La technologie multi-bande OFDM optique

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Nomenclature

Dans la littérature, nous trouvons différents termes utilisés dans le domaine des réseaux optiques avec parfois des significations différentes. Afin de clarifier certaines notions Nous définissons ici les termes que nous utiliserons tout au long du mémoire :
Canal WDM optique : longueur d’onde transportant un signal entre les deux extrémités d’une fibre optique.
Connexion : dans cette étude il s’agit d’une liaison logique établie entre deux nœuds quelconque du réseau à travers laquelle un signal optique est transporté.
Chemin : succession des liens et des nœuds empruntés par une connexion entre le nœud d’entrée (source) et le nœud d’arrivée (destination). Il peut aussi être appelé parcours physique.
Chemin optique (lightpath) : chemin établi entre les nœuds source et destination constitué par les nœuds et les liens traversés et les canaux WDM occupés dans chaque lien du chemin.
Demande (requête) : besoin d’une connexion entre deux nœuds (source et destination) appartenant au réseau. Chaque demande est formée par un triplet : source, destination et débit associé.
Granularité : correspond à la plus petite unité traitable par un nœud. Un trafic de granularité de 10 Gbit/s signifie que les canaux WDM optiques ne pourront pas avoir de débits plus faibles et que les débits plus élevés sont des multiples de cette unité.
Topologie du réseau : schématisation du réseau par des liens et des nœuds. Trafic : ensemble de demandes à établir (matrice de trafic) ou établies (trafic présent dans le réseau). La matrice de trafic est la liste des demandes à écouler dans le réseau, chaque demande est formée par un triplet : source, destination et débit associé.
Fonction d’agrégation/désagrégation des demandes : la fonction d’agrégation est le fait d grouper plusieurs demandes dans un seul canal WDM optique. La désagrégation consiste à séparer les demandes qui ont été agrégées dans un canal WDM optique.

Les réseaux optiques

Nous exposons, dans cette section, les notions de base permettant de comprendre l’organisation des réseaux optiques. Dans un premier temps, nous décrivons l’architecture de ces réseaux. Par la suite nous parlons des principales technologies utilisées dans les réseaux optiques.

Architecture des réseaux optiques

Les réseaux de télécommunications optiques sont généralement composés de trois parties : le réseau d’accès, le réseau métropolitain et le réseau cœur. La Figure II-1 illustre une architecture typique d’un réseau de télécommunication optique.
Le réseau d’accès constitue le premier point de raccordement des clients au réseau de l’opérateur. Ce raccordement est généralement réalisé par une paire de cuivre, un câble coaxial ou une fibre optique selon les technologies mise en œuvre (XDSL pour le cuivre,
FTTH (Fiber To The Home) pour la fibre optique). Il se caractérise par une portée (longueurentre le point de raccordement et l’abonné) limitée de quelques kilomètres à quelques dizaines de kilomètres pour la FTTH [6]. Le réseau métropolitain sert à la collecte et à la distributiondes flux de trafic des abonnés vers/depuis les points de raccordement au réseau cœur [7]. Le réseau métropolitain est caractérisé par des dimensions de quelques centaines de kilomètres. Il reçoit et distribue les flux de trafic (entrants et sortants) des abonnés par des nœuds qualifiés « frontières » ou « edge » en anglais. Le réseau cœur, quant à lui, interconnecte l’ensemble des réseaux métropolitains entre eux et à l’internet, aux plateformes de services (par exemplevidéo à la demande) et aux autres opérateurs. C’est la partie du réseau qui supporte la plus grosse quantité de trafic en utilisant les technologies les plus rapides en débit sur des distances importantes. Les réseaux métropolitains se rattachent à ce réseau. Les différents nœuds des réseaux métropolitains et des réseaux cœurs sont raccordés par des fibres optiques pouvant atteindre des capacités très importantes. Nous verrons, dans la section qui suit, les technologies de transmission utilisées dans le réseau cœur et le réseau métropolitain.

