Historiquement les données des livebox rejoignent le cœur du réseau et internet grâce au réseau d’accès qui connecte les clients. Il est nécessaire de maintenir un prix proche de celui des générations précédentes tout en augmentant le débit sur ce segment du réseau qui possède le plus grand nombre de lien. Pour y parvenir les chercheurs sont amenés à travailler sur le format des données transmises sur la fibre optique.
La montée en débit est un sujet en permanente évolution. L’utilisateur, via ses interfaces nomades comme son téléphone ou par ses équipements fixes à la maison, consomme de plus en plus de donnés. Ces données traversent le réseau d’accès qui connecte la box internet ou l’antenne à laquelle le terminal est appairé. En 2017, les utilisateurs à travers le monde entier ont consommé près de 122 Exabytes par mois, soit l’équivalent du téléchargement de plus de 30 milliards de film en qualité HD chaque mois ! On s’attend à une augmentation de 127 % de cette consommation de données d’ici 2021.
Statistiques sur la consommation de données dans le monde [1,2].
Pour autant, comment réaliser la montée en débit au-delà de 10Gbit/s et assurer un coût raisonnable des équipements d’accès fixe (inférieur à quelques dizaines d’euro chez le client) ? Une des possibilités est le format de modulation PAM4. Tout d’abord quelques notions de base :
Le réseau d’accès, qu’il soit fixe pour la maison ou mobile pour le téléphone, est le premier segment du réseau qui connecte l’utilisateur à internet. La fibre part du site antennaire ou du domicile client pour rejoindre le central (central office en anglais) qui est le premier bâtiment de l’opérateur à proximité de nos clients. On peut comparer le réseau fibre au réseau routier [2]. Le réseau cœur relie les villes avec de longues fibres peu nombreuses et transporte beaucoup de données, ce qui est similaire aux autoroutes qui accueillent de nombreux de conducteurs sur de grandes distances. Le réseau d’accès a beaucoup de liens à courtes distances avec moins de trafic, ce qui est comparable aux routes qui relient les habitations aux grandes rues d’une ville.
Représentation schématique du réseau d’accès.
Jusqu’à présent le réseau d’accès fixe, utilisant la fibre optique, transmettait des données binaires : des 0 (absence ou quasi-absence de puissance lumineuse) et des 1 (une impulsion lumineuse). Ces données sont appelées « bits » et les débits (ou vitesses) de transmission sont exprimés en bit par second (bit/s). Actuellement la technologie déployée permet d’atteindre 2,5Gbit/s sur la fibre partagée par plusieurs clients, soit 2,5 milliards de bits transmis à la seconde. Dans les prochaines années ce débit va augmenter pour atteindre 10Gbit/s. Ces deux technologies fonctionnent sur un principe d’émission de données nommé modulation NRZ (Non-Retour à Zéro).
Qu’est-ce qu’un format de modulation ? Qu’est-ce que le NRZ ? Afin de passer du monde numérique des ordinateurs au monde physique, les données doivent être traduites en signal électrique et en signal optique (dans le cas d’une transmission sur fibre), cette interprétation est le format de modulation. La modulation NRZ est l’une des plus basiques. En effet, lorsque qu’un bit vaut la valeur 0, on lui associe un niveau de puissance optique faible et lorsqu’un bit vaut 1, on lui associe un niveau de puissance optique élevé.
Avec le format de modulation NRZ, un symbole représente un bit. Pour réaliser une transmission à 10Gbit/s par exemple, il faut donc des composants capables de fonctionner à ce débit. La caractéristique d’un composant à fonctionner à un certain débit est la bande passante qui s’exprime en Hertz (Hz). Il s’agit schématiquement de la capacité à pouvoir changer de symboles plus ou moins rapidement sans trop les dégrader.
Influence de la bande passante sur la qualité du signal émis. Diagrammes de l’œil simulés à 12.5Gbit/s pour une bande passante de 8.5GHz, 5GHz et 4GHz (de gauche à droite).
Sur les figures ci-dessus on voit l’impact de la limitation de la bande passante sur la qualité du signal. Les figures représentent des diagrammes de l’œil, c’est-à-dire la superposition de tous les « 0 », les « 1 » et les transitions en ces symboles lors du signal transmis. Pour passer d’un « 0 » à un « 1 » les composants mettent du temps. La diminution de la bande passante augmente ce temps de transition. On observe bien la dégradation du signal qui se déforme en se refermant alors que l’on diminue la bande passante en lisant les figures de gauche à droite.
