues comme une option commerciale qui s’est heurtée à plusieurs restrictions technologiques : faible débit, courte distance de transmission, problèmes d’alignement ainsi que leurs vulnérabilités aux événements climatiques et aux conditions météorologiques. Une grande partie de ces problèmes fut surmontée, et le développement de cette technologie s’est poursuivi. C’est à la fin des années 90s, avec l’apparition de l’internet et le grand besoin en matière de débit dans le secteur des télécommunications que plusieurs compagnies de télécommunications ont développé une "Nouvelle Génération" de systèmes de communication laser sans fil pour l’usage commercial et le secteur privé. En 2008, la première liaison FSO avec 10 Gbit/s de débit a été introduite sur le marché, faisant d’elle la technologie sans fil la plus rapide disponible commercialement [2]. La Figure 1.1 ci-dessous montre une classification des communications optiques sans fil selon : la portée, l’application, le type et les méthodes de transmission utilisées.

Figure 1.1. : Classification des communications optiques sans fil [1]

(21)

1.1.2. Principe de fonctionnement des FSO

De manière conceptuelle, une liaison optique atmosphérique consiste à diriger un faisceau lumineux d’un émetteur vers un récepteur. Une liaison FSO nécessite alors un émetteur, un canal de propagation et un récepteur [13]. Les canaux où se propage le signal optique pourraient être l’atmosphère ou l'eau de mer. Une liaison optique sans fil se base essentiellement sur une visibilité directe LOS (Line of Sight) entre les extrémités des points de communication (Figure 1.2). Par conséquent, pour assurer un échange possible d'informations, cela exige que l'émetteur et le récepteur soient en visibilité directe l'un avec l'autre sans aucune obstruction [2]. Les systèmes de communication laser en atmosphère libre peuvent inclure des dispositifs d’alignement actifs dans lesquels, la rétroaction du récepteur est utilisée afin de diriger automatiquement le faisceau vers le récepteur. Ces systèmes d’alignement actifs permettent une installation rapide et facile ainsi qu’une stabilisation optimale de la transmission (entre les toits des grands immeubles par exemple) lors de tremblement de terre, de mouvements reliés au vent ou consécutivement à toutes autres instabilités mécaniques du système. A la réception, le système doit fortement exclure la lumière ambiante (lumière du soleil entre autres) qui peut perturber le signal reçu. En pratique, le détecteur à la réception possède un champ de vue optique assez petit et le dispositif de réception comporte des filtres qui permettent de ne laisser passer que les longueurs d’onde souhaitées [13]. Les systèmes optiques en espace libre (FSO) peuvent fonctionner sur des distances de plusieurs kilomètres tant que la puissance d'émission est suffisante et qu'il existe une ligne de vision dégagée entre la source et la destination [14].

Figure 1.2. : Liaison FSO établie pour interconnecter deux entreprises [15]

(22)

Les communications FSO permettent de créer un réseau flexible dont la topologie peut être diverse comme le montre la Figure 1.3 (point-à-point, point-à-multipoints, back-to-back), anneau et maillage.

Figure 1.3. : Quelques topologies des liaisons FSO 1.1.3. Avantages des communications FSO

Les communications optiques atmosphériques présentent d’énormes avantages. Elles offrent une combinaison des avantages de la fibre optique et des liaisons radio. Elles viennent également pour solutionner les problèmes liés à la fibre optique et aux liaisons hertziennes.

On peut citer entre autres avantages :

✓ des largeurs de bande élevées similaires à celles la fibre optique, en raison de la nature optique de la technologie. ;

✓ un faisceau lumineux étroit : le rayonnement optique est connu pour son faisceau très étroit.

Un faisceau laser typique possède un angle de divergence entre 0,01 et 0,1 mrad[2] ;

✓ un spectre ne nécessitant pas de licence d’un régulateur contrairement aux transmissions hertziennes ;

✓ la rapidité de déploiement et de redéploiement des systèmes FSO ;

✓ la taille réduite du faisceau laser rend la détection, l'interception ou le brouillage du signal très difficile ;

✓ la sécurité intrinsèque des dispositifs, plus élevée que celle des liaisons radioélectriques ;

✓ l’immunité aux interférences électromagnétiques ;

✓ la lumière se déplace plus vite dans l'air (environ 300.000 km/s) qu’à travers le verre (environ 200.000 km/s)

✓ le respect de l'environnement par les systèmes FSO (ne nécessitent pas de creusement de tranchées qui peuvent causer la pollution, l'abattage des arbres et la destruction) ;

✓ un protocole de communication transparent [16]-[17].

