Le réseau local domestique (RLD)

Le réseau local domestique (RLD)

La notion de réseau structuré au sein de l’habitation est récente, il constitue le dernier « maillon » manquant entre le réseau d’accès de l’opérateur de télécommunications et les terminaux de l’utilisateur. Il représente un enjeu important dans l’acheminement des services, d’autant plus que le RLD est la seule partie du réseau vue par le client. Il doit répondre à des contraintes spécifiques en termes d’architecture, de débit, de portée et d’hétérogénéité tout en restant simple d’installation et d’utilisation par le client.

L’arrivée de la fibre avec les déploiements FTTH (Fibre To The Home) va en effet stimuler la montée en débit des applications domestiques [1]. D’autres facteurs vont également motiver cette demande croissante en termes de débit dans l’habitat : le passage du triple-play (internet, TV, voix) au multi-play, l’évolution des usages (plusieurs membres d’une famille sont susceptibles de se connecter simultanément), la prolifération des terminaux connectés (console de jeux, smartphones, PC,…) ou encore l’enrichissement des contenus (passage au mode haute définition (HD), apparition de la 3D,…). Le réseau domestique devra donc pouvoir transporter et garantir la qualité de service (QoS) sur un nombre croissant de services, sous peine d’être un « goulot d’étranglement ». Au-delà des objectifs de débits, le réseau domestique doit également être simple pour l’utilisateur (installation, connexion d’un équipement, maintenance, …) et garantir une couverture en très haut débit partout dans la maison.

Une des caractéristiques du RLD réside dans la grande variété des signaux qu’il doit véhiculer, issus du monde des télécommunications, de celui du « consumer electronics » et de l’informatique. Ce dernier est en forte mouvance, avec des interfaces multiples. L’interface Ethernet, par exemple, pénètre cet univers, avec tout son poids, créant un pont entre les télécommunications, l’informatique et bientôt l’audiovisuel. La convergence vers un format unique n’est pas non plus achevée pour les services de distribution des programmes télévisuels, qui peuvent être véhiculés sous forme radiofréquence (RF) via le réseau hertzien ou par le satellite, ou sous IP (Internet Protocol) au travers du réseau d’accès. A ce paysage viennent s’ajouter les signaux liés à la connectivité finale wireless ou sans fil : la montée en fréquence des porteuses radio, réduisant la portée des liaisons, ainsi que des contraintes d’émission à puissance réduite gênera l’acheminement des communications, en particulier au travers des murs de l’habitation. Cela impliquera la mise en place d’antennes déportées qu’il faudra relier entre elles. L’interconnexion de ces antennes, si elle se fait au format natif pour conserver la transparence aux protocoles utilisés, nécessite le transport de signaux radio, avec des spécifications encore différentes.

Des services pour la maison

Un réseau domestique est nécessaire tout d’abord pour acheminer les services portés par des signaux, de type numérique, intégrables sous Ethernet/IP. Ces signaux correspondent aux transferts de fichiers (locaux ou distants), à la consultation d’informations sur le web incluant les téléchargements, et aux services temps réel tels que l’image (TV sur IP par exemple) ou les services vocaux. Le RLD doit également véhiculer des signaux numériques non intégrables sous Ethernet/IP tels que les signaux HDMI (High-Definition Multimedia Interface), SDI (Serial Digital Interface) et DVI (Digital Visual Interface) portant des services multimédias. Ces liaisons sont aujourd’hui courantes entre une télévision et les divers périphériques associés (système home cinema, console de jeux, disque dur multimédia, lecteur de DVD ou de Blu-ray et même PC). Il faut également prendre en compte une autre catégorie de signaux, vus sous l’angle transmission comme des signaux analogiques, que les informations véhiculées par ces signaux soient à la base numériques ou analogiques. Parmi ceux-ci figurent les signaux liés à la diffusion des programmes TV. On peut également citer pour exemple la transmission des signaux radio qui vont alimenter les bornes d’émission situées dans les pièces de la maison, afin de permettre une connectivité finale sans fil.

