Stratégies Télécoms & Multimédia

Le réseau à grande distance utilise aujourd’hui largement la fibre optique et l’effort en R&D s’est orienté vers le concept d’un réseau d’accès optique commuté (Access Switched Optical Network, ou ASON). Le déploiement de la fibre optique dans le réseau de distribution est coûteux et différentes techniques permettent d’en mutualiser les ressources. On distingue trois technologies principales.

• Les systèmes optiques passifs (PON) mettent en jeu des équipements sans composants électroniques actifs entre le central et l’utilisateur.

• Les réseaux câblés HFC (voir DT N° 05), qui associent le coaxial et la fibre optique (norme DOCSIS), appartiennent à la technologie des systèmes optiques actifs (AON).

• La technologie Ethernet d’égal à égal (EP2P) est également déployée, en concurrence à d’autres avancées techniques.

1 – La technique optique fibre PON

Les réseaux passifs de distribution comprennent les technologies en cuivre (ADSL, VDSL) et celles des PON optiques (A, E, G–PON). La fibre peut être prolongée par des paires de cuivre (technique FTTH en VDSL-2) pour apporter les débits nécessaires jusqu’au domicile de l’utilisateur ou l’entreprise (100 Mbit/s symétriques, avec moins de 100 m de paires de cuivre, voir DT N° 03). La mise au point de la télévision numérique à haute définition a conduit à accélérer l’effort d’équipement en fibre optique du réseau de distribution.

La technique PON permet de réduire l’investissement en fibre, en répéteurs et en terminaux de ligne. Un coupleur passif, situé à moins de 20 km de l’OLT du Central, permet de diviser et d’agréger les flux vers un nombre d’ONT qui peut atteindre 32 ou 64 dans les techniques actuelles. La procédure de réglage (ou "ranging") permet d’affecter à tous les ONT d’une "poche d’abonnés" le même temps de retard, qui est rendu égal au plus long retard répertorié dans la poche d’abonnés considérée. Le budget optique (ou gamme d’affaiblissement optique tolérée) détermine la classe de réseau (A, B ou C, par tranches de 15 dB, à compter de 5, 10 ou 15 dB).

En architecture point à multipoint, la technique en fibre optique PON permet de distribuer à tous les abonnés du secteur géographique considéré un flux descendant sur une longueur d’onde et de faire remonter vers le réseau les flux des abonnés sur une autre longueur d’onde. L’allocation dynamique du trafic (Dynamic Bandwith Allocation) transmis en rafales (bursty traffic) est une caractéristique des PON exploités en point à multipoint. Au central et chez l’abonné, ce sont des équipements réglables et bon marché qui ajustent les longueurs d’onde d’émission et de réception des signaux. Les flux montant et descendant de chaque OLT situés au Central sont asymétriques. Ils exploitent des longueurs d’onde différentes (1 500 nm pour le flux descendant et 1 310 nm pour le flux montant) d’une même fibre (deux fibres différentes peuvent aussi être utilisées).

Dans le sens descendant, les paquets d’informations sont diffusés à tous les ONT, les trames 802.3 étant sélectionnées en fonction de leur adresse par le récepteur. Dans le sens montant, chaque ONT utilise à l’émission un procédé d’accès multiple à répartition dans le temps (TDMA) de sorte que sont évités les collisions, la fragmentation, et l’accès aléatoire. Les en-têtes de paquets permettent d’identifier l’expéditeur et le destinataire, ainsi que la longueur de paquets utilisée et la référence de temps. Pour conserver la confidentialité, à l’initialisation, l’OLT identifie chaque ONT avant de l’intégrer dans le multiplexage dans le temps et avant de l’autoriser à recevoir des données. En régime établi, un second niveau de protection est mis en place par chiffrement, grâce à une clé produite par l’ONT et transmise à l’OLT. L’allocation de débit se fait de façon statique (par configuration et attribution d’une taille fixe d’intervalle de temps) ou dynamique (à chaque trame ou par groupe de trames et attribution d’IT correspondants).

