Soutenance mémoire
La topologie des réseaux de télécommunication optique
Les réseaux de longue distance ou réseaux cœurs
Les liaisons de longues distances sont constituées de liaisons terrestres ou sous-marines internationales s’appuyant sur des topologies maillées ou en bus et aussi sur des liaisons régionales en boucle ou en anneau. La technique de multiplexage temporel associée aux équipements tels que les multiplexeurs ADM (Add and Drop Multiplexer) a permis le routage et le transport avec la nécessité d’une conversion optique/électrique/optique (O/E/O) pour la resynchronisation, la remise en forme et la ré-amplification du signal optique sur les longues distances. Cela a favorisé les points de congestion très pénalisants aux nœuds optiques pour le trafic et contribué à renchérir la mise en œuvre de tels réseaux. L’évolution de la technologie de transmission optique a permis le passage du trafic en transit aux nœuds optiques sans conversion électrique et a réduit de manière significative le coût des conversions O/E/O. A cela, s’ajoute une flexibilité de commutation aux nœuds optiques.
Le multiplexage spatial (SDM : Space Division Multiplexing) consiste à utiliser les modes spatiaux de la fibre optique dans le but d’accroître le débit et de gérer les congestions dans les nœuds optiques. En rappel, un ensemble de modes formant une base de modes propres de la fibre optique est appelé modes linéairement polarisés (LP) ou modes LP. Les propriétés opto-géométriques de la fibre définissent le nombre de modes LP susceptibles de se propager dans la fibre et permettent de distinguer les fibres monomodes (fréquence normalisée inférieure à 2,4) des réseaux optiques actuels et les fibres multimodes nécessaires à la mise en œuvre du multiplexage spatial.
Cette solution est très onéreuse à installer et à exploiter dans les réseaux de longues distances [1]. L’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) est un multiplexage efficace face à la dispersion [6] et très flexible qui permet une optimisation du spectre [3]. L’emploi de l’OFDM pour les transmissions de longues distances est réalisable en utilisant aussi bien une détection directe que cohérente [4-6].
L’augmentation exponentielle du trafic internet [7] justifie pleinement l’utilisation du multiplexage par longueur d’onde (WDM) et qui permet au réseau de tendre vers le toutoptique en intégrant des compensateurs de dispersion, des amplificateurs, des isolateurs et des filtres, un codage avancé, un correcteur d’erreurs et une détection cohérente [8-11] sans contrainte de conversion électrique sur de très grandes distances. Le multiplexage par longueur d’onde augmente la capacité en bande passante et permet de couvrir la demande exponentielle de débits tandis que les réseaux optiques SONET /SDH favorisent la mise en place de fonctionnalités intelligentes d’agrégation telles que les multiplexeurs à insertion-extraction OADM/ROADM (Optical Add/Drop Multiplexer /Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer). Pour véhiculer un trafic internet aussi important, les câbles sous-marins sont largement utilisés.
Les réseaux métropolitains
Le réseau métropolitain est à cheval entre le réseau de longue distance et le réseau d’accès ; il s’étend sur quelques centaines de kilomètres en épousant une architecture en boucle sur laquelle sont installés les centraux et nœuds optiques pour assurer la sécurité du trafic. La topologie en étoile peut être utilisée dans cette partie du réseau pour prendre en compte les aspects liés à l’accès et à la priorisation du transport de données [13]. Ce type d’architecture simplifie le routage des données mais il est fragile car dépendant fortement des nœuds centraux. La topologie hybride anneau-étoile permet de fluidifier le trafic dans le réseau métropolitain et de pouvoir tirer profit des technologies et des capacités véhiculées par le réseau de longue distance [14-15]. Contrairement aux réseaux de longues distances réalisés par des investissements stratégiques à long terme, les réseaux métropolitains doivent avoir une architecture rentable du fait que le coût du réseau est divisé par un nombre restreint de clients [16]. Ainsi, les réseaux métropolitains doivent prendre en compte les contraintes liées à l’espace, à la consommation d’énergie et à la fluctuation des flux de trafic et être capables de véhiculer plusieurs types de trafic.