Dans le cadre de la montée en débit, d’autres formats de modulation sont proposés et notamment la modulation PAM4 (Pulse Amplitude Modulation). Le PAM4, comme le NRZ, associe à des bits logiques à des niveaux de puissances optiques. Au lieu de traduire les bits un à un, le PAM4 les traduit deux par deux. Il y a donc quatre combinaisons possibles : 00, 01, 10 et 11. Le PAM4 les associe à quatre niveaux de puissances comme montré sur la figure ci-dessous. Pour un même débit bit, on envoie deux fois moins de symboles PAM4 comparé au NRZ, c’est-à-dire que pour le même débit, la bande passante nécessaire des composants est deux fois plus petite. On peut donc théoriquement doubler le débit si on émet les symboles PAM4 à la même vitesse que les symboles NRZ tout en gardant des composants au même prix. Dans la pratique, avec des composants créés pour faire 10Gbit/s en NRZ, il est possible d’atteindre 25Gbit/s en PAM4.
Représentations temporels des formats de modulation NRZ et PAM4 pour une séquence binaire données (à gauche) et diagrammes de l’œil associés (à droite).
En réception des signaux, après le passage du signal laser à un signal électrique avec une photodiode, on récupère les bits traduits grâce à un décodeur électronique NRZ ou PAM4. Pour bien distinguer les niveaux, le détecteur doit avoir des seuils de décisions : un pour le NRZ et trois pour le PAM4.
Par ailleurs, le choix d’une nouvelle solution permettant la montée en débit est en grande partie défini par sa compatibilité avec le réseau existant, une solution trop disruptive redemanderait une phase de déploiement de la fibre, ce qui n’est pas souhaité. Les travaux internes à Orange Labs ont permis l’étude et la publication sur une transmission PAM4 à 25Gbit/s avec des composants créés pour le 10Gbit/s NRZ [4]. Cette étude a montré la possibilité d’utiliser le format de modulation PAM4 sur le réseau déjà déployé en France.
Nous menons également d’autres études permettant la montée en débit avec la réalisation de transmissions à 25Gbit/s en NRZ et avec du Duobinaire (format de modulation à 3 niveaux) [5]. Le débit de 50Gbit/s est aussi étudié avec des composants à plus grande bande passante et avec des techniques de traitement du signal pour compenser la dégradation de la transmission que l’on rencontre avec ce nouveau débit. Le choix de la technique de transmission et de la technologie optique les plus optimales pour permettre la montée en débit au-delà de 10Gbit/s dans la fibre d’accès sont actuellement discutées au FSAN, l’organisme de « pré-normalisation » de l’ITU. Un nouveau standard ITU devrait être défini dans les 5 années à venir, en partie grâce à Orange et grâce aux expertises et aux projets de recherche menés sur ces sujets. Il est également important d’étudier les solutions possibles afin d’assurer l’interopérabilité de la couche physique et de choisir la solution adéquate à nos attentes pour notre réseau aussi bien en terme de performances qu’en terme de coût.
Comme vous l’avez compris, le réseau d’accès fibre est en pleine évolution pour accueillir la 5G et les évolutions des usages résidentiels. La course à l’augmentation du débit soulève de nouvelles questions sur les principes de transmission utilisés jusqu’à présent et ceux qui permettront de faire le réseau de demain.
En savoir plus :
[1] Analyse sur la montée en débit proposée par Cisco : https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/vni-hyperconnectivity-wp.html
[2] Statistiques sur la consommation de données mobiles par catégorie d’application : https://www.statista.com/statistics/454951/mobile-data-traffic-worldwide-by-application-category/
[3] Présentation de l’université Rennes1 sur les réseaux d’accès : http://www.irisa.fr/prive/bcousin/Enseignement/2013-2014/R%C3%A9seaux%20d%27acc%C3%A9s.2P.pdf
[4] Publication sur l’étude de la modulation PAM4 : S. Barthomeuf et al, « Real-time Downstream 25Gbit/s PAM4 for High Speed TDM-PONs with both 25 and 12.5Gbit/s ONUs », Proc. OFC, San Diego (2018)
[5] Publication sur l’étude de la modulation Duobinaire et NRZ : J. Konopacki et al, « Pre-Coded NRZ and Electrical Duo-Binary Transmission in C and O-band at Data Bit Rates up to 25 Gbit/s », ICTON, Jul 2017, Girona, Spain. ICTON, 2017 https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01569728/