(23)

✓ le déploiement de la fibre optique dans les zones urbaines pourrait coûter entre 300 000 et 700 000 dollars, compte tenu des coûts liés à la construction de tunnels et à l'obtention de droits de passage. En revanche, une courte liaison optique sans fil de 155 Mb/s pourrait coûter entre 15 000 et 18 000 dollars USD [14] ;

✓ les systèmes disponibles sur le marché offrent des capacités allant de 100 Mbps à 2,5 Gb/s, tandis que les systèmes de démonstration signalent des débits de données pouvant atteindre 160 Gb/s [14].

1.1.4. Challenges des systèmes FSO

L’atténuation d’un signal optique transmis par fibre peut être prévisible. Quant aux communications optiques en espace libre se propageant dans une atmosphère claire, elles souffrent de fluctuations liées à l’énergie radiative aléatoire provenant du soleil et aux conditions climatologiques (température et autres) changeantes dans le temps et dans l’espace comme illustrées à la Figure 1.4.

Figure 1.4. : Les problèmes auxquels sont confrontés les FSO [15].

Les liaisons FSO sont souvent confrontées entre autres à des problèmes tels que :

✓ les obstacles physiques: les oiseaux volants, les arbres et les bâtiments de grande hauteur peuvent bloquer temporairement un seul faisceau lorsqu'il apparaît dans la ligne de mire du système FSO [18];

✓ la scintillation: les variations de température entre les différents paquets d'air en raison de la chaleur provenant de la terre et des entraînements artificiels tels que des conduits de chauffage peuvent provoquer des fluctuations d’amplitude du signal, des erreurs

(24)

d’atténuation et l’éclatement des longues liaisons (similaire à une étoile scintillante de nuit) [18][19] ;

✓ les pertes géométriques: encore appelées atténuation du faisceau optique sont induites en raison de l'étalement du faisceau et réduisent le niveau de puissance du signal transmis [20] ;

✓ l’absorption : elle est causée par les molécules d'eau en suspension dans l'atmosphère terrestre. Le pouvoir des photons serait absorbé par ces particules ; la densité de puissance du faisceau optique est réduite et la disponibilité de la transmission dans un système FSO est directement affectée. Le dioxyde de carbone peut également entraîner l'absorption du signal [3][21] ;

✓ la turbulence atmosphérique: les perturbations atmosphériques se produisent en raison des conditions météorologiques et de la structure de l'environnement. Elle est causée par le vent et la convection qui mélangent les colis d'air à différentes températures. Cela provoque des fluctuations de la densité de l'air et conduit à une modification de l'indice de réfraction de l'air [18]. La turbulence peut entraîner une dégradation du faisceau de transmission optique. La modification de l'indice de réfraction provoque la réfraction du faisceau à un angle différent et faisceau optique se voit étaler [22] ;

✓ l‘atténuation atmosphérique: elle résulte du brouillard, de la poussière et de la pluie.

L'atténuation à 1550 nm est inférieure aux autres longueurs d'onde dans des conditions météorologiques de brume mais l'atténuation dans des conditions météorologiques de brouillard est indépendante de la longueur d'onde [22] ;

✓ la diffusion : due à la rencontre du faisceau optique et du diffuseur. C'est un phénomène dépendant de la longueur d'onde où l'énergie du faisceau optique n'est pas modifiée. Mais seule une redistribution directionnelle de l’énergie optique se produit, ce qui conduit à la réduction de l’intensité du faisceau sur une plus grande distance [3],[23]. La diffusion est divisée en trois types :

• la diffusion de Rayleigh, connue sous le nom de diffusion de molécules ;

• la diffusion de Mie, connue sous le nom de diffusion par aérosol ;

• la diffusion non sélective appelée diffusion géométrique.

1.1.5. Domaines d’application des FSO

Les systèmes FSO sont largement utilisés de nos jours. Nous pouvons citer comme domaines d’applications :

(25)

✓ l’extension de réseaux de télécommunications : la technologie FSO et les produits sans fil optiques peuvent être déployés pour étendre un anneau de métro existant (Cf. Figure 1.5) ou pour connecter de nouveaux réseaux [14] ;

✓ les entreprises : en raison de l'évolutivité et de la flexibilité de la technologie FSO, les produits sans fil optiques peuvent être déployés dans de nombreuses applications d'entreprise, notamment la connectivité de bâtiment à bâtiment, la récupération d'urgence, la redondance du réseau, la connectivité Wi-Fi et la portabilité du réseau [14] ;

✓ l’accès et la connectivité du « dernier kilomètre » : les produits sans fil optiques peuvent également être déployés dans des applications d'accès telles que l'accès Ethernet gigabit.