Dans cette partie du réseau de télécommunication, le multiplexage temporel a longtemps été utilisé sur les réseaux adossés au standard SONET/SDH (SONET:Synchronous Optical Network) (SDH :Synchronous Digital Hierarchy) et a migré vers le multiplexage par longueur d’onde pour fournir des débits plus importants en s’appuyant sur une grande diversité de technologies telles que l’ATM (Asynchronous Transfer Mode), Ethernet, MPLS( MultiProtocol Label Switching) et l’IP (Internet Protocol). Les réseaux de standard SONET/SDH, à l’origine, nécessitaient une conversion optique/électrique/optique (O/E/O) aux nœuds constitués de multiplexeurs à insertion et extraction (ADM) et de répartiteurs numériques pour connecter les liens adjacents. Le trafic était véhiculé par une longueur d’onde par fibre, la transmission est qualifiée de monocanal et d’opaque (non transparent) [17]. La conversion O/E/O est à bannir car elle augmente le coût du réseau, la consommation d’énergie et le temps de transfert des données faisant la part belle à la latence.
Les réseaux métropolitains de nouvelle génération utilisent, entre autres, des multiplexeurs à insertion/extraction optiques reconfigurables qui favorisent la flexibilité et la commutation dynamique du trafic [18]. Avec la demande exponentielle en bande passante, le code OOK (On and Off Keying) ou (NRZ) a passé la main aux codages avancés à l’image du DPSK (Differential Phase Shift Keying) ou du DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) plus aptes à porter le très haut débit.
La détection cohérente, l’amplification, le CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) et le DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) sont le plus souvent utilisés dans ce segment du réseau optique pour augmenter la portée et le débit. Les réseaux métropolitains transparents WDM sont soumis à plusieurs pénalités [19-20] telles que :
❖ le bruit des amplificateurs optiques ;
❖ la distorsion due à la concaténation du filtre limitant la distance entre les nœuds et leur nombre dans le réseau ;
❖ la dispersion chromatique ;
❖ la diaphonie linéaire due à la sélectivité finie des fonctions d’ajout et de suppression.
Dans le contexte du Burkina Faso, d’après le rapport de l’ARCEP 2018 (Autorité de Régulation des Communications Electroniques et des Postes) [21], le réseau métropolitain est occupé par trois entités dont les noms suivent, se partageant le réseau optique national :
❖ l’Etat Burkinabè ;
❖ l’opérateur historique Onatel-sa ;
❖ l’opérateur Orange-Burkina.
La contribution de l’Etat Burkinabè et de ses partenaires
Le Burkina Faso, avec une superficie de 274 200 km², est organisé administrativement en treize (13) régions et chaque région est constituée d’un ensemble de provinces. Le nombre total de provinces est de quarante-cinq (45). La province est subdivisée en départements. Le département est formé par un ensemble de villages. Dans le cadre de la décentralisation, le Burkina Faso a mis en place les collectivités locales que sont les régions et les communes. Les communes urbaines et rurales sont au nombre de trois cent cinquante (350). Pour favoriser la connectivité du pays, l’Etat conduit trois projets pour contribuer au maillage du territoire (Figure 1-1). Au titre du PRICAO-BF (Projet Régional d’Infrastructures Composante de l’Afrique de l’Ouest du Burkina Faso) sur financement de la Banque Mondiale, la réalisation d’une liaison fibre optique qui relie Ouagadougou à la frontière du Ghana avec une bretelle de Manga à Bagrépôle sur une longueur de 305 km. Un financement additionnel du PRICAO-BF, pour la réalisation pour la période 2019-2020 de 180 km de fibres optiques allant de Fada jusqu’à la frontière avec le Bénin et d’une portion de 25 km de Dindéogo jusqu’à Zabré.
Le réseau du projet backbone phase 1 est le prolongement du PRICAO-BF, et est en cours de réalisation pour une longueur de 2001 km. Ces deux projets ont été conduits par la Direction Générale des Infrastructures des Communications Electroniques (DGICE) qui est le bras armé du Ministère des Postes et des Technologies de l’Information et de la Communication (MPTIC) pour la réalisation des travaux. Le projet GCloud de l’Agence Nationale de Promotion des TIC (ANPTIC) est en cours de construction et devrait compter 650 km de fibre optique en interurbain (Ouagadougou-YakoOuahigouya-Tougan-Dédougou-Bobo-Dioulasso, Bagré-Bakwu (Ghana)). A terme, si les projets sont conformes aux projections, les efforts de l’Etat et de ses partenaires devraient permettre de réaliser une longueur totale de 3161 km.