Cette « liste » des services, portés par des signaux de format différents, n’est pas exhaustive. La plupart de ces services existent aujourd’hui dans la maison et sont véhiculés sur des réseaux, ou des segments de réseaux dédiés, sur des supports différents. Cette multitude de « sous-réseaux » s’accroîtra avec la venue de futurs services et provoquera rapidement une situation inacceptable. L’objectif de cette thèse est alors de proposer une solution permettant l’unification de tous les réseaux existants aujourd’hui dans la maison .

La sphère domestique : un contexte particulier

Le RLD appartient à un contexte spécifique par rapport aux autres types de réseaux existants. L’opérateur historique français de télécommunications dispose de différents types de réseaux interconnectés. Le réseau de transport, dorsale du système, s’étend à l’échelle nationale. Il est principalement constitué de liaisons point à point. A ce dernier est connecté le réseau de collecte, ou métropolitain, qui distribue les données à l’échelle régionale. C’est un réseau généralement maillé ou en anneau. Enfin, le réseau d’accès, étendu à l’échelle locale, constitue les derniers kilomètres du réseau de l’opérateur et relie les clients au fournisseur d’accès aux services. Sa topologie est du type point à multipoint. Chaque partie du réseau de l’opérateur possède une configuration et une topologie propres, fonctions de sa spécificité. Quant au futur RLD, il devra être structuré de manière à véhiculer un trafic interne et à faire face à l’interconnexion en forte croissance des équipements dans la maison. Ce réseau devra permettre la superposition simultanée de toutes les topologies nécessaires aux différents services. Le RLD ne devra donc pas être considéré uniquement comme le prolongement du réseau d’accès de l’opérateur mais aussi comme un réseau sur lequel le client, qui a investi dans son infrastructure, pourra véhiculer ses propres services. Il n’existe pas d’autres types de réseau ayant ces spécificités. Sa structure doit permettre de distribuer simultanément tous les services quel que soit le format des signaux qui les porte et leur débit.

Pour faire face aux débits élevés envisagés, l’installation d’un câblage optique au sein de l’habitat, combiné à une technologie de connectivité finale très haut débit, représente une solution à long terme et fiable. D’autres technologies permettent déjà d’apporter une première solution pour distribuer les services existants aujourd’hui. Ces technologies peuvent être séduisantes, soit parce qu’elles n’impliquent pas de nouveau câblage (courants porteurs en ligne (CPL), radio, optique sans fil), soit par leur prix parce qu’elles sont suffisamment répandues. Elles constituent un obstacle à l’introduction de l’optique résidentielle, nécessitant un nouvel investissement, et la hauteur de cet obstacle dépendra des limites éventuelles de ces technologies en termes de performances, en fonction de l’évolution des exigences de capacité liées à l’apparition de nouveaux services.

La solution à base de fibre implique un nouveau câblage, et est souvent considérée comme un support présentant un coût d’installation et de fabrication élevé. Il faut toutefois nuancer ce dernier point : certaines technologies optiques, à base de fibres polymères par exemple, sont déjà commercialisées à faible coût. Parmi les technologies optiques disponibles, aucune ne peut aujourd’hui s’imposer comme « la » solution pour le contexte résidentiel, ce qui maintient le doute sur le bon choix à effectuer. Elles représentent toutes des compromis différents en termes de performances, coût, facilité de mise en œuvre et pérennité. De toutes ces possibilités, celles qui apparaissent comme les plus pertinentes ont été dégagées, avant ce travail de thèse, par l’équipe d’Orange Labs. Nous verrons, par la suite, que cette thèse vise à explorer deux de ces solutions.