Le système de transmission avec multiplexage en longueur d’onde

Le transport des données sur les réseaux à fibre optique repose majoritairement sur le multiplexage en longueur d’onde (Wavelength Division Multiplexing : WDM). La Figure II-2 illustre la constitution d’un système WDM.
La technologie WDM permet de transmettre les données simultanément sur des longueurs d’onde différentes se propageant sur une même fibre [8]. Chaque longueur d’onde correspond à un canal de transmission et permet de transporter un débit de plusieurs gigabits par seconde. Un système de transmission WDM est généralement composé de sites terminaux et de sites d’amplification comme indiqué dans la Figure II-2.
• Un site d’amplification : Au cours de sa propagation dans la fibre optique le signal s’atténue. Les sites d’amplifications sur une ligne optique servent donc à compenser les pertes du signal. Généralement les amplificateurs sont installés tous les 40 à 120 km en moyenne en fonction de la topologie, de la géographie du réseau et de la longueur des systèmes installés. L’amplification EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) est la plus courante. L’avantage de ce mode d’amplification est qu’il est tout optique (il n’y a pas de recours à des conversions optoélectroniques) et compatible avec WDM. C’est-à-dire qu’il amplifie toutes les longueurs d’onde sur une bande passante d’environ 30 nm (bande C) centrée autour de 1550 nm [9]. Le nombre maximal de longueurs d’onde utilisées par fibre dépend donc de leur espacement minimum, et de la largeur de cette bande d’amplification.
• Les transpondeurs : Les transpondeurs constituent l’interface d’émission et de réception du signal optique dans un système WDM. La fonction des transpondeurs est de transformer un signal client (SDH, PDH, Ethernet..), en un signal normalisé transporté sur une longueur d’onde WDM. Les transpondeurs constituent donc l’interface entre la couche cliente et la ligne optique. Pour ce faire, Ils réalisent des conversions optiques-électroniques puis électroniques-optiques. Ces équipements sont bidirectionnels, ils intègrent un émetteur dans un sens et un récepteur dans l’autre sens
• Les multiplexeurs/démultiplexeurs : Les multiplexeurs permettent de regrouper les différentes longueurs d’onde provenant de différents transpondeurs sur une seule fibre.
La fonction du démultiplexeur fait le travail inverse; il permet de séparer les différents signaux WDM propagés dans une seule fibre. Comme illustré dans la Figure II-2, chaque transpondeur émet un signal sur une longueur d’onde différente λi, où 1<i<N, N étant le nombre maximal de longueur d’onde. Un multiplexeur regroupe donc les longueurs d’onde et les transmet sur la fibre de transmission. Dans la partie réception, un démultiplexeur sépare les différentes longueurs d’onde et les envoie sur un transpondeur de destination.

Réseaux WDM optiques

Les réseaux optiques, qu’ils soient métropolitains ou cœurs, peuvent être principalement divisés en deux types: les réseaux optiques opaques et les réseaux optiques transparents. Dans cette section nous définissons chaque type de réseau.

Réseaux optiques transparents

Le terme transparence peut être lié à plusieurs critères. En général, il concerne le débit binaire, le format de modulation ou bien le format de transmission (SDH, PDH…). Ces points définissant la transparence sont évoqués dans [10]. Dans la suite de ce mémoire, la transparence désigne l’absence de conversion optoélectronique dans le réseau. Dans un réseau transparent, le signal optique n’est pas systématiquement converti en un signal électrique dans chaque nœud. La Figure

illustre une architecture générique d’un nœud photonique du réseau transparent.