L’industrie réalise des coupleurs de un vers 2, 4, 8, 16, 32 ou 64 fibres à un niveau de prix qui va progressivement en décroissant. La distance est limitée par le budget optique qui lui même est fonction de la distance et du taux de couplage. Pour les résidentiels, le taux de couplage est élevé, alors que les distances sont faibles. Réciproquement, pour les professionnels, le taux de couplage est faible, mais les distances sont élevées. Ce montage est six fois moins coûteux que celui des techniques en paires de cuivre avec équipements actifs dont il faut de plus assurer la maintenance. Il faut compter environ 2,5 k€ au domicile de l’usager en achats d’équipements divers (et batterie d’alimentation) pour assurer la conversion optique électrique (soit le double du prix de l’ensemble d’équipements utilisés en ADSL), qui sont amortissables en cinq ans. Des exploitants des Etats-Unis proposent actuellement des poches de 32 abonnés (4 fois 8 branches) à 90 dollars par mois avec un contrat de quatre ans pour des débits duplex à 20 Mbit/s, ce qui est proche des offres commerciales en ADSL. Une troisième longueur d’onde peut être ajoutée sur les fibres pour les services de diffusion vidéo. Les topologies de distribution peuvent utiliser l’arbre, l’étoile et le bus. A titre d’exemple, 6 000 abonnés peuvent recevoir jusqu’à 155 Mbit/s en duplex symétrique par groupe de 32 abonnés éloignés de 23 km du central.

2 – Normalisation des PON

L’UIT-T a publié successivement les normes du A-PON, du B-PON et du G-PON. L’E-PON, qui résulte des travaux de l’IEEE 802.3, n’est lié qu’au transport Ethernet.

G.671 – Caractéristiques de transmission des composants optiques passifs
G.983.1 – APON Couche physique et couche de convergence de transmission.
G.983.2 – "ONT Management and Control Interface" (OMCI) – Interfaces de gestion
G.983.3 – Amélioration avec le WDM
G.983.dba – Allocation dynamique de débit
G.983.sur – Prolongation limitée du fonctionnement en cas de panne
G.983.re – Portée étendue
G.984 -1,2,3 - PON de débit Ethernet en Gigabit
G.984-5 – Bande améliorée pour le Gigabit OAN (Optical Access Network) avec filtrage Next Generation Access OLT en WDM
G.985 - Ethernet 100 Mbit/s en point à point optique

2.1 - Le A-PON
L’APON est issu des techniques PON associées à l’ATM. Il a ouvert la voie aux liaisons à 155/622 Mbit/s (sens descendant) et à 155 Mbit/s (sens montant) pour 32 abonnés. La solution APON demeure complexe et coûteuse. Elle ne peut pas offrir de services vidéo. Le débit est limité et la récupération d’horloge peut poser des difficultés.

2.2 – Le B-PON (BPON pour Broadband PON)
Cette évolution de l’A-PON, due au groupe de travail FSAN (Full Service Access Network) réunissant les industriels et les exploitants de ce domaine, est définie par les normes suivantes : G.983.1 et G.983.2 (avec trois classes de réseau A, B et C) ; G.983.3 pour les réseaux vidéo ; G.983.5 et G.983.6 pour la sécurisation ; G.983.4 et G.984.7 pour l’allocation dynamique. Les services vidéo utilisent le support d’une longueur d’onde dédiée.

2.3 - Le PON Ethernet (ou E-PON)
Le PON Ethernet focalise l’intérêt d’une centaine d’industriels au sein de l’Association EFM (Ethernet for the First Mile) et du groupe MEF (Metropolitan Ethernet Forum).