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Table des matières
Introduction générale
Contribution de la thèse
Organisation de la thèse
1 Chapitre 1 : Etat des lieux
1.1 La topologie des réseaux de télécommunication optique
1.1.1 Les réseaux de longue distance ou réseaux cœurs
1.1.2 Les réseaux métropolitains
1.1.3 Les réseaux d’accès
1.2 Les technologies FTTx
1.2.1 Les architectures existantes
1.3 Les techniques de multiplexage et d’accès
1.3.1 TDM/TDMA
1.3.2 FDM/FDMA
1.3.3 WDM/WDMA
1.4 Conclusion
2 Chapitre 2 : La chaîne de transmission
2.1 Le bloc émetteur
2.1.1 Les sources lumineuses
2.1.2 Les diodes électroluminescentes (DEL)
2.1.3 Les Diodes Lasers (DL)
2.2 Le canal de transmission
2.2.1 Les différents types de fibres optiques
2.2.2 Les caractéristiques de la fibre
2.2.3 Les composants passifs
2.2.4 Les composants actifs
2.3 Le bloc récepteur
2.3.1 Les photodiodes
2.3.2 L’amplificateur électrique
2.3.3 Le filtre de réception
2.3.4 Le circuit de décision
2.3.5 Le circuit de récupération d’horloge
2.4 La détection directe
2.5 La détection cohérente
2.6 Etude comparative entre les détections directe et cohérente (hétérodyne)
2.7 L’amplification d’une photodiode PIN
2.8 Exemples d’émetteurs et de récepteurs optiques : les transceivers SFF et SFP
3 Chapitre 3 Apports des nœuds de réseaux optiques à l’accès universel, modulations et points d’évanouissement du signal
3.1 L’accès universel
3.2 Les nœuds de réseau
3.2.1 L’OADM
3.2.2 Le ROADM
3.3 Les stratégies et la conception de réseaux de transmission nationale à fibre optique pour l’accès universel
3.3.1 Les stratégies
3.3.2 La conception du réseau de transmission nationale à fibres optiques
3.4 Etude de cas
3.5 Etude comparative des solutions proposées
3.6 Le Taux d’Erreur Binaire (TEB) : (BER : Bit Error Rate)
3.7 Le facteur de qualité Q
3.8 Le rapport signal sur bruit (SNR : Signal to Noise Ratio)
3.9 La limite quantique de la puissance
3.10 Le bilan de liaison
3.11 Modulations et points d’évanouissement
3.11.1 La modulation directe ou interne
3.11.2 La modulation externe
3.11.3 Le chirp dans les sources optiques
3.11.4 Le chirp dans les modulateurs électro-absorbants
3.11.5 Le chirp dans la fibre optique
3.11.6 Le code NRZ
3.11.7 Le code QPSK
3.11.8 La co-simulation OptiSystem- Matlab
3.11.9 Les caractéristiques d’une liaison optique
Les caractéristiques d’une liaison optique sont synthétisées dans le tableau suivant
3.11.10 Les résultats obtenus
3.11.11 Discussion
3.11.12 Conclusion
4 Chapitre 4 : les systèmes de communications optiques en espace libre
4.1 Les différentes architectures de systèmes de communications optiques en espace libre
4.2 L’émetteur FSOW
4.2.1 Les diodes électroluminescentes (DEL)
4.2.2 Les VCSEL
4.2.3 Les diodes Laser
4.3 La modulation
4.3.1 La modulation PPM
4.3.2 La modulation MPPM
4.4 Le canal de transmission ou l’atmosphère
4.4.1 L’absorption
4.4.2 La diffusion de Rayleigh
4.4.3 La diffusion de Mie
4.4.4 La diffraction
4.4.5 La turbulence atmosphérique
4.5 Le récepteur FSOW
4.5.1 Les photodétecteurs
4.5.2 Les techniques de détection
4.6 Les bases de la diversité coopérative
4.7 Architecture des FSOW avec relais
4.7.1 Les résultats des simulations et l’analyse
4.8 L’architecture des réseaux FSPON
4.9 Les simulations réalisées
4.10 Conclusion
Conclusion générale