Nous avons déjà constaté que l’augmentation du débit n’est pas l’unique challenge du RLD car l’hétérogénéité des signaux portant les différents services est aussi un problème majeur. Les différents services portés par ce réseau peuvent alors se présenter sous des formats de données différents et incompatibles, et utiliser des topologies également différentes avec des mécanismes de partage d’accès variés, comme cela a été évoqué dans la section précédente. Il faut alors combiner tous les types de signaux puis les transporter simultanément sur la fibre. Une première technique consiste à multiplexer électriquement tous ces signaux avant de moduler une porteuse optique. Cette technique, proposée comme solution à court et moyen terme, montrera rapidement ses limites [1]. D’une part, un recouvrement spectral peut apparaître entre des signaux de services différents (entre des signaux Gbit-Ethernet et de TV TNT par exemple) et, d’autre part, les exigences en termes de bande passante et de linéarité de la liaison peuvent constituer un obstacle dès que le multiplex contient un nombre important de signaux.

Puisque le support de transmission est optique, le multiplexage peut être effectué dans le domaine de l’optique en ayant recours à la technologie de multiplexage en longueur d’onde. Cette technique permet d’accroître les performances d’un réseau existant, sans fibre additionnelle. En effet, sa capacité est démultipliée par le nombre de longueurs d’onde utilisées. Par l’ajout de nouvelles longueurs d’onde, de nouveaux services peuvent être véhiculés sur le réseau, sans modification de sa structure. De même, des services peuvent être supprimés, ou l’allocation des longueurs d’onde aux différents services peut être reconfigurée. Cette technologie WDM apporte une grande flexibilité au réseau, assurant ainsi sa pérennité. Chaque longueur d’onde λi du système représente un canal de transmission optique, chaque canal se propageant indépendamment et sans interaction avec les autres canaux présents dans la fibre. Toutes les porteuses optiques peuvent alors porter des signaux électriques de format différent.

Le standard DWDM (Dense WDM) définit un espacement maximal de 0,8 nm entre canaux et permet la transmission simultanée de nombreuses longueurs d’onde. Le système DWDM est à haute capacité mais il est plus coûteux que le système CWDM (Coarse WDM). Ce dernier tolère un espacement plus grand entre les canaux (20 nm). L’espace entre canaux dépendra en pratique de la largeur spectrale de la source utilisée et de la bande passante de la fibre. Les premiers réseaux WDM n’utilisaient que deux longueurs d’onde, proches de 1,3 et 1,5 µm, sur fibre monomode. Aujourd’hui, les systèmes WDM, sur fibre monomode, peuvent utiliser simultanément 16, 32, 64 ou 128 longueurs d’onde réparties sur les deux fenêtres de longueurs d’onde télécoms autour de 1,3 et 1,5 µm.

Les briques de base pour le réseau local domestique

La fonction principale d’un réseau est le transport d’informations entre périphériques. Dans notre étude, la fibre optique a été retenue comme support de transmission. La première section sera alors consacrée aux différentes technologies de fibres éligibles pour le RLD. L’infrastructure du réseau WDM intègre également des fonctions passives pour le multiplexage et le démultiplexage des signaux optiques. La deuxième section présentera les composants utilisés pour réaliser ces fonctions : les coupleurs et les filtres. Les composants d’émission et de réception seront enfin présentés. Différents types de source optique émettant à différentes longueurs d’onde peuvent être utilisés avec les fibres retenues pour le RLD. Enfin, les récepteurs associés, ainsi que les matériaux les constituant seront succinctement évoqués, leur étude ne constituant pas un point essentiel de ce travail de thèse.