L’E-PON utilise un protocole Ethernet avec accès en CSMA/CA, avec couche physique et protocole MAC en exploitation point à multipoint. Deux couches physiques sont proposées pour des débits symétriques à 622 Mbit/s, qui correspondent à des portées de 10 ou de 20 km. Les données sont diffusées depuis l’OLT vers les ONU en paquets de 1 518 octets (IEEE802.3ah à 1,25 Gbit/s). Chacun des ONU ne prend en compte que les paquets qui le concerne. Le trafic montant utilise une répartition dans le temps (AMRT), en synchronisation avec les flux descendants. Le protocole DiffServ et la réservation de ressources permettent le transport de la voix et de la vidéo sur IP en temps réel. Les avantages du PON Ethernet peuvent être résumés ainsi :

• Les protocoles ATM et SDH ne sont plus nécessaires.
• Le raccordement E-PON peut évoluer facilement (de 1 Mbit/s à 155 Mbit/s).
• La sécurité est assurée en mode point-à-point par une relation entre LAN (VPN).
• L’E-PON permet de raccorder au Central jusqu’à 64 ONU par OLT sur une seule fibre pour un débit global pouvant atteindre un Gbit/s sur 20 à 60 km.

Le reproche adressé à l’E-PON concerne surtout l’absence de qualité de service de l’Ethernet. Les collisions éventuelles de l’Ethernet sur le réseau PON ne sont pas reportées au niveau de l’Ethernet. La technologie de l’Ethernet métropolitain suppose la disponibilité de fibres optiques entre sites administratifs ou industriels. Le cercle des utilisateurs d’affaires doit être ensuite élargi aux résidentiels en y adjoignant les connexions nécessaires vers les fournisseurs de services. Le E-PON représente pourtant une base installée importante actuellement (NTT estimé à 30 millions le nombre d’abonnés dans cette technologie en 2010).

2.4 – Le G-PON
Le G-PON (ou GigaPON) permet des débits symétriques ou asymétriques jusqu’à 2,5 Gbit/s et la mise en œuvre des services sur FTTH est définie par les normes G.984.1 (caractéristiques générales du G-PON), G.984.2 (couche physique PMD) et G.984.5 (couche de transmission). La Recommandation G.984.5 définit la gamme des longueurs d’onde réservées pour des signaux de services additionnels utilisables en technologie WDM (wavelength-division multiplexing) en G-PON. Le taux de couplage peut atteindre 64 et 128 abonnés et une clé de sécurité à 128 bits est utilisée dans le sens descendant.

2.5 – Comparaison des protocoles E-PON et G-PON



Le G-PON fonctionne en point à multipoint en Gigabit Ethernet dans le sens descendant et en point à point AMRT dans le sens montant. Les ONT reçoivent les informations de l’OLT seulement et ne peuvent pas communiquer directement entre eux. Les collisions éventuelles de messages sur le réseau partagé sont détectées par le protocole E-PON (c’est le rôle de l’en-tête LLID + CRC) et par le protocole G-PON (en-tête PLI+Port ID+HEC). Pour ces deux protocoles, les en-têtes de salves ne sont utilisés que dans le sens montant de transmission à des fins de synchronisation. Le débit utilisateur peut être renégocié en fonction de l’activité du réseau d’accès. Les en-têtes E-PON et G-PON sont utilisés dans les deux sens de transmission. Le G-PON prend en compte dans ces en-têtes, la gestion de la qualité des services, l’adressage des stations, la fragmentation des messages et des informations relatives à la taille de la charge utile transportée. Les performances plus larges en débit utilisateur et ses interfaces rendent le G-PON compatible avec les réalisations anciennes et avec l’Ethernet, le MIC et l’ATM. Le schéma ci-après montre que si l’E-PON n’est pas simplement de l’Ethernet, de son côté, le G-PON apporte plus de fonctionnalités (qualité de service définie, fragmentation des données, choix de services, attribution de priorité, etc.). Il est, de plus, plus facile à configurer, donc moins coûteux, par rapport à l’E-PON et il est compatible avec le B-PON.

2.6 – Applications des PON
L’offre de service triple (vidéo, voix et accès à Internet à haut débit) suppose que le réseau dispose de la capacité de distribuer la vidéo et la télévision numérique au moindre coût. Les technologies B-PON, E-PON et G-PON peuvent à cet effet utiliser un réseau en fréquence radio (RF Overlay) ou la télévision numérique sur IP (IPTV). Les deux méthodes peuvent être utilisées simultanément de façon à faciliter la migration vers l’IPTV.

