UNIVERSITÉ D’ABOMEY-CALAVI **∝∝** ÉCOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI ***** DÉPARTEMENT DE GÉNIE INFORMATIQUE ET TÉLÉCOMMUNICATIONS Option : Réseaux et Télécommunications (RT) MÉMOIRE DE FIN DE FORMATION POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME D’INGÉNIEUR DE CONCEPTION Thème : SIMULATION D’UNE LIAISON FIBER TO THE ANTENNA (FTTA) UTILISANT UNE TRANSPOSITION EN FREQUENCE OPTIQUE Présenté et soutenu par : Bebert Phanuel JOACHIM Soutenu le 21 Décembre 2016 devant le jury composé de : Président : Membres : Pr Marc K. ASSOGBA Dr Max Fréjus O. SANYA Ir Fabrice DAKO Dr Michel DOSSOU Enseignant à l’EPAC/UAC Enseignant à l’EPAC/UAC, Maître de mémoire Directeur Technique à OTI Telecoms Enseignant à l’EPAC/UAC Année académique : 2015 - 2016 9ème Promotion Sommaire SOMMAIRE SOMMAIRE .......................................................................................................... i DEDICACES......................................................................................................... ii REMERCIEMENTS ............................................................................................ iii LISTE DES SIGLES ET ACRONYMES ............................................................ iv LISTE DES TABLEAUX .................................................................................. viii LISTE DES FIGURES ......................................................................................... ix RESUME .............................................................................................................. xi ABSTRACT ........................................................................................................ xii INTRODUCTION GENERALE........................................................................... 1 CHAPITRE 1 : LES COMMUNICATIONS SANS FIL A HAUTES FREQUENCES ..................................................................................................... 6 CHAPITRE 2 : LES SYSTEMES RADIO SUR FIBRE (RoF) ......................... 20 CHAPITRE 3 : LES TECHNIQUES DE TRANSPORT DES SIGNAUX RADIO FREQUENCES ET MILLIMETRIQUES SUR FIBRE OPTIQUE ................... 38 CHAPITRE 4 : SIMULATIONS ET RESULTATS .......................................... 52 CONCLUSION ET PERSPECTIVES ................................................................ 70 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ............................................................ 72 ANNEXES .......................................................................................................... 76 ENGLISH VERSION.......................................................................................... 80 i Réalisé par Bebert JOACHIM Dédicaces DEDICACES A Toi, mon DIEU, la louange, la grandeur, la puissance et la gloire à perpétuité. Dans les cieux et sur la terre, il n’est aucun nom plus doux, aucun que mon cœur préfère. A ma mère Balthilde AHOUANMENOU, mon père Guy JOACHIM, mes tantes Yvonne KPATACLO et Ida AHOUANMENOU , merci pour votre soutien, votre confiance et votre amour inconditionnels. A mon frère Gilchrist JOACHIM, mon cousin Cédric KPATACLO, ma cousine Hermine KPEHOUNTON et toutes les personnes qui me sont chères, merci de toujours me soutenir et de croire en moi. Bebert Phanuel JOACHIM ii Réalisé par Bebert JOACHIM Remerciements REMERCIEMENTS Au terme de ce mémoire, je voudrais exprimer ma reconnaissance à toutes les personnes qui ont, d’une manière ou d’une autre contribué à la réalisation de ce travail. Je pense particulièrement : - au Pr Mohamed SOUMANOU, Directeur de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC) et à son adjoint le Pr Clément AHOUANNOU, ainsi qu’à tout le personnel administratif ; - au Dr Léopold DJOGBE, chef du département de Génie Informatique et Télécommunications (GIT) et à tous les enseignants dudit département ; - à l’ensemble du corps enseignant de l’EPAC ; - au Dr Max Fréjus O. SANYA, mon maître de mémoire, pour avoir accepté encadrer ce travail ainsi que pour ses précieux apports, sa disponibilité et ses conseils ; - aux Ingénieurs Fabrice DAKO et Joel FIOSSI respectivement Directeur technique à OTI Télécom et Chef Centre réseaux sans fil à Bénin Télécoms services ; - à toute ma famille pour son soutien indéfectible ; - à tous mes camarades de la 9ème promotion du Secteur Industriel de l’EPAC et du