Les technologies de fibres éligibles

Il existe deux principales technologies de fibre optique pour les télécommunications : les fibres monomode (SMF, singlemode fibre) et multimode (MMF, multimode fibre). La solution préconisée pour la réalisation d’une première version du RLD multiformat, avant le début de cette thèse, a été la fibre monomode [3]. Cette solution a été choisie non seulement parce qu’elle présente des caractéristiques optiques très intéressantes (faible atténuation, bande passante quasi-illimitée à l’échelle résidentielle) mais en plus elle utilise des composants actifs et passifs disponibles et arrivés à la maturité technologique pour la plupart (sources lasers, filtres, coupleurs…). Cette solution a donc été la plus facile à mettre en œuvre, dans un premier temps en laboratoire, pour démontrer la faisabilité et la pertinence d’une structure unique pour un réseau domestique multiformat et haut débit. Elle souffre néanmoins de deux inconvénients majeurs pour un déploiement dans la maison. D’une part, le faible diamètre de cœur de la fibre monomode impose des contraintes fortes d’alignement dans le processus de connectorisation et donc un savoir-faire et un outillage particulier. D’autre part, le coût des systèmes pour fibre monomode demeure élevé, notamment de par la technologie utilisée pour la réalisation des composants actifs, ce qui ne la destine pas a priori aux applications résidentielles. L’autre solution, la fibre multimode, permet d’accroître les tolérances sur les contraintes des connexions en raison du plus grand diamètre du cœur. Cela influe favorablement sur les coûts de connectorisation, avantage auquel s’ajoute un coût des systèmes significativement inférieur, la fibre multimode travaillant généralement dans la fenêtre de longueurs d’onde autour de 0,8 µm avec des composants utilisant la technologie relativement bon marché du silicium. Trois types de fibre multimode, pouvant a priori répondre à la problématique du RLD, ont été identifiés. Ces fibres diffèrent par le matériau qui les constitue : une est constituée de silice, comme la précédente fibre monomode, les deux autres sont composées de polymères. Les fibres multimodes silice ou plastique peuvent être réalisées avec une structure à saut ou à gradient d’indice. Cette dernière structure aboutit à un moindre étalement temporel du signal comparativement à la structure à saut d’indice, elle impose par contre une plus grande difficulté de réalisation. Ces fibres MMF présentent une dispersion modale qui limite le débit maximal transmissible. Pour augmenter ce débit, une solution consiste à réduire le diamètre de cœur dans le cas des fibres à saut d’indice. Dans ce cas, on diminue les tolérances de centrage de la connectique ce qui impacte sur les possibilités de réalisation de type DIY (Do-It-Yourself) d’une installation domestique.

