La nécessité d’augmenter les débits des utilisateurs conduit à déployer la fibre optique dans le réseau de distribution. L’Agenda Numérique Européen envisage la mise à disposition d’ici à 2020 de débits égaux à 30 Mbit/s pour la moitié des ménages européens.
I – Réseau d’accès optique
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). La fibre optique n’est pas sensible aux perturbations électromagnétiques et elle est adaptée aux ordinateurs quantiques de demain. Le déploiement de la fibre optique dans le réseau de distribution demeure coûteux (entre 20 à 40 milliards d’euros pour la France et entre 180 à 270 milliards d’euros pour l’Europe), C’est pourquoi les exploitants explorent différentes techniques permettant d’en mutualiser les ressources et d’en réduire les prix de revient par abonné.
II – Réalisation du FTTH (Fibre jusqu’à la maison)
Quatre méthodes peuvent être mises en œuvre à partir de l’OLT (Terminaison de ligne optique) pour réaliser le montage FTTH.
2.1 – Point-à-point en fibre optique (Ethernet P2P, EP2P)
Une ou deux fibres sont dédiées pour relier au réseau chacun des clients en Ethernet (IEEE802.3) à 100 Mbit/s ou 1 Gbit/s. La technique EP2P ou E-FTTH (architecture "Ethernet en Point à Point", selon le principe de l’Ethernet dans le premier km) est défendue par Cisco et Iliad. Cette technologie est plus coûteuse en exploitation, en énergie et en investissement (car il faut N fibres et 2N équipements pour N abonnés). Mais, elle permet d’offrir des débits symétriques de l’ordre de 100 Mbit/s par abonné, (norme G.985 : Optical Distribution Network, ODN en P2P sur une seule fibre bidirectionnelle, selon IEEE802.3-2000).
La technologie EP2P est majoritaire en Europe du nord, pour des réseaux de petite taille (40 000 abonnés).
2.2 – Point-à-point en WDM
Chacun des clients utilise une longueur d’onde dédiée pour chacun des deux sens de transmission sur une même fibre distribuée entre plusieurs sites géographiques proches (WDM-PON). Les coûts induits sont partageables entre les utilisateurs. Le verrouillage des longueurs d’onde doit être assuré.
2.3 – Point-à-multipoint passif
Les systèmes optiques passifs (PON) mettent en jeu des équipements sans composants électroniques actifs entre le central et l’utilisateur. Les réseaux passifs de distribution comprennent les technologies en cuivre (ADSL, VDSL) et celles des PON optiques. 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 (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. Dans le monde, le PON est majoritaire, et plus de 60 % des réseaux ont maintenant adopté le G-PON.
Topologie des PON (du Central, à gauche, vers le domicile de l’abonné, à droite)
2.4 – Nota - 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).
III - La "fibre optique en PON
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).
Principe du PON :
OLT : (Optical Line Termination). Equipements de ligne G-PON situés au central (Nœud de Raccordement Optique, ou NRO)
ONT : (Optical Network Termination). Equipements G-PON des utilisateurs (semblables aux ONU dans la technique G-PON).
Diffuseur ou diviseur passif (splitter) : coupleur passif (avec ou sans filtre) d’une fibre vers 2, 4, 8, 16, 64 ou 128 abonnés.
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. 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. 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.
IV – 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 en Ethernet. De nouvelles normes sont en préparation sur le thème du NG PON 1 et 2, en TDM/WDM en allocation dynamique.