département de GIT en particulier ; - à mes amis Rodolphe, Igor, Amirath, Sidicath, Jordy, Fadil, Bickel, Arielle et tous ceux que je ne pourrai citer ici. iii Réalisé par Bebert JOACHIM Liste des sigles et acronymes LISTE DES SIGLES ET ACRONYMES A ARCEP Autorité de Regulation des Communications Electroniques et de la Poste ADSL Asymetric Digital Subscriber Line B BBU Baseband Unit BO Budget Optique BS Base Station C CDMA Code Division Multiple Access CNR Carrier to Noise Ratio CS Central Station CW Continuous Wave D DFB Distributed FeedBack DR Dynamic Range DSP Densité Spectrale de Puissance DVD Digital Versatile Disc E ECMA European Computer Manufactures Association EPON Ethernet PON F iv Réalisé par Bebert JOACHIM Liste des sigles et acronymes FI Fréquence Intermédiaire FM Frequency Modulation FTTA Fiber To The Antenna FTTH Fiber To The Home FTTO Fiber To The Office G GPON Gigabit PON GSM Global Service for Mobile communication I ITU Internationnal Telecommunication Union L LOS Line Of Sight M MEA Modulateurs à Electro-Absorption MMF Multi-Mode Fiber MP3 Mpeg-1 Audio Layer 3 MS Mobile Station MVDS Multipoint Video Distribution System MZM Mach-Zehnder Modulator N NF Noise Figure NLOS Non Line Of Sight NRO Nœud de Répartition Optique NRZ Non-Retour à Zéro O v Réalisé par Bebert JOACHIM Liste des sigles et acronymes OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFLL Optical Frequency-Locked Loop OIPLL Optical Injection Phase Locked Loop OL Oscillateur Local OLT Optical Line Terminal ONT Optical Network Termination OPLL Optical Phase-Locked Loop P PIRE Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente PON Passive Optical Network PRBS Pseudo Random Bit Sequence Q QAM Quadrature Amplitude Modulation R RAUs Remote Antenna Units RF Radio Frequency RHD Remote Heterodyne Detection RoF Radio over Fiber RRH Remote Radio Head S SMF Single Mode Fiber SNR Signal to Noise Ratio T TIA Trans Impedance Amplifier TIC Technologies de l’Information et de la Communication vi Réalisé par Bebert JOACHIM Liste des sigles et acronymes U ULB Ultra Large Bande UMTS Universal Mobile Telecommunications System V VHT Very High Throughput W WDM Wavelength Division Multiplexing Wi-Fi Wireless Fidelity WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WLAN Wireless Local Area Network WPAN Wireless Personal Area Network vii Réalisé par Bebert JOACHIM Liste des tableaux LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 : Fréquences des principaux systèmes de communication sans fil [2] ............................................................................................................................. 11 Tableau 2 : Atténuation en fonction de la fréquence d’un câble coaxial standard [15] ...................................................................................................................... 18 Tableau 3 : Atténuation en fonction de la fréquence dans un guide d’onde métallique [16] .................................................................................................... 19 Tableau 4: Paramètres des lasers ......................................................................... 57 Tableau 5 : Paramètres du modulateur Mach-Zehnder ....................................... 58 Tableau 6 : Paramètres de la fibre optique .......................................................... 59 Tableau 7: Paramètres de la photodiode ............................................................. 60 Tableau 8: Paramètres de la TIA après la photodiode ........................................ 60 Tableau 9 : Paramètres utilisés pour le canal de Rice [34] ................................. 67 viii Réalisé par Bebert JOACHIM Liste des figures LISTE DES FIGURES Figure 1: Evolution des cellules des zones rurales vers les zones denses ............ 3 Figure 2: Courbe d’absorption dans la gamme des ondes millimétriques [13] .. 15 Figure 3 : Spectre disponible sans licence dans la bande des 60 GHz selon les zones géographiques [13] .................................................................................... 16 Figure 4 : Atténuations et dispersion des fibres à silice classique [20] ............. 24 Figure 5 : Concept du système radio sur fibre [21]............................................. 25 Figure 6 : Synoptique d’une chaîne radio sur fibre classique [1] ....................... 