Les fournisseurs de services peuvent utiliser la technologie FSO pour fournir des liens de grande capacité aux entreprises [14] ;

✓ les réseaux sans fil mobiles : 2G, 3G, 4G, LTE, 5G ; les produits basés sur FSO peuvent être utilisés pour le backhaul sans fil mobile pour les architectures réseau et de nouvelle génération d’aujourd’hui, y compris les applications pour BTS (Base Transceiver Station) Backhaul [14] ;

✓ l’interconnexion des réseaux LAN (Local Area Network) dans des villes ou des campus universitaires en économisant le coût très élevé de l’installation des fibres optiques [12] ;

✓ liaison temporaire : installation rapide pour une durée limitée dans l'attente d'une liaison traditionnelle définitive [12] ;

✓ liaison d'urgence et de secours: installation d'une liaison d'urgence en cas de panne d'une liaison ;

✓ liaison entre sites, réseau indépendant (PDH, SDH, ATM, Ethernet 10/100/1 000) [12] ;

✓ fermeture d'anneau optique [12] etc.

Figure 1.5. : Liaison FSO Métro en Egypte (Caire) [14]

(26)

1.2. Composants optoélectroniques d’une liaison FSO

Nous avons fondamentalement trois (03) éléments fonctionnels dans un système FSO : l’émetteur, le canal de propagation et le récepteur (Figure 1.6). Les longueurs d'onde 850 et 1550 nm sont deux fenêtres atmosphériques (régions spectrales où l'absorption de l'atmosphère environnante est réduite). Et puisque ces longueurs d'onde sont également utilisées dans les communications par fibre optique, alors les composants utilisés dans les liaisons optiques fibrées peuvent être utilisés dans les systèmes de communication optique sans fil [2].

Figure 1.6. : Configuration de base d'une liaison optique en espace libre

On retrouve des amplificateurs au niveau des émetteurs et récepteurs ayant pour rôle d’amplifier le signal avant de l’injecter dans le canal ou à la réception pour augmenter la sensibilité du récepteur.

1.2.1. Emetteurs FSO

L’émetteur est constitué principalement d’un modulateur, d’un driver et d’une source optique.

Le modulateur permet d’adapter le signal au canal tout en permettant d’optimiser en bande passante. Le driver (ou pilote de la source optique) quant à lui, se comporte comme un convertisseur et permet de convertir la tension reçue en courant électrique. Il contient à la fois une régulation de température et un générateur de courant. Le rayon lumineux envoyé par la

(27)

source lumineuse passe à travers une série de lentilles qui sont utilisées pour contrôler la quantité de divergence du faisceau laser. La divergence d’un rayon lumineux varie entre quelques milli radians et quelques microradians. Certains émetteurs plus complexes peuvent avoir également un certain type d'élément optique actif, comme un système de suivi actif pour permettre le réglage de l'alignement de l'unité optique FSO. Il est à noter que le faisceau laser émis est souvent intentionnellement fait d’une manière à avoir un certain angle de divergence de sorte que la section transversale du faisceau au niveau du récepteur soit beaucoup plus grande que l'ouverture optique de l’unité réceptrice. Le but d'une telle mesure est de compenser les petits mouvements terminaux en raison des facteurs environnementaux tels que le mouvement des immeubles.

La source optique constitue un paramètre fondamental dans une communication optique.

Dans les systèmes de communication optique sans fil moderne, une variété de sources optiques est utilisée pour transmettre les données optiques.

1.2.1.1. Techniques de modulation des communications FSO

Le type de modulation le plus utilisé est la modulation d'intensité. L'idée réside dans la transmission des informations sur la puissance instantanée du signal porteur. Ce qu’on peut obtenir, soit en faisant varier le courant de conduite de la source optique directement en correspondance avec les données à transmettre (Figure 1.7), ou via un modulateur externe [2].

Figure 1.7. : Modulation directe par intensité [2]

Plusieurs techniques de modulation compatibles avec les systèmes de modulation « IM/DD » ont été développées et utilisées dans les systèmes FSO [4]. En effet, La modulation OOK «

(28)

On Off Keying » est la modulation la plus simple et la plus utilisée dans les systèmes de communication optique sans fil commercialisés. Elle présente l’avantage de la réduction de la puissance transmise en raison de la facilité de la mise en œuvre, la simplicité de conception du récepteur et le meilleur rapport coût/efficacité. Le débit de données est directement lié à la vitesse à laquelle la source peut être allumée et éteinte.

Par ailleurs, la modulation PPM « Pulse Position Modulation » est une autre technique de modulation qui elle présente l’avantage de l’efficacité en puissance par rapport à OOK, mais au détriment d'un besoin en bande passante accrue et une plus grande complexité à cause du haut niveau de précision requis dans la synchronisation des symboles. La modulation MPPM

« Multi-Pulse Position Modulation » quant à elle, est une généralisation de la méthode PPM et permet d’atteindre un débit d'informations nettement amélioré, ainsi qu’une meilleure efficacité spectrale. La méthode PAM (Pulse Amplitude Modulation) est également une modulation multi-niveau et présente une excellente solution pour un système exigeant une grande efficacité spectrale. La plupart des systèmes de communication optiques sans fil s'appuient sur des techniques de modulation de niveau binaire, ces techniques de modulation transmettent les informations dans chaque période de symbole par la variation de deux états d'intensité (absence ou présence de l’intensité lumineuse), l’avantage de ces systèmes est qu'ils sont généralement simples dans leur mise en œuvre et qu’ils sont peu coûteux [13].