Nous remarquons que les conversions optoélectroniques sont uniquement utilisées pour recevoir et transmettre du trafic à travers les ports d’extraction et d’insertion (port add/drop en 24 jaune). A l’entrée du nœud, le signal transporté par la fibre d’entrée Fe est dé-multiplexé. Les différentes longueurs d’onde sont par la suite routées vers les différents ports concernés. Certaines seront extraites dans le nœud à travers les ports de sortie (cas des longueurs d’onde jaune et verte) et d’autres (longueurs d’onde rouge et longueur d’onde bleue) seront dirigées vers les fibres de sortie Fs et passent en transit à travers le nœud. C’est la définition du brassage transparent. Les réseaux optiques basés sur les nœuds transparents sont largement déployés aujourd’hui [11]. Les nœuds photoniques sont maintenant utilisés dans les réseaux métropolitains et les réseaux cœurs.
Bien que les nœuds transparents permettent de s’affranchir de convertisseurs optoélectroniques pour les longueurs d’onde en transit et réduire ainsi le coût du réseau [12], ils présentent néanmoins, certains inconvénients. En effet, l’absence de conversions optoélectroniques dans le réseau, engendre des limitations sur l’utilisation de canal WDM. Dans un réseau optique transparent, un canal WDM utilisé pour véhiculer un trafic donné ne peut être changé en aucun point. Pour une demande d’un nœud source vers un nœud destination, le canal WDM doit donc être continu de bout en bout. Considérons l’exemple de la Figure II-4. Dans cet exemple, il y a 2 demandes de trafic en cours. Une demande du nœud 1 vers le nœud 2 utilisant le canal WDM transporté par la longueur d’onde λ1 et une demande du nœud 2 vers le nœud 3 utilisant le canal WDM transporté par la longueur d’onde λ2. Nous supposons dans cet exemple que le nombre maximum de longueurs d’onde sur chacun des liens 1-2 et 2-3 est égal à 2. Ces longueurs d’onde sont λ1 et λ2.
Dans ce cas de figure, si une nouvelle demande du nœud 1 vers le nœud 3 doit être établie, elle sera bloquée bien que sur chacun des liens 1-2 et 2-3 il existe un canal WDM disponible.
Ce blocage est dû à la contrainte de continuité de la longueur d’onde : il n’existe pas une longueur d’onde disponible continue de 1 vers 3. Afin d’éviter ce blocage, on peut envisager d’installer dans le nœud 2 des convertisseurs de longueur d’onde afin de satisfaire la demande 1-3. Dans ce cas, la demande 1-3 utilisera sur le tronçon 1-2 la longueur d’onde λ2 et sur le tronçon 2-3 la longueur d’onde λ2. Un autre inconvénient des réseaux transparents est que chaque demande utilise toute la capacité du canal WDM indépendamment de son besoin réel. Considérons l’exemple de la Figure II-5.
Nous supposons que nous avons 2 demandes de 25 Gbit/s à transporter dans le réseau : une demande du nœud 1 vers le nœud 3 et une demande du nœud 1 vers le nœud 4. Nous supposons aussi que les canaux WDM ont un débit de 100 Gbit/s. La demande provenant du nœud 1 et allant vers le nœud 3 utilise le canal WDM transporté par la longueur d’onde 1 (longueur d’onde bleue). La demande provenant du nœud 1 et allant vers le nœud 4 utilise le canal WDM transporté par la longueur d’onde 2 (longueur d’onde verte). Pour chaque demande, 2 transpondeurs sont utilisés. Les 2 demandes passent en transit par le nœud 2. Vu qu’on est dans le cas d’un réseau optique transparent, les 2 demandes sont routées dans le nœud 2 vers les différentes destinations sans aucunes conversions optoélectroniques. Nous remarquons ici que chacune des deux demandes utilise 25% de la capacité du canal WDM ce qui engendre une mauvaise utilisation des ressources réseaux. Il pourrait être plus efficace de transporter les deux demandes sur une même longueur d’onde sur le tronçon 1-2 et de les désagréger optiquement dans le nœud de transit 2. Dans ce cas, un seul transpondeur serait utilisé pour émettre les deux demandes et une seule longueur d’onde serait utilisée sur le tronçon 1-2. Nous pourrions ainsi mieux utiliser la capacité fournit par le réseau et réduire le nombre de transpondeurs à installer au niveau des nœuds.