26 Figure 7 : Architecture point à point passif [3] ................................................... 32 Figure 8 : Architecture point multipoint passif [3] ............................................. 33 Figure 9 : Réseau de desserte optique jusqu’à l’usager [28]............................... 34 Figure 10 : Comparaison entre les systèmes de communication classiques et celui du FTTA [30].............................................................................................. 36 Figure 11 : Synoptique de la modulation directe [7] .......................................... 41 Figure 12 : Modulation directe d’une diode laser [7] ......................................... 41 Figure 13 : Synoptique de la modulation externe [7].......................................... 42 Figure 14 : Schéma simplifié du modulateur à électro-absorption [7] ............... 43 Figure 15 : Schéma de principe d’un modulateur externe de type Mach-Zehnder [7] ........................................................................................................................ 44 Figure 16 : Conversion O/E, cas d’un spectre optique incident à deux et à trois raies [33] .............................................................................................................. 45 Figure 17 : Schéma du principe de la détection hétérodyne (Remote Heterodyne Detection) [2] ...................................................................................................... 47 Figure 18 : Interface du logiciel OptiSystem 7 ................................................... 53 Figure 19 : Schéma de la liaison FTTA simulée ................................................. 54 Figure 20 : Schéma de la BBU au niveau de la station centrale ......................... 56 Figure 21 : (a) Spectre en sortie du laser 1, (b) Spectre en sortie du laser 2 ...... 57 ix Réalisé par Bebert JOACHIM Liste des figures Figure 22 : Signal optique en sortie du MZM ..................................................... 58 Figure 23 : Schéma du RRH ............................................................................... 59 Figure 24 : Spectre en sortie du MZM ................................................................ 61 Figure 25 : Spectre en sortie du coupleur montrant le gap des 60 GHz ............. 62 Figure 26 : TEB en fonction de la longueur de la fibre entre BBU et NRO....... 64 Figure 27 : TEB en fonction du BO pour différentes distances de fibre entre BBU et NRO ....................................................................................................... 65 Figure 28 : TEB fonction du SNR pour une transmission radio RRH et station mobile (MS) à 60 GHz ........................................................................................ 67 Figure 29 : Illustration des phénomènes de réflexion, diffraction et diffusion des trajets multiples [34] ............................................................................................ 76 Figure 30 : Volume de données du trafic Internet mondial des réseaux de diffusion de contenu de 2014 à 2019 (en pétaoctets par mois) .......................... 78 Figure 31 : Optical to electric conversion, case of incident optical spectrum with two and three lines ............................................................................................... 84 Figure 32 : General schematic of the simulated FTTA link ............................... 86 Figure 33 : BER based on fiber length between BBU and optical distribution node (ODN) ......................................................................................................... 87 Figure 34 : BER based on optical budget for different length of fiber between BBU and ODN .................................................................................................... 