Les modulations d’impulsion par position (PPM) utilisent ce principe avec une bonne efficacité en puissance et souffrent d’une faible efficacité spectrale. La combinaison de la modulation par amplitude (PAM) avec la modulation d’impulsion par position est une solution prometteuse pour bénéficier des avantages des deux catégories de modulation pour atteindre une efficacité optimale en puissance et en bande passante. Toujours dans la quête d’un meilleur débit, la modulation Anisochrone Harmonic MPPM (AH-MPPM) qui est une forme modifiée de Harmonic-MPPM (résout le problème de synchronisation des symboles, mais présente un modeste débit et une dégradation de l’efficacité spectrale). Elle présente un débit de transmission plus élevé et une meilleure efficacité spectrale en éliminant tous les slots non utilisés au sein de chaque symbole, avec moins d’efficacité en puissance. De plus, étant donné que les modulations multiporteuses OFDM ont montré leur robustesse face aux canaux optiques fortement sélectifs en temps et en fréquence avec une meilleure efficacité spectrale et/ou en puissance, ils sont également un très bon candidat pour les FSO. Il revient alors de faire un compromis entre l’efficacité spectrale, l’efficacité en puissance, le haut débit et la synchronisation pour le choix de la technique de modulation en FSO [13]. C’est dans le

(29)

but de proposer une solution robuste permettant d’atteindre du haut débit FSO, que notre étude se propose d’étudier une architecture DWDM-FSO utilisant la SIM-OFDM.

1.2.1.2. Diodes électroluminescentes

La DEL (Diode Electroluminescente) est un composant optoélectronique capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. C’est une source incohérente et polychromatique (Figure 1.8). Elle présente un spectre d’émission assez large et un diagramme de rayonnement moins directif. En raison de leur puissance d’émission relativement faible, les DEL sont généralement utilisées pour des applications courtes distances et des bandes passantes de l’ordre de 155 MHz. L’avantage majeur des sources DEL est leur faible coût d’acquisition [2].

Figure 1.8. : Quelques exemples de diode électroluminescente 1.2.1.3. Diodes laser

La diode laser (Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation) présente des avantages significatifs pour les applications longue distance comparée à la DEL. Elle est cohérente, monochromatique et présente une faible largeur spectrale en plus d’une bande passante importante. L’industrie des systèmes optiques sans fil dans le commerce, est centrée sur l'utilisation de lasers à semi-conducteurs (Figure 1.9), en raison de leurs tailles relativement petites, puissances élevées et de la rentabilité. Les lasers à semi-conducteurs sont préférés pour les entreprises qui ont besoin de puissance élevée et cohérente dans leurs systèmes FSO [2].

Figure 1.9. : Quelques exemples de diodes laser

(30)

La caractéristique courant-puissance (Figure 1.10) nous montre que la puissance optique émise suit de façon instantanée toute variation du courant injecté. En dessous du courant de seuil, la recombinaison stimulée est encore faible ; l’émission spontanée est dominante ce qui conduit à un fonctionnement comparable à celui d’une diode LED. Une fois le courant de seuil dépassé, la recombinaison radiative spontanée est compensée et l’émission stimulée est alors dominante donnant naissance à l’effet laser.

Figure 1.10. : Caractéristique courant-puissance 𝑃 = (𝐼) d’une diode laser [24]

La modulation directe du courant de polarisation au sein de la diode laser à semi-conducteurs, conduit à une certaine variation de la concentration des porteurs dans la région active du laser, ce qui impacte l’indice de réfraction et donc la fréquence du signal optique généré. Ainsi, la modulation d'intensité laser conduit à un chirp de fréquence (généralement non souhaité) qui résulte de la variation de l’indice de réfraction suivant le champ électrique conduisant à l’étalement de l’impulsion lumineuse [25]-[26]. On distingue deux composantes du chirp comme le montre l’équation (1.1).

𝜟𝒗(𝒕) = ^𝜶

𝟒𝜫(^ⅆ

ⅆ𝒕[𝒍𝒏(𝑷_𝑳(𝒕) + 𝒌𝑷_𝑳(𝒕)]) (1. 1) Où Δv(t) est la variation de la fréquence optique instantanée, α le facteur d’Henry, k le coefficient adiabatique de modulation et 𝑃_𝐿(𝑡) la puissance de sortie du laser. Le premier terme dans l'équation ci-dessus, proportionnel à la dérivée de la puissance de sortie sous forme logarithmique est appelé « chirp transitoire », et le second, directement proportionnel à la puissance, est le « chirp adiabatique ». L'équation (1.1) a été proposée pour les lasers Fabry-Pérot (FP), mais elle est largement utilisée comme approximation utile pour les lasers DFB (Distributed Feedback) [25].