Réseaux optiques opaques

Au contraire du réseau transparent, un réseau opaque est un réseau où les conversions optoélectroniques sont déployées dans chaque nœud du réseau et sont utilisées pour chaque canal WDM. Le signal optique est systématiquement convertit en électrique lors de chaque passage dans un nœud. Dans ce type de réseau, la couche optique sert uniquement pour transporter un signal optique entre deux nœuds du réseau. La Figure II-6 représente une architecture générique d’un nœud opaque
Le signal entrant dans le nœud est dé-multiplexé puis convertit en électrique grâce à des transpondeurs. Si le nœud en question est le nœud destination, le signal est extrait du réseau par les ports de sorties (port drop). Sinon, le signal est reconverti en optique et transmis vers le prochain nœud [13]. Les ports « add » servent à injecter du trafic dans le réseau. Au cours de cette étude, nous n’avons considéré comme nœud opaque que le nœud à cœur électronique permettant la commutation et les opérations d’agrégation. Le fait de convertir systématiquement le signal en électronique offre un degré de flexibilité important pour l’opération d’agrégation/désagrégation des demandes dans chaque nœud du réseau. Considérons l’exemple de la Figure II-7. Dans cet exemple nous proposons de démontrer l’avantage et l’inconvénient de la technologie mono-bande opaque.
Le nœud 1 a 2 demandes à transmettre dans le réseau : une demande vers le nœud 3 et une demande vers le nœud 4. Ces 2 demandes se partagent le premier tronçon du chemin (le tronçon 1-2). Au niveau du nœud 1, ces deux demandes sont agrégées en électrique et émis dans le réseau par un même transpondeur. Dans le nœud 2 le signal est convertit en électrique et les demandes sont transmises indépendamment l’une de l’autre vers la destination associée. Nous remarquons que grâce à la fonction d’agrégation électrique, nous avons utilisé une seule longueur d’onde sur le tronçon 1-2. Par contre nous avons utilisé dans le nœud 2 des conversions optoélectroniques pour traiter le trafic. Le brassage opaque offre une flexibilité importante pour agréger et désagréger le trafic mais cela peut avoir un impact direct sur le coût du réseau vu que les conversions optoélectroniques sont déployées partout sur le réseau.

Synthèse sur le brassage opaque et le brassage transparent

Dans les sections II.3.1et II.3.2nous avons introduit les réseaux opaques et les réseaux transparents. Nous avons détaillé la technique de brassage dans chacun des réseaux. Nous avons montré les avantages et les inconvénients de chaque technique. Par exemple, la référence [14] montre que l’utilisation du transit tout optique comparé au transit électronique dans les réseaux cœur, permet d’économiser jusqu’à 50 % en consommation énergétique. Plus de détail sur le pour et le contre associés aux réseaux opaques et transparents sont exposés dans [15] [16]. Une solution permettant un compromis entre les deux techniques de brassagepourrait être bénéfique pour les opérateurs de télécommunications. En émission, l’idéal serait de pouvoir envoyer des trafics allant dans une même direction par un seul transpondeur et de pouvoir les séparer (désagréger) quand c’est nécessaire tout en restant dans le domaine optique. En réception l’idéal serait de pouvoir grouper (agréger) les demandes allant vers la même destination sur une même longueur d’onde afin de les réceptionner par un seul transpondeur à la destination. Pour répondre à ce cahier des charges, nous aurons donc besoin de plus de flexibilité au niveau de la couche optique ainsi que des fonctions de brassage optique à des granularités plus fines que celle de la granularité de la longueur d’onde.

Solutions pour répondre à l’augmentation du trafic : vers plus de flexibilité dans la couche optique