87 x Réalisé par Bebert JOACHIM Résumé RESUME L’évolution des services et applications multimédias a contraint les opérateurs de télécommunications à augmenter le débit de transmission sur tous les segments du réseau. La fibre optique est une solution pour cette montée en débit. Dans ce mémoire, nous avons proposé et simulé une liaison radio sur fibre à travers une architecture Fiber to the Antenna. Pour cette liaison, une transposition en fréquence dans le domaine de l’optique a été utilisée. Les résultats obtenus lors des simulations nous ont permis de démontrer la faisabilité à 60 GHz et déterminer sur quelle distance maximale la fibre peut être déployée avant de desservir un certain nombre d’antennes radio (remote radio head : RRH) sans dégradation du signal. Mots-clés : radio sur fibre, fiber to the antenna, transposition en fréquence optique. xi Réalisé par Bebert JOACHIM Abstract ABSTRACT The evolution of multimedia services and applications has led telecommunications operators to increase bandwith transmission over all the network segments. Optical fiber is the solution for that data rate increase. In this dissertation, we propose and simulate a radio over fiber link through out fiber to the antenna architecture. With that link, a frequency transposition in optical domain has been used. The results obtained allowed us to determine which fiber distance and number of antennas (remote radio heads) it is possible to achieve without signal degradation. Key words: radio over fiber, fiber to the antenna, optical frequency transposition. xii Réalisé par Bebert JOACHIM Introduction INTRODUCTION GENERALE Le concept de communication large bande, lié à l’accroissement des besoins multiservices et aux exigences d’un réseau moderne, capable d’assurer la disponibilité, la qualité, l’évolutivité et la réactivité, a pris une telle importance que le réseau d’accès en cuivre n'est plus en mesure de répondre à la demande croissante en bande passante. Les réseaux d’accès radio et mobiles sont ceux préférés des clients et aussi des opérateurs de télécommunications car ils possèdent des propriétés de flexibilité et de mobilité [1]. Il est donc important de savoir localiser dans une chaîne de transmission, les paramètres contraignants et les différents phénomènes physiques limitant la montée en débit. Pour augmenter le débit, il est nécessaire de monter en fréquence. Cette montée s’accompagne de pertes intrinsèques importantes dans le cas d’un câble coaxial en cuivre classique ou un câble à paires torsadées figurant dans la plupart des infrastructures de systèmes de télécommunications sans fil actuels. Ainsi la fibre optique est de plus en plus introduite dans les réseaux [2]. Elle peut aller jusqu’au domicile ou au bureau de l’abonné (FTTH /FTTO : Fiber To The Home/ Fiber To The Office) ou même jusqu’à une antenne (FTTA : Fiber To The Antenna). Dans le déploiement de la fibre optique, plusieurs architectures sont utilisées : le point à point et le point à multipoints. L’architecture Point à multipoint passive (PON : Passive Optical Network) a su séduire les opérateurs de télécommunications et les équipementiers car elle représente la solution la moins coûteuse en termes de déploiement et de maintien [3]. Aucun dispositif nécessitant une alimentation électrique n’est intercalé entre le central et les abonnés dans cette architecture. 1 Réalisé par Bebert JOACHIM Introduction Contexte et Justification Dans la plupart des réseaux actuels (cas du Bénin), la liaison entre la station de base et l’antenne émettrice, se fait par le moyen d’un câble coaxial, de la paire torsadée ou d’un guide d’onde. Le câble coaxial présente des dégradations importantes du signal à hautes fréquences, imposant donc un étage d’amplification et de reconstitution du signal avec un coût non négligeable pour compenser les effets néfastes d’un tel support. L’introduction de la fibre optique dans un tel système permettra de réduire les pertes et d’augmenter les performances. La fréquence d’émission optimale pour une antenne ne correspondant pas au domaine de fréquence du signal à émettre, on utilise l’opération de transposition [4]. Dans le domaine électrique, l’opération de changement de fréquence fait appel à un oscillateur local (OL) qui fixe la valeur de la translation en fréquence. Un mélangeur (mixer) effectue la translation suivie de filtres pour éliminer les fréquences indésirables [5]. Cette méthode est souvent confrontée à une génération non stable des signaux, causant des erreurs de synchronisation. Par conséquent, l’utilisation de nouvelles techniques de transmission s’avère nécessaire. La saturation des bandes de fréquences entre 1GHz et 20 GHz, les problèmes d’interférences entre standards ainsi que l’ouverture de nouvelles bandes sans licence, telles que les larges bandes autour de 30 GHz et 60 GHz, ont favorisé le développement de nouvelles applications radios en bande millimétrique [6]. Dans notre étude nous adoptons la fréquence autour de 60 GHz vu que les fréquences autour de 30 GHz sont en voie de saturation. 