(31)

1.2.1.4. Critères de sélection des diodes laser dans les systèmes FSO

La sélection d'une source laser pour des applications FSO dépend de plusieurs critères. Il est important que la longueur d'onde de transmission soit dans l’une des fenêtres atmosphériques, comme évoqué précédemment. Par ailleurs, il faudra prendre en compte d’autres paramètres tels que :

✓ Le prix et la disponibilité des composants ;

✓ La puissance de transmission et celle de saturation ;

✓ La durée de vie ;

✓ Les capacités de modulation ;

✓ La sécurité oculaire ;

✓ Les dimensions physiques ;

✓ La compatibilité avec les autres moyens de transmission comme la fibre et les transmissions RF.

Les équipements FSO utilisent le plus souvent la diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL). Les diodes VCSEL ont l’avantage d’une faible consommation, d’un faible dégagement de chaleur, de couplage facile avec un coût faible en plus d’une bande passante élevée (jusqu'à 5 GHz) [26]-[28].

1.2.2. Récepteurs FSO

Ce bloc permet essentiellement de récupérer et de convertir la puissance optique incidente en courant électrique et d’y extraire les données. L'unité réceptrice se compose d'une série de lentilles qui concentrent le flux optique récupéré par un détecteur de lumière « photodiode ».

Toutefois, dans les systèmes FSO dédiés aux courtes portées, la partie transmission et la partie réception peuvent être directement reliées à une fibre optique (interconnexions FSO/FO). A la réception, le système doit fortement exclure la lumière ambiante (lumière du soleil entre autres) qui peut perturber le signal reçu. En pratique, le détecteur possède un champ de vue optique assez petit et le dispositif de réception comporte des filtres qui permettent de ne laisser passer que les longueurs d’onde souhaitées.

1.2.2.1. Photodétecteurs

Le photodétecteur est un semi-conducteur de jonction PN polarisée en inverse qui permet de convertir le flux optique récupéré (les photons) en signal électrique par l’effet photoélectrique.

(32)

Les photodiodes peuvent être classées en deux catégories : celles qui n’ont aucun gain interne PN et PIN, et celles qui ont un gain interne Avalanche (APD) [12][29].

1.2.2.1. Photodiode PIN

Les photodiodes PIN (Positive Intrinsic Negative) sont des composants à semi-conducteurs possédant une région intrinsèque (faiblement dopée) prise en « sandwich » entre une région de type P et une région de type N. Lorsqu'elle est polarisée en inverse, la PIN émet un courant proportionnel à la puissance optique incidente. Les photodiodes PIN sont les plus utilisées, car elles sont peu coûteuses et simples à utiliser avec une performance satisfaisante [29].

1.2.2.2. Photodiode APD

Les photodiodes APD (Avalanche Photo Diode) sont des composants semi-conducteurs qui réagissent à l'intrusion de photons dans la zone de jonction PN par le déclenchement d'une avalanche électronique (Figure 1.11). Ce phénomène crée un courant électrique conséquent à partir d’un petit nombre de photons incidents. Les photodiodes à avalanche sont aussi utilisées grâce à leurs performances (gain élevé et réponse rapide), mais pour un coût relativement élevé, en plus d’une polarisation inverse très forte. Les photodiodes APD présentent de meilleures performances à 2.5 et 10 Gb/s en comparaison aux PIN. A 40 Gb/s, des prototypes de photodiodes PIN surpassent aujourd’hui, les APD, ce qui permet d’affirmer que les PIN pourraient alors reprendre du terrain à ces fréquences sur les APD [2].

Figure 1.11. : Quelques exemples de photodiodes

1.2.2.3. Critères de sélection des photodétecteurs dans les systèmes FSO En système de transmission optique, les modules de récepteurs doivent [29] :

✓ avoir une grande sensibilité à la longueur d’onde de fonctionnement ;

✓ avoir une bande passante convenable ;

(33)

✓ avoir une faible exigence du point de vue tension de source ;

✓ pas être influencés par les conditions extérieures ;

✓ avoir une grande fiabilité et un faible cout ;

✓ avoir un temps de réponse très court et un faible bruit additionnel.

1.2.3. Sécurité/Santé en optique libre

La longueur d’onde à laquelle fonctionne un dispositif FSO est le premier paramètre à considérer afin de s’assurer qu’il ne constitue pas un danger pour les hommes. En effet, les lasers utilisés émettent des rayonnements infrarouges situés la plupart du temps dans une gamme de longueur d’onde autour de 1550 nm, car la sensibilité des photodiodes utilisées en réception est bien meilleure à 1550 nm que dans le visible ou le proche infrarouge. De plus, les faisceaux laser présentent davantage de risques pour la sécurité oculaire dans le domaine visible que pour des longueurs d’onde de l’ordre de 1550 nm. En effet, la lumière à 1550 nm est absorbée par la cornée et le cristallin et ne se focalise pas sur la rétine contrairement aux faisceaux laser dans le visible et le proche infrarouge qui peuvent engendrer des dommages irréversibles sur la rétine. C’est un facteur à ne pas négliger pour une transmission optique en espace libre où la puissance optique est élevée et où le faisceau est accessible à l’utilisateur.