Suite à l’augmentation continue du trafic dans les réseaux de transport optiques, le débit par longueur d’onde et leur nombre par fibre s’est considérablement accrus. Les systèmes WDM actuels sont capables de transmettre une centaine de longueur d’onde dont le débit est passé à 40 Gbit/s et même 100 Gbit/s depuis peu [17]. Cette augmentation importante du débit nécessite l’intégration de plus de flexibilité pour le transport du trafic. Des fonctionnalités d’agrégation et désagrégation optique du trafic sont devenue nécessaires pour réduire le coûtdes réseaux de transports. Nous avons vu dans la section II.3.2 que le brassage opaque offre une grande flexibilité pour traiter le trafic en offrant la possibilité d’agréger différents flux allant vers une même direction. Néanmoins, ce brassage opaque peut être gourmand en coût et en consommation énergétique ce qui n’est pas de l’intérêt des opérateurs télécoms. Ces flexibilités doivent donc être préférentiellement introduites au niveau de la couche optique afin de limiter l’utilisation des convertisseurs optoélectroniques et par conséquent réduire le coût du réseau pour l’opérateur. Ces flexibilités permettront principalement :
• D’accéder à des granularités plus fines que la longueur d’onde dans la couche optique afin de pouvoir agréger/désagréger le trafic tout en restant dans le domaine optique.
• D’adapter les ressources du réseau au besoin du trafic (adaptabilité du débit, de la bande passante…).
Plusieurs approches de réseaux optiques flexibles ont vu le jour. Nous pouvons citer, par exemple, Optical Burst Switching (OBS) [18], la technologie SLICE [19] [20]« Spectrum-sliced Elastic Optical Path Network » ainsi que les réseaux élastiques.

Optical Burst Switching

Plusieurs études ont été réalisées afin d’introduite le concept de transport de paquets dans les réseaux optiques. Le concept de commutation optique par rafales optiques ou « Optical Burst Switching » (OBS) a été introduit en 1999 par C.M. Qiao et J.S. Yoo [21] pour compenser le manque de flexibilité des réseaux optiques à commutation de circuits.
L’approche OBS repose sur le principe de commutation de paquets optiques. Elle assure le partage de la longueur d’onde dans le domaine temporel au niveau de la couche optique. En effet, elle permet l’agrégation de plusieurs blocs, appelés Burst, appartenant à différents flux de données dans une même longueur d’onde. Néanmoins, quelques études, comme celle de [22], ont remis en cause les solutions OBS, par rapport à la commutation de circuit optique.
Elles considèrent en effet que les solutions OBS proposées jusqu’à maintenant n’ont pas réussi à dépasser les contraintes technologiques (absence de mémoire optique, possibilité de collision entre burst…).

SLICE Spectrum-sliced Elastic Optical Path Network

Sous un autre angle, des améliorations ont été proposées aux réseaux optiques à commutation de longueur d’onde (réseau transparent et brassage transparent). Des technologies offrant plus de flexibilité pour ce type de réseau ont été étudiées. En effet les réseaux transparents tendanciels décrits dans la section I.3.1, présentent des inconvénients par rapport à la bande passante en raison de sa rigidité et par rapport à la granularité quand seulement une partie de la capacité de la longueur d’onde utilisé. En aucun cas, la bande passante de la longueur d’onde peut être changée. Dans ce contexte l’architecture SLICE [23]
« Spectrum-sliced Elastic Optical Path Network » introduit la notion de la flexibilité de la bande passante en fonction du débit des différentes demandes. Le but de SLICE est de fournir une manière spectrale efficace afin de transporter des débits de 100 Gbit/s et plus. Il s’agit d’allouer la bande passante appropriée pour transporter une demande donnée de bout en bout. La bande passante des canaux optiques est donc ajustée en fonction du volume du trafic. Pour ce faire, des transpondeurs à bande passante variable sont installés à la périphérie du réseau pour émettre et recevoir le trafic et des commutateurs optiques à bande passante variable sont installés dans le cœur du réseau afin de router les différentes demandes [20]. Les transpondeurs à bandes passante variable génèrent un signal optique utilisant le minimum de ressource spectrale permettant de transmettre un signal client de bout en bout. En même temps les différents commutateurs optiques installés pour router les demandes dans les nœuds intermédiaires allouent la bande passante nécessaire pour un chemin optique. L’architecture SLICE présente de nouveaux challenges. Elle introduit un nouveau concept d’élasticité qui offre plus de flexibilité à la couche optique notamment au niveau de l’allocation de la bande passante. La faisabilité de la technologie SLICE a été démontrée dans [24]. Néanmoins, cette technologie ne s’intéresse pas à la problématique de commutation citée dans la section II.3.3.
A savoir que L’architecture SLICE n’intègre pas de mécanisme permettant de traiter desentités à l’intérieur de la longueur d’onde. C’est la capacité de la longueur d’onde qui varie pour avoir des granularités plus fines ou plus importantes.