Le principal avantage des fibres multimodes silice et plastique, par rapport à la fibre monomode, réside dans leur diamètre de cœur important. Cela a pour conséquence favorable, entre autres, de pouvoir utiliser des sources bas coût comme les diodes électroluminescentes (DEL), dont le diagramme de rayonnement largement ouvert est compatible avec l’ouverture numérique de la fibre multimode. Des fenêtres de travail pour ces fibres sont dans le spectre du visible (400 à 700 nm) et autour de 850 nm, correspondant à des photodétecteurs à faible coût. Cet avantage a cependant des contreparties : les DEL ont des vitesses de modulation très limitées, ce qui conduit à utiliser des sources plus performantes, du type laser Fabry-Pérot (FP) ou VCSEL (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser). Il faut également noter que les systèmes bas coût à 850 nm ne sont pas ceux qui présentent les meilleures performances. En effet, à diamètre égal, une fibre multimode supporte plus de modes à 850 nm qu’à 1300 nm. La dispersion modale dégrade donc davantage la bande passante à 850 nm. Même si les fibres multimodes utilisées sont essentiellement à gradient d’indice pour limiter ces dégradations, les performances restent bien en deçà de celles des fibres monomodes.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : LE CONTEXTE DE L’ETUDE
I. Introduction
II. Le réseau local domestique (RLD)
II.A. Des services pour la maison
II.B. La sphère domestique : un contexte particulier
III. Les briques de base pour le réseau local domestique
III.A. Introduction
III.B. Les technologies de fibres éligibles
III.C. Les fonctions passives
III.C.1. Le couplage
III.C.1.a. Les techniques de fabrication du coupleur 2×2 à base de fibre
III.C.1.a.i. Le coupleur à abrasion – collage
III.C.1.a.ii. Le coupleur à fusion – étirage
III.C.1.b. Le coupleur N×N
III.C.1.c. Des définitions
III.C.2. Le filtrage
III.C.2.a. Les composants pour le filtrage des longueurs d’onde
III.C.2.b. Le filtre de type OADM
III.D. Les fonctions actives
III.D.1. Les types de sources
III.D.1.a. La diode électroluminescente (DEL)
III.D.1.b. Le laser Fabry-Pérot (FP)
III.D.1.c. Le laser distributed feedback (DFB)
III.D.1.d. Le laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL)
III.D.2. Le récepteur
IV. Les architectures identifiées pour le RLD
IV.A. L’étoile active monoformat
IV.B. L’étoile active multiformat
IV.C. L’étoile passive multiformat : architecture cible « Broadcast & Select CWDM»
IV.C.1. La description de l’architecture
IV.C.2. Les différentes topologies
IV.C.2.a. Le lien point à point
IV.C.2.b. La topologie en anneau
IV.C.2.c. Le lien point à multipoint
IV.C.2.d. Le lien multipoint à multipoint
IV.C.3. La topologie pour la distribution des services de base
IV.C.3.a. L’architecture « PON – like »
IV.C.3.b. L’architecture « LAN – like »
IV.C.4. L’architecture cible « Broadcast & Select CWDM »
V. Les combinaisons architecture – fibre
V.A. Une migration progressive entre les architectures
V.B. La fibre plastique pour une architecture simple
V.C. La fibre silice pour une architecture évoluée
VI. Conclusion
CHAPITRE 2 : ARCHITECTURES BASEES SUR LA FIBRE MULTIMODE PLASTIQUE : EXPERIMENTATIONS
I. Introduction
II. La fibre plastique
II.A. Le matériau PMMA
II.B. Les profils d’indice et la géométrie de la fibre
II.C. L’atténuation des fibres plastiques
II.C.1. La procédure de mesure de l’atténuation
II.C.2. La fibre PMMA à saut d’indice
II.C.3. La fibre PMMA à gradient d’indice
II.C.4. La fibre PMMA multi-cœur
II.D. L’état de l’art
II.D.1. Le marché
II.D.2. L’intérêt pour le RLD
II.D.3. Les performances
III. Le WDM sur fibre plastique
III.A. L’état de l’art
III.A.1. Les travaux issus du domaine automobile
III.A.2. Les premières études pour le RLD
III.B. La structure de la liaison WDM sur FOP étudiée
IV. Les briques de base de la liaison WDM sur FOP
IV.A. L’infrastructure
IV.A.1. Le couplage
IV.A.2. Le filtrage
IV.A.3. La connectique
IV.A.3.a. Les premières manipulations de la fibre à gros cœur
IV.A.3.b. Les connexions bout-à-bout
IV.A.3.c. Des solutions pour diminuer les pertes
IV.A.3.c.i. Les liquides adaptateurs d’indice
IV.A.3.c.ii. Le polissage
IV.A.3.d. Les connecteurs
IV.A.3.d.i. Les connecteurs fixés sur les composants d’extrémité
Le connecteur de Diemount
Le connecteur Optolock