Le simple fait de choisir des lasers à 1550 nm permet d’assurer que le système est sans danger même si la puissance du faisceau laser est importante [15]. Le Tableau 1.1 ci-dessous présente les caractéristiques basiques des systèmes optiques atmosphériques.

Tableau 1.1 : Caractéristiques de base d’une liaison FSO [15]

Min Max

Débit 1.5 Mb/s 1.6 Gb/s

Portée 10 m 8000 m

Puissance optique 4 mW 650 mW

Longueur d’onde 780 nm 1550 nm

Conclusion

Les systèmes FSO constituent une solution révolutionnaire pour avoir le haut débit qu’offrent la fibre optique et la souplesse des liaisons hertziennes à moindre coût. Malheureusement, ces

(34)

systèmes sont confrontés à des obstacles non négligeables et il s’avère alors très capital de trouver des méthodes ou techniques comme la technologie WDM et les techniques de modulation avancées pour contrer ou réduire les effets de ces obstacles afin de bénéficier des avantages qu’offrent les communications FSO.

(35)

Chapitre II : Introduction à la

technologie WDM

(36)

Introduction

Le multiplexage est une technique qui consiste à faire passer plusieurs informations à travers un seul support de transmission. Elle permet de partager une même ressource entre plusieurs utilisateurs. Le multiplexage est utile pour augmenter l’utilisation des capacités des supports de transmission. Deux dispositifs sont mis en jeu : le multiplexeur (MUX) et le démultiplexeur (DEMUX). Le multiplexeur combine les différents signaux en un seul signal.

Le démultiplexeur effectue l'opération inverse. Etant donné que les données optiques peuvent être transportées en utilisant différentes dimensions physiques telles que : le temps, la fréquence, l'espace, la polarité, etc., différentes techniques de multiplexage peuvent être utilisées. Actuellement, certaines techniques de multiplexage sont déjà utilisées dans les progrès de l’innovation optique, mais d’autres susceptibles d’apporter davantage d’améliorations, peinent à être appliquées.

La technique WDM a commencé une révolution dans le réseau des communications optiques en raison du fait que la capacité du système peut être augmentée simplement en augmentant le nombre de canaux et en resserrant l’espacement entre canal sans utiliser plus d'une liaison optique. La demande de plus en plus accrue en large bande passante a inspiré l’utilisation de la technologie WDM dans le domaine des communications optiques sans fil [5]. Alors cette technologie peut être appliquée dans les systèmes FSO pour maximiser l’utilisation de la bande passante et de façon moins coûteuse.

Dans ce chapitre, nous allons exposer brièvement la technique de multiplexage l’OTDM (Optical Time Domain Multiplexing) avant de nous attarder sur le WDM qui est la technique majeure de multiplexage optique, objet de cette étude.

2.1. Optical Time Domain Multiplexing

Le multiplexage temporel (Time Division Multiplexing) consiste à allouer toute la bande de fréquence à tous les utilisateurs, mais uniquement de manière séquentielle, à tour de rôle pour chacun d’entre eux. Le temps est divisé en périodes fixes et égales appelées "Time Slots".

Chaque utilisateur transmet ses données dans le Time Slot qui lui est consacré. Le multiplexage TDM permet alors de regrouper plusieurs canaux de communications à bas débit en un seul canal à débit N fois plus élevé (N étant le nombre d’utilisateurs dans le système). A la réception, un système de démultiplexage restitue les données respectives des utilisateurs, en isolant les impulsions optiques représentant les données de chaque utilisateur [7]. À la base, la

(37)

technique de multiplexage temporel a été utilisée pour les systèmes électriques mais le domaine électrique atteignait rapidement ses limites dès que l’on s’approchait de débits de l’ordre de 10 Gb/s à cause des composants électroniques [12]. L’OTDM, développée principalement au début des années 1990, a permis de dépasser cette limitation et d’atteindre des débits avoisinant le Térabit/s. Une chaîne de transmission en OTDM est composée des éléments suivants (Cf. Figure 2.1) :

✓ une source optique générant le train de impulsions optiques nécessaires au système OTDM ;

✓ un système de multiplexage qui code les données des utilisateurs du domaine électrique au domaine optique avant de les multiplexer ;

✓ le système de démultiplexage qui permet de récupérer les données propres à chaque utilisateur avant qu’elles ne soient converties à nouveau dans le domaine électrique.