Table des matières

Liste des abréviations
Chapitre I. Introduction
Chapitre II. Contexte de l’étude
II.1. Nomenclature
II.2. Les réseaux optiques
II.2.1. Architecture des réseaux optiques
II.2.2. Le système de transmission avec multiplexage en longueur d’onde
II.3. Réseaux WDM optiques
II.3.1. Réseaux optiques transparents
II.3.2. Réseaux optiques opaques
II.3.3. Synthèse sur le brassage opaque et le brassage transparent
II.4. Solutions pour répondre à l’augmentation du trafic : vers plus de flexibilité dans la couche optique
II.4.1. Optical Burst Switching
II.4.2. SLICE Spectrum-sliced Elastic Optical Path Network
II.5. Conclusion
Chapitre III. La technologie multi-bande OFDM optique
III.1. Concepts de la technologie multi-bande OFDM
III.2. Le filtrage optique
III.3. Brassage de sous-bandes optiques
III.4. Adaptation du débit et du nombre de sous bandes dans les réseaux multibandes OFDM
III.5. Comparaison de la technologie multi-bande OFDM avec la notion de bande de canaux WDM (waveband en Anglais)
III.6. Etude comparative préliminaire entre les technologies de réseaux multi-bande OFDM, mono bande transparent et mono-bande opaque
III.6.1. Exemple de comparaison entre Multi-bande OFDM optique et mono-bande transparent sur une topologie de réseau élémentaire
III.6.2. Hypothèses pour l’étude préliminaire sur un seul nœud
III.6.3. Critères de comparaison
III.6.4. Analyse et discussion des résultats
III.7. Conclusion
Chapitre IV. Etude de performances de la technologie multi-bande OFDM
IV.1. Introduction
IV.2. Modèle de simulation
IV.3. Hypothèses de simulation
IV.3.1. Hypothèses générales
IV.3.2. Hypothèses sur le trafic inséré
IV.4. Fonctionnement du modèle de simulation pour les différentes architectures étudiées
IV.4.1. Routage des demandes
IV.4.2. Fonctionnement du simulateur dans le cas de l’architecture mono-bande transparent
IV.4.3. Fonctionnement du modèle de simulation pour le cas mono-bande opaque
IV.4.4. Fonctionnement du modèle de simulation pour le cas multi-bande OFDM optique
IV.5. Résultat de simulations
IV.5.1. Considération physique pour le choix du nombre de sous-bandes pour l’architecture multi-bande OFDM
IV.5.2. Multi-bande OFDM optique versus mono-bande opaque et mono-bande transparent
IV.5.3. Impact du déploiement des convertisseurs de longueur d’onde/sous-bandes dans les réseaux multi-bandes OFDM optiques
IV.5.4. Impact de la variation de nombre de sous-bandes
IV.5.5. Impact du changement de la topologie
IV.6. Contraintes technologiques liées au nombre de sous-bandes
IV.7. Dépasser la contrainte de filtrage optique
IV.8. Conclusion
Chapitre V. « Dimensionnement » des réseaux multi-bandes OFDM optiques
V.1. Introduction
V.2. Architecture des transpondeurs multi-bandes OFDM
V.3. Evaluation de la technologie multi-bande OFDM sur les réseaux métropolitains
V.3.1. Calcul du nombre de transpondeurs dans les réseaux métropolitains
V.3.2. Coût des différents scénarios
V.4. Evaluation de la technologie multi-bande OFDM dans un réseau cœur
V.4.1. Algorithme de dimensionnement
V.4.2. Comparaison de la technologie multi-bande OFDM et la technologie monobande transparent sur le réseau cœur NSFNET
V.4.3. Résultats de dimensionnement
V.4.4. Calcul du coût du déploient de la technologie multi-bande OFDM sur le réseau NSFnet
V.4.5. Impact de la variation du nombre de sous-bandes sur le dimensionnement du réseau
V.5. Conclusion
Chapitre VI. Conclusion et perspectives
VI.1. Conclusion
VI.2. Perspectives

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