RF Overlay : Le WDM permet d’utiliser une longueur d’onde à 1550 nm pour la diffusion vidéo, quel que soit son protocole.

IPTV : le flux vidéo en IP est transmis avec les données à haut débit d’Internet et il est converti par l’adaptateur télévisuel (set top box) chez l’utilisateur. La diffusion sélective est possible.

2.7 – Projet NGA
A partir du G-PON, les industriels et les exploitants du FSAN réfléchissent aux évolutions possibles de la distribution en fibre optique, sous le nom de « projet NGA » (Next Generation Access). Le débit et la portée peuvent être augmentés (10G-PON) tout en gardant l’architecture point à multipoint et le même nombre d’abonnés desservis par réseau ou, en acceptant des compromis, en portant le nombre d’éclatements à 1 024. Le WDM-PON jusque chez l’abonné est aussi envisagé par des exploitants qui ont déjà édifié des réseaux en B-PON ou en E-PON. Ces deux techniques pourraient donner lieu à normalisation en 2009 (G.984.5). Un 10 Gbit/s en E-PON peut aussi être réalisable (une fibre pour N+1 équipements optiques sans alimentation, avec diffusion descendante de programmes vidéo).

Le groupe de normalisation IEEE 802.3ah pour l’Ethernet a approuvé la norme du 10 Gbit/s valable sur des distances comprises entre 800 m et 45 km, mettant fin aux versions propriétaires qui s’étaient multipliées. Alors que Ethernet à un Gbit/s accepte fibre et câble coaxial, le nouvel Ethernet à 10 Gbit/s est exploitable seulement en mode duplex et seulement sur fibre optique, avec des modes d’exploitation et des interfaces particuliers en LAN et en WAN.

3 – Réseau HFC rénové (voir DT N°05)
Les réseaux hybrides qui associent la fibre optique à des câbles coaxiaux (HFC) constituent d’excellents supports pour la distribution de hauts débits par le jeu de la norme DOCSIS3.0. Numéricable (9,5 millions de prises installées en France) réhabilite ses infrastructures dans ce sens.

4 – Autres évolutions en cours

4.1 – Ethernet P2P (EP2P)
Des acteurs du réseau d’accès, dont Cisco et comme Iliad en France, déploient la technique EP2P ou E-FTTH (une architecture « Ethernet en Point à Point », selon le principe de l’Ethernet dans le premier km). Cette technologie serait plus coûteuse en exploitation, en énergie et en investissement (car il faut N fibres et 2N équipements pour N abonné). Mais, elle permet d’offrir des débits symétriques de l’ordre de 100 Mbit/s par abonné, (projet de norme G.985 : Optical Distribution Network, ODN en P2P sur une seule fibre bidirectionnelle, selon IEEE802.3-2000). Mais les tenants de la technologies G-PON répondent que la technologie Ethernet à 10 Gbit/s et le WDM pourront bientôt offrir les 100 Mbit/s aux abonnés G-PON, à meilleur coût, avec une seule fibre pour 16 ou 32 abonnés.



4.2 – La Fibre jusqu’au nœud distant (FTTRN)
Certaines parties du réseau de distribution commençant à être saturées en ADSL, des exploitants de réseau recherchent des solutions d’investissements progressifs permettant de proposer des raccordements à plus haut débit (78/32 Mbit/s) pour 10 ou 15 % des abonnés. Ils suggèrent que quelques une des 32 liaisons d’un G-PON soient prolongées en VDSL2 avec réutilisation de conduites et de paires de cuivre disponibles. Tous les deux ans, cette structure partielle peut être prolongée. Si les conditions de distance l’imposent, une télé alimentation du dernier nœud est envisagée à partir du terminal du VDSL de l’abonné.