IV.A.3.d.ii. Les connecteurs fixés sur la fibre
Les connecteurs F-ST, F-SMA et F-SC
Le connecteur F-05 de Ratioplast
IV.B. Les composants actifs : les sources optiques
IV.B.1. Les diodes électroluminescentes (DEL)
IV.B.1.a. Les DEL de marque Diemount, avec pigtail
IV.B.1.b. Les DEL des media-converters Ethernet de marque Diemount
IV.B.1.c. Les DEL du système éducatif Optoteach
IV.B.1.d. Les DEL insérées dans des modules SFP
V. Le bilan de liaison WDM sur fibre plastique
V.A. Le multiplexage à base de coupleurs et de filtres
V.B. D’autres structures pour la fonction de multiplexage
VI. Une alternative : la fibre en polymère perfluoré
VII. Conclusions et perspectives
CHAPITRE 3 : ARCHITECTURES BASEES SUR LA FIBRE MULTIMODE SILICE : EXPERIMENTATIONS
I. Introduction
II. L’étoile passive multiformat implémentée
II.A. La structure
II.B. Les composants
III. Les services mis en œuvre
III.A. Les services encapsulables sous Ethernet ou IP
III.A.1. La solution basée sur le PON
III.A.2. La solution issue des LAN
III.B. Des services spécifiques supplémentaires
III.B.1. L’échange de données sur liaison point à point Gbit-Ethernet
III.B.2. La diffusion de fichiers multimédias sur liaison vidéo SDI
III.B.3. La diffusion de signaux télévisés TNT
III.C. Le réseau local domestique implémenté
IV. Les résultats
IV.A. Les caractérisations des composants
IV.A.1. Le plan d’onde
IV.A.2. Les filtres
IV.A.3. Le coupleur 8×8
IV.A.3.a. Les sources multimodes à 850 et 1300 nm
IV.A.3.b. La source monomode à 1310 nm
IV.A.3.c. La source monomode et « multimode » à 1270 et à 1290 nm
IV.A.3.d. Les sources monomodes à 1330 et 1350 nm
IV.A.3.e. La source de type DFB « multimode » à 1370 nm
IV.A.3.f. La source monomode à 1510 nm
IV.A.3.g. L’uniformité du coupleur
IV.B. Les bilans de liaison
V. Des techniques d’amélioration de l’uniformité du coupleur
V.A. La fibre à conditionnement de modes
V.B. Le brassage des modes
VI. Conclusions et discussion
CHAPITRE 4 : ARCHITECTURES BASEES SUR LA FIBRE MULTIMODE SILICE : MODELISATION ET SIMULATION
I. Introduction
II. La propagation dans la fibre multimode
II.A. Les modes guidés de la fibre multimode
II.A.1. La résolution de l’équation d’onde
II.A.2. Le nombre de modes
II.A.3. Les groupes de modes
II.A.4. Le couplage entre modes
II.A.5. L’approximation de l’optique géométrique
II.B. La propagation des champs dans la fibre
II.C. Les premières simulations
II.C.1. La méthode du faisceau propagé (BPM)
II.C.2. Le calcul des modes
II.C.3. La propagation d’un champ
II.D. La décomposition modale
III. La modélisation du coupleur 2×2 en fibre multimode
III.A. Le composant basé sur la technologie fusion – étirage
III.B. Le composant basé sur la technologie abrasion – collage
III.C. Le modèle du coupleur 2×2 à abrasion – collage
III.C.1. Les caractéristiques du modèle créé
III.C.2. L’injection d’un champ émulant une source multimode
III.C.3. L’optimisation des paramètres de simulation
III.C.4. L’optimisation des paramètres géométriques
III.D. Les matrices de transfert modal du coupleur
III.D.1. Le comportement modal du modèle
III.D.2. La création des matrices de transfert modal
III.D.3. La comparaison des résultats issus des deux méthodes
IV. La modélisation de la source de type laser
IV.A. Les faisceaux gaussiens
IV.B. Les faisceaux modélisant les sources laser réelles
IV.B.1. La diode laser émettant par la tranche
IV.B.1.a. Le laser Fabry-Pérot (FP)
IV.B.1.b. Le laser distributed feedback (DFB)
IV.B.2. La diode laser émettant par la surface (VCSEL)
IV.C. L’injection d’un faisceau dans la fibre multimode
IV.C.1. Les standards d’injection
IV.C.1.a. L’injection en mode saturé ou OverFilled Launch (OFL)
IV.C.1.b. L’injection en mode réduit ou Restricted Mode Launch (RML)
IV.C.2. L’injection dans la fibre multimode
IV.D. La cartographie des modes excités à l’entrée de la fibre
IV.D.1. Le champ uniforme, à base circulaire
IV.D.2. Le champ gaussien, à base circulaire
IV.D.3. Le champ gaussien, à base elliptique
IV.D.4. Le champ annulaire, à base circulaire
V. L’étude du comportement du coupleur 2×2 soumis à des champs de sources réelles
V.A. L’algorithme de calcul
V.B. Le champ gaussien à base circulaire
V.C. Le champ gaussien à base elliptique
V.D. Le champ annulaire à base circulaire
V.E. Discussion
VI. La généralisation au coupleur étoile N×N
CONCLUSION

Lire le rapport complet