Convergence des techniques de transmission fibre optique et radio MIMO haut débit

L’augmentation du trafic de données

L’accroissement du nombre de personnes interconnectées à travers le réseau Internet ainsi que l’évolution des comportements numériques sont des moteurs de la croissance du trafic de données mondial. Plus précisément, le nombre de services nécessitant une connexion explose, tandis que se démocratisent les terminaux connectés, comme les téléphones, tablettes et ordinateurs portables ou encore les téléviseurs connectés, qui non seulement reçoivent mais aussi émettent des données, à la différence de leurs prédécesseurs. En parallèle, l’évolution des standards attenante pour les réseaux d’accès (notamment les réseaux mobiles avec les standards 3G, 4G – réseaux mobiles de 3ème, 4ème génération) permet d’augmenter les débits atteignables, tandis que de nouveaux formats et langages informatiques dédiés aux nouvelles applications font leur apparition, comme l’HTML5 (HyperText Markup Language 5).

Ces possibilités techniques accompagnent l’apparition de nouveaux usages, comme l’internet mobile, le jeu en ligne, le stockage de données en ligne, tous très gourmands en ressources. On assiste par exemple au développement de «l’informatique dans les nuages » (cloud computing) qui consiste à héberger en ligne des données, des logiciels, voire à externaliser les capacités de calcul pour ne confier qu’un rôle d’affichage au terminal utilisé. Cette technologie en progression repose avant tout sur l’utilisation intensive des capacités de transmission des réseaux existants et contribue à augmenter fortement le trafic Internet .

Les fibres monomodes à saut d’indice permettent de s’affranchir de la limitation due à la dispersion intermodale : leur diamètre de cœur est beaucoup plus petit (8-10 µm à 1550 nm) que celui des fibres multimodes (50/62,5 µm), ce qui ne permet la propagation que d’un mode unique dans la fibre optique. Il n’y a alors pas de dispersion intermodale. On note que la dispersion chromatique, due à la différence de vitesse de propagation en fonction de la longueur d’onde, est généralement considérée comme négligeable par rapport à la dispersion intermodale dans les fibres multimodes. Ce n’est plus le cas pour les fibres monomodes ; cependant, l’utilisation de lasers de longueur d’onde 1310 nm permet de réduire drastiquement cette dispersion dans les fibres monomodes standard, et d’atteindre alors une capacité théorique de plusieurs centaines voire milliers de Gb/s. L’utilisation de sources à 1550 nm, comme pour les liaisons intercontinentales, permet quant à elle de profiter d’une atténuation minimale (de l’ordre de 0,2 dB/km), mais nécessite alors l’emploi de tronçons de fibre à compensation de dispersion pour s’affranchir de la dispersion chromatique puisque cette dernière est significative dans les fibres monomodes standard à cette longueur d’onde.

Ces bonnes performances des fibres monomodes sont obtenues au détriment d’un coût plus élevé en termes de maintenance, d’infrastructures et d’utilisation. En effet, le faible diamètre de cœur de ces fibres impose une plus grande contrainte au niveau des connexions et des sources lasers utilisées. Ainsi, les fibres monomodes sont généralement utilisées avec des lasers monomodes de type DFB (Distributed FeedBack). Elles sont donc privilégiées pour les transmissions très longues distances à de très grands débits (réseaux cœurs), comme les transmissions trans- et inter-continentales (câbles sous-marins notamment). Leur usage s’est par ailleurs aussi répandu dans les cœurs de réseaux métropolitains et les réseaux d’accès haut débit.

Coûts de déploiement de nouvelles infrastructures optiques

Les évolutions futures des systèmes à fibre optique dépendent certes des progrès technologiques mais ne peuvent pour autant se départir du contexte économique et tout particulièrement des investissements connexes à l’installation et l’utilisation des fibres employées. On s’intéresse ici à cette question du coût qui participe à la problématique de la réutilisation des fibres déjà déployées.

L’exemple des réseaux FTTx

Le développement des technologies basées sur l’utilisation de la fibre optique, telles que les diverses technologies FTTx, participe à l’accroissement des réseaux optiques. Cette progression technologique nécessite donc l’installation de nouveaux fourreaux de fibres optiques en remplacement ou parallèlement à ceux existants. Or ce coût d’installation (CAPEX – capital expenditure, qui représente les coûts d’investissement et de développement, contre OPEX – operational expenditure, qui représente les coûts d’exploitation) représente une part considérable du coût d’un réseau de fibres optiques. Il inclut les coûts du génie civil nécessaire à la pose des fourreaux dans l’espace public avec le creusement de tranchées et l’établissement de nœuds de raccordement optiques, le déploiement des fibres dans les bâtiments, ainsi que la connexion des équipements à la fibre optique.

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Table des matières

Introduction
I. Etat de l’art
1. Contexte de la thèse
1.1. L’augmentation du trafic de données
1.2. Les réseaux de fibres optiques
1.3. Nouvelles utilisations des fibres optiques dans les réseaux
1.4. Coûts de déploiement de nouvelles infrastructures optiques
2. Améliorer le débit transmissible sur fibre multimode
2.1. Multiplexage en longueur d’onde
2.2. Techniques d’injection
2.3. OFDM optique sur fibre multimode
2.4. Multiplexage par groupes de modes
3. Augmentation de la capacité des fibres multimodes : les techniques MIMO
3.1. Techniques MIMO
3.2. Le MIMO optique
4. Conclusion
II. Modélisation de la fibre optique multimode
1. Etude de la fonction de transfert de la fibre multimode
1.1. Définition des paramètres importants
1.2. Contributions des dispersions chromatique et modale
1.3. Expression et simulation de la fonction de transfert de la fibre optique multimode
1.4. Distribution de la réponse de la fibre
2. Capacité pour un schéma SIMO
2.1. Lien entre l’étude de la réponse de la fibre multimode et le schéma SIMO
2.2. Expression de la capacité d’un schéma SIMO
2.3. Simulation de la capacité du modèle SIMO
3. Discussion du modèle et conclusion
III. Etude préliminaire du canal optique
1. Mise en évidence des non-linéarités du canal optique
1.1. Etude de la transmission d’un signal OFDM
1.2. Un nouveau critère de qualité : les courbes CCDF de puissance
1.3. Discussion
2. Caractérisation du lien optique SIMO
2.1. Caractérisation de la diode laser
2.2. Etude des coupleurs
2.3. Réponse fréquentielle de la fibre optique
3. Evolution temporelle de la réponse de la fibre optique
4. Critère de non-sélectivité en fréquence
5. Conclusion
IV. Performances du schéma SIMO
1. Bilan de liaison et méthodes de sélection
1.1. Bilan en sortie du système SIMO sur la partie signal
1.2. Bilan en sortie du système SIMO sur le bruit
1.3. Rapport signal sur bruit en sortie du système SIMO
1.4. Méthodes de recombinaison pour le système SIMO
1.5. Discussion
2. Transmission de signaux OFDM via un schéma SIMO optique
2.1. Implémentation des méthodes de recombinaison
2.2. Transmission SIMO optique d’un signal WLAN
2.3. Transmission SIMO optique d’un signal ULB
3. Discussion
V. Conclusion et Perspectives
VI. Annexes