4.3 – G-PON étendu
D’une part, les nouvelles fibres définies (G.694.1 et 2) permettent d’envisager, même avec un débit global de 10 Gbit/s, des portées de 120 ou 135 km, au besoin, en utilisant des fibres séparées et des amplificateurs EDFA (erbium) ou des SOA (Semiconductor Optical Amplifier) qui, bien que moins performants, sont plus adaptés à des trafics montants en rafale. Enfin, des essais sont en cours afin de déterminer si la technique du CDMA ne pourrait pas être substituée au TDMA qui est à la base du principe actuel des PON. D’autres études portent sur la réduction de la consommation en énergie des équipements d’abonnés au repos.

4.4 – Le G-PON à longue portée
L’UIT-T étudie actuellement des extensions permettant d’accroître la portée des G-PON ainsi que le nombre d’abonnés desservis. D’autres contraintes ont été introduites dans le projet, telles que la réduction de la consommation en énergie (y compris en l’absence de trafic), la compatibilité avec des éléments de réseau appartenant aux parcs existants, etc. Les études en cours portent sur l’harmonisation des choix de fibres optiques à utiliser ainsi que des fenêtres en WDM, l’économie possible en énergie, sur le choix des appareils de mesure et les essais d’interopérabilité entre constructeurs.

5 - Conclusions
Même avec des équipements et une architecture optimisés, la mise en place d’un réseau d’accès en fibre optique est une opération coûteuse qui doit se justifier économiquement par des services variés, une rentabilité à court terme et des possibilités d’évolution. Les choix sont naturellement liés à des situations régionales ou nationales et à leur historicité, la densité géographique des raccordements à haut débit constituant un facteur essentiel. Le mouvement récent de migration de la population française autour des petites villes de province constitue un facteur nouveau dont il convient de prendre compte.

La technologie EP2P est encore majoritaire en Europe du nord, avec des réseaux de petite taille (40 000 abonnés). Dans le monde, le PON et majoritaire, avec un parc historique important en A-PON et en E-PON (Japon, Etats-Unis). Plus de 60 % des réseaux auraient maintenant adopté le G-PON.

Glossaire :

OAN (Optical Access Network) - Réseau d’accès optique rassemblant les liaisons d’accès, ayant les mêmes interfaces côté réseau, qui sont prises en charge par des systèmes de transmission avec accès optique. Le réseau OAN peut comprendre un certain nombre de réseaux ODN reliés à la même terminaison OLT.

ODN (Optical Distribution Network) - Réseau de distribution optique permettant de réaliser la transmission optique de la terminaison OLT vers les utilisateurs et vice versa. Il emploie des composants optiques passifs.

OLT (Optical Line Termination) - Terminaison de ligne optique : Terminaison assurant l’interface côté réseau pour le réseau OAN qui est reliée à un ou plusieurs réseaux ODN. Dans l’ODN, un OLT est réuni à un ou à plusieurs ONU.

OMCI (ONU Management and Control Interface) – Interfaces d’exploitation des réseaux PON. Messages qui participent à la gestion des équipements OLT et ONU.

ONT (Optical Network Termination) - Terminaison de réseau optique. Unité de réseau optique employée pour le raccordement par fibre jusqu’au domicile (FTTH, fibre to the home), qui incorpore la fonction d’accès au terminal de l’utilisateur. Dans la technologie G-PON, ONT et ONU sont semblables (G.983.1).

ONU (Optical Network Unit) - Unité de réseau optique, reliée au réseau ODN, qui assure (directement ou à distance) l’interface côté utilisateur pour le réseau OAN.

PLOAM (Physical Layer Operation Administration & Maintenance) – Champ d’information, message ou mot de passe utilisé sur la couche physique pour la gestion des fonctions entre ONT et ONU.

Bibliographie : Réseaux et Télécoms, Claude SERVIN, Editions Dunod ; Boucles d’accès hauts débits, Maurice GAGNAIRE, Editions Dunod. Documents FSAN et UIT-T (Juin 2007) et Alcatel-Lucent (2008).. Revues de l’IEEE Communications Magazine, Telecommagazine, Lightwave Europe, Normes UIT-T, CE 15.