A-PON (1996)
B-PON (2001)
GE-PON (2004)
10 GE-PON (2010)
G-PON (2004)
NG-PON1 (2008)
NG-PON2 (2011)
Normes
G.982
G.983 (FSAN)
1 G - IEEE802.3ah
10 G – IEEE802.av
G.984 (FSAN)
G.987
G.en cours
Protocoles
ATM / TDM
ATM
Ethernet
Encapsulation GFP (GEM)
ATM - Ethernet - TDM
Longueur d’onde
1 310 / 1 550 nm
1 310 nm / 1 490 nm
1 310 nm / 1 490 nm
1 310 nm / 1 490 nm
1 577 nm / 1 270 nm
Débits descendants
N fois 10 Mbits
155 / 622 Mbit/s
IEEE802.3ah - 1 Gbit/s
IEEE802.3av – 10 Gbit/s
10 ou 2,5 Gbit/s/1,25 Gbit/s
10 Gbit/s
10 Gbit/s
Débits montants
N fois 10 Mbit/s
155 Mbit/s
IEEE802.3ah - 1 Gbit/s
IEEE802.3av – 10 Gbit/s
155/622 Mbit/s et 1,25 Gbit/s
10 Gbit/s - 10 Gbit/s
Distance maximum
10 ou 20 km
10 ou 20 km
20 km
De 12 à 15 km (ou 30 km)
Taux de couplage
8 ou 16 ou 32
32
32
32 ou 64 (ou 128)
Débit abonné (desc./montant)
128 kbit/s à 4 Mbit/s
13 Mbit/s / 3 Mbit/s
30 à 100 Mbit/s
de 20 à 80 Mbit/s
intégration
Bande étroite
RNIS avec CATV
Ethernet seulement
Service triple avec options
Comparaison des normes PON
G.671 – Caractéristiques de transmission des composants optiques passifs
G.983.1 – APON et BPON - 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 avec filtrage Next Generation Access OLT en WDM
G.984.6 : Gigabit-capable passive optical networks (GPON) : Reach extension
G.984.7 : Gigabit-capable passive optical networks (GPON) : Long reach - Allocation dynamique.
G.985 – Ethernet 100 Mbit/s en point à point optique.
G.986 – Ethernet 1 Gbit/s en point à point optique.
G.987 (1,2,3) - 10-Gigabit-capable passive optical network (XG-PON) systems.
G.988 – Gestion des ONU et des interfaces de commande (OMCI)
4.1 - 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.
4.2 – 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.
4.3 - 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).
4.4 – 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. Deux versions nouvelles ont été créées (NG-PON1 et NG-PON2) pour la distribution de flux à 10 Gbit/s.
4.5 – Le WDM-PON
Aujourd’hui, les technologies G-PON et E-PON progressent en débits et évoluent vers le 10G-PON et le 10GE-PON afin de répondre aux exigences du marché. La nouvelle technologie WDM-PON est basée sur les résultats des études menées dans le cadre du projet européen SARDANA (Scalable Advanced Ring Based Passive Dense Access Network Architecture), dont l’objectif consiste à accroître la capacité des réseaux FTTH par la combinaison du WDM-PON et de l’amplification optique à distance. L’acronyme Sardana a la signification suivante :
S (scalable), ou distribution flexible du débit, de 300 Mbit/s à 10 Gbit/s, vers mille abonnés en zone urbaine et jusqu’à 100 km du central pour les zones rurales.
R (ring based passive) topologie hybride sur un anneau en WDM complété par un TDM sur une structure en arbre pour la desserte d’abonnés.
A (advanced) avec le concours d’optoélectroniques nouvelles, de modulation optique orthogonale sur la même fibre optique, routage de paquets optiques avec limitation des collisions et respect du délai de transmission, etc.
4.6 – 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.
Projet NGA de rationalisation de l’ODN avec G.984.5
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 l’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.
4.7 – 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 à tous la vidéo et la télévision numérique au moindre coût. La technologie G-PON est celle qui, dans le réseau d’accès, consomme le moins d’énergie (2,5 watts par OLT).
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.
VI - 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. Selon l’Idate, fin 2010, l’Europe comptait 3,5 millions d’abonnés en fibre optique pour 22 millions de foyers raccordés (100 000 abonnés en France et un total de 40 millions dans le monde, situés surtout en Asie). Les hauts débits utilisateurs se situent actuellement autour de 100 Mbit/s pour les résidentiels et 10 Gbit/s pour les entreprises.
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 et Alcatel-Lucent.
Revues de l’IEEE Communications Magazine, Lightwave Europe, Normes UIT-T - CE 15.
Voir aussi le site : www.photoniques.com
Salon INTERNET WORLD , Du 24 au 26 Avril 2012 à Londres, INTERNET WORLD : l’évènement ... [suite] Séminaire IPv6, Le 11 Avril 2012, à Telecom ParisTech., Le G6 organise un séminaire ... [suite]
Les protocoles ATM et SDH ne sont plus nécessaires.