Figure 2.1 : Chaine de transmission OTDM L’OTDM présente quelques limites :

✓ avec la montée en débit, le coût des sous-systèmes émetteur-récepteur optiques devient très important ;

✓ la limite en vitesse de l'électronique pose problème à des débits élevés ;

✓ le multiplexage TDM-PON (TDM-Passive Optical Network) montre des limites au niveau de la synchronisation et des modules de réception à l'OLT (Optical Line Terminal) ;

✓ concilier la montée en débit avec la réutilisation de l'infrastructure existante [12].

2.2. Wavelength Division Multiplexing

Développé dans les années 1980 et commercialisé au milieu de l’année 1990, le multiplexage par répartition de longueurs d’onde est la technique la plus récente, utilisée dans la

(38)

transmission d’informations sur fibre optique. Le principe du WDM repose sur la transmission simultanée de plusieurs signaux, provenant de sources diverses et chacun véhiculé par une longueur d'onde différente. Les systèmes WDM actuels autorisent 4, 8, 16, 32 et 64 canaux optiques différents sur une même fibre [5]-[6]. A partir de différentes sources émettant chacune une longueur d’onde propre, cette technique permet de regrouper et d’injecter ces canaux dans une seule même fibre sans aucun chevauchement entre canaux au cours de la propagation. Il suffit à l’extrémité de la fibre, de séparer ces longueurs d’onde et les envoyer sur autant de détecteurs différents pour retrouver les signaux initiaux (Cf. Figure 2.2).

Figure 2.2 : Schéma d’une liaison WDM à 04 longueurs d’onde

L’espacement en nanomètre (nm) ou en gigahertz (GHz) entre deux longueurs d’onde consécutives est défini dans la recommandation UIT-T G.671. Plus l’espacement est grand, moins on a de canaux disponibles. C’est suivant ce critère que la norme distingue plusieurs types de systèmes WDM ; chacun de ces types autorisant alors un peigne de longueurs d’onde dans une fenêtre de transmission définie.

2.2.1. CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing)

Les systèmes CWDM sont adaptés pour le transport « courte distance » de données, voix, vidéo, et services multimédias. Les systèmes CWDM sont idéalement adéquats pour des infrastructures en fibre avec des portées d’environ 50 km ou moins sans régénération du signal ou présence d’amplificateurs optiques. Les systèmes CWDM utilisent des lasers qui ont un débit de 2,5 Gb/s (OC-48/STM-16) et peuvent multiplexer jusqu'à 18 longueurs d'onde (plage 1270 nm à 1610 nm [7], [29]) comme le montre Figure 2.3. Cela fournit un maximum

(39)

de 45 Gb/s. Les Systèmes CWDM sont caractérisés par un espacement des canaux de 20 nm ou 2500 GHz comme spécifié par la norme ITU G.694.2.

Figure 2.3 : Grille UIT pour CWDM avec espacement inter-canal de 20 nm [12]

2.2.2. DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)

Le multiplexage dense en longueur d’onde ou DWDM permet d’atteindre des capacités énormes (plusieurs Tb/s) sur les réseaux et liaisons « longue distance ». Aussi son marché concerne-t-il essentiellement les fibres monomodes dans la fenêtre de 1550 nm. Il est très sélectif : l’espacement fréquentiel entre canaux est inférieur ou égal à 1000 GHz, comme indiqué dans la Recommandation UIT-T G.671 (Figure 2.4). En règle générale, les émetteurs utilisés dans les applications DWDM doivent être équipés d'un mécanisme de régulation qui leur permette de respecter les normes de stabilité de fréquence, contrairement aux émetteurs CWDM. La grille de fréquences définie par la Recommandation UIT-T G.694.1 admet divers espacements des canaux s'échelonnant de 12,5 GHz à 100 GHz ou plus (multiples entiers de 100 GHz). Des espacements inter-canaux irréguliers sont également autorisés (Cf. Figure 2.4).

✓ Pour des canaux espacés de 12,5 GHz sur fibre, les fréquences autorisées (en THz) sont définies par : 193,1 + n × 0,0125

✓ Pour des canaux espacés de 25 GHz sur fibre, les fréquences autorisées (en THz) sont définies par : 193,1 + n × 0,025

✓ Pour des canaux espacés de 50 GHz sur fibre, les fréquences autorisées (en THz) sont définies par : 193,1 + n × 0,05

✓ Pour des canaux espacés de 100 GHz ou plus sur fibre, les fréquences autorisées (en THz) sont définies par : 193,1 + n × 0,1 ;

Où n est un nombre entier positif, négatif ou nul.

(40)

Figure 2.4 : Grille UIT pour DWDM avec espacement inter-canal de 0.8 nm [12]

Bien que coûteux parce qu’exigeant l’emploi de composants de grande pureté et stabilité spectrale, l’intérêt économique du DWDM est largement dû à l’utilisation d’amplificateurs optiques. Ce système se caractérise par sa fiabilité de performance et permet une augmentation facile du réseau, car il suffit d’ajouter une nouvelle longueur d’onde en connectant un nouveau transmetteur et récepteur aux extrémités de la liaison [7].

2.2.3. WWDM (Wide Wavelength Division Multiplexing)

Le multiplexage WWDM est un autre dérivé du WDM. Il est encore plus restrictif que le CWDM. L’espacement entre les canaux est supérieur ou égal à 50 nm. Généralement, cette classe sépare un canal dans une fenêtre de transmission conventionnelle (par exemple 1310 nm) d'une autre (par exemple 1550 nm).

2.2.4. Apports du WDM

Le WDM répond aux besoins d'augmentation de débits et de taux de partage dans le réseau d'accès. La limite en débit imposée par le TDM peut être dépassée en introduisant le WDM et en affectant une longueur d'onde par utilisateur, ce qui revient à faire du point à point en longueur d'onde. Nous cumulons ainsi les avantages du point à point (c’est-à-dire un débit pouvant être amélioré de 100 Mbit/s à 2.5 Gbit/s, une couche MAC simplifiée, l’absence de problème de synchronisation). La souplesse de multiplexage permet de superposer des adressages différents en fonction du type de clients (FTTx), des services (voix, données, vidéo ...), des technologies finales (xDSL, Wireless, Ethernet…). Le WDM permet une indépendance vis-à-vis protocoles et une indépendance entre canaux. De plus, cette technique permet une plus grande concentration de clients sur un même lien principal et la localisation de panne est plus aisée que lorsqu'il y a partage de la longueur d'onde [8].

(41)

Les réseaux WDM supportent actuellement des débits optiques de 10, 40 et 100 Gb/s par longueur d’onde qui s’inscrivent tous dans les canaux 50 GHz existants. À l'avenir, des débits optiques de 400 Gb/s et 1 Tb/s plus rapides seront déployés sur des réseaux optiques grâce à une récente amélioration du WDM portant le nom de Flexigrid WDM. Elle permettra d’offrir une meilleure flexibilité de la bande passante allouée à chaque canal optique multiplexé selon le besoin de l’abonné [31]-[32].

Conclusion

La technologie WDM est sans concurrence du point de vue capacité car le coût de la liaison ne cesse de baisser avec des portées toujours plus élevées. L'accroissement de la capacité se fait de deux façons : en augmentant le nombre de canaux du support de transmission et en augmentant le débit par canal lors de l'émission. L'évolution du WDM a permis de battre de nouveaux records en matière de débit. Le DWDM est la solution qui offre plus de capacité tout en permettant d’atteindre une grande distance comparativement aux autres variantes du WDM (excepté le Flexigrid qui n’est pas traité par cette étude).

La technologie WDM permettra ainsi d’augmenter le débit et la portée des systèmes FSO.

Mais ces systèmes sont confrontés à des challenges comme l’atténuation atmosphérique qui limitent leur portée et leur fiabilité ne permettant pas de bénéficier amplement des avantages qu’offre le WDM. Des techniques de traitement du flux lumineux que nous verrons au chapitre suivant ont été développées pour y faire face et adapter le signal lumineux au canal.

(42)

Chapitre III : Techniques OFDM et

introduction à la SIM-OFDM

(43)

Introduction

La modulation est un processus d'encodage de l'information à partir d'une source d'une manière convenante à la transmission. Il implique de traduire un signal de message en bande de base à un signal en passe-bande. Elle se traduit alors par la variation d’un ou plusieurs paramètres à savoir la fréquence, la phase ou l’amplitude du signal porteur. Les techniques de modulation les plus utilisées en communications optiques libres sont principalement les modulations par amplitude et/ou par position. Ces dernières ayant des contraintes pour suivre la progression de la vitesse de transmission nécessaire, plusieurs méthodes et techniques ont vu le jour pour y pallier : les modulations monoporteuses et celles multiporteuses. Afin d'arriver à des performances élevées dans l'environnement multitrajets, les communications optiques sans fil s’appuient sur la modulation multiporteuse OFDM [33]. Des versions adaptées et améliorées de modulation sont également développées à partir de l’OFDM classique.

3.1. Modulations monoporteuses

3.1.1. Modulation ASK (Amplitude Shift Keying)

Dans ce type de modulation, le signal source fait varier l'amplitude de la porteuse (Cf. Figure 3.1). L'enveloppe complexe de la porteuse est identique au signal source. La modulation d'amplitude est très sensible aux perturbations électromagnétiques qui peuvent modifier l'amplitude de la porteuse et donc du signal source lors de la démodulation.

Figure 3.1 : Modulations d’amplitude ASK Avec Tb= temps bit.