2 Réalisé par Bebert JOACHIM Introduction Problématique Le trafic de données sur les réseaux mobiles a explosé depuis l’avènement des terminaux mobiles évolués (smartphones, tablettes, objets connectés, etc.). Un besoin important en débit s’est donc exprimé et les différents intervenants (opérateurs de télécommunications, équipementiers, etc.) tentent de trouver de nouvelles solutions pour y faire face. Or, une augmentation du débit, serait par exemple, de monter en fréquence dans la transmission. Cette montée s’accompagne de pertes intrinsèques importantes (Tableau 2) dans le cas d’un câble coaxial en cuivre. La fibre optique apparait donc comme une solution envisageable de par ses nombreux avantages. Le signal émis entre la BBU (Baseband Unit) et les RRH (Remote Radio Head) dans une transmission FTTA actuelle offre une certaine performance vis-à-vis des techniques employées. Celle-ci pourrait être améliorée en utilisant d’autres techniques de transmission. Figure 1: Evolution des cellules des zones rurales vers les zones denses 3 Réalisé par Bebert JOACHIM Introduction Contribution du travail Le travail présenté dans ce document porte principalement sur une réponse à une demande future, très importante en bande passante. Cette demande est estimée dans le monde à une consommation de 84301 pétaoctets/mois d’ici 2019 contre 31345 pétaoctets/mois en 2016 (Annexe C). Notre contribution portent sur : - l’utilisation de la fibre optique dans le déploiement futur de réseaux mobile dans un contexte PON « bas coûts » ; - la proposition d’une technique de transposition en fréquence optique afin de s’affranchir des problèmes de génération non stable des signaux et de synchronisation observés lors de la transposition dans le domaine électrique ; - la simulation d’une liaison FTTA avec transposition en fréquence autour de 60 GHz à 10 Gb/s avec des composants bas-coûts tout optiques ; - la modélisation d’un canal radio sans fil pour évaluer la performance en termes de taux d’erreur binaire reçu par un récepteur à 60 GHz ; - la réalisation d’une co-simulation Optisystem 7/Matlab de l’architecture FTTA pour une évolution du projet suivant d’autres aspects envisageables. 4 Réalisé par Bebert JOACHIM Introduction Organisation du document Le présent mémoire fait le point de nos travaux et comprend quatre chapitres : - le premier chapitre abordera les notions relatives aux communications sans fil à hautes fréquences ; - le deuxième chapitre traitera des systèmes RoF ; - le chapitre suivant portera sur les techniques de transport des signaux RF et millimétriques sur la fibre ; - le quatrième chapitre sera consacré aux différentes simulations et aux analyses effectuées. 5 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 1 : Les communications sans fil à hautes fréquences CHAPITRE 1 : LES COMMUNICATIONS SANS FIL A HAUTES FREQUENCES 1.1. Les différents réseaux sans fil D’après le dictionnaire Larousse, on entend par télécommunications, toutes communications à distance. Le but des télécommunications est de transmettre un signal, porteur d’une information (voix, musique, images, données…), par fil électrique, radioélectricité, optique ou autres systèmes électromagnétiques, d’un lieu à un autre lieu situé à une distance donnée. Les premières traces d’un système de transmission ont été relevées en Chine vers le XIIIème siècle avant notre ère [7]. En Grèce antique, de nombreux moyens de communication ont été imaginés pour informer au plus vite les dirigeants et les citoyens des menaces ou des résultats des guerres que menaient leurs armées [7]. En 1794, le premier système de télécommunication moderne est apparu : le télégraphe optique a été conçu par l’ingénieur français Claude Chappe et ses quatre frères [7]. En 1832, l’idée d’un télégraphe électrique vient de Samuel Morse, qui invente en parallèle un alphabet propre à son utilisation (le fameux code Morse). Testé pour la première fois en 1837, le télégraphe diffuse son premier télégramme public sur la ligne Washington Baltimore en 1844. En 1860, James Maxwell formula les célèbres équations qui portent son nom et il les publia en 1873 dans son traité sur l’électricité et le magnétisme [7]. Quelques années plus tard, Alexander Graham Bell en 1876 inventa le téléphone. Heinrich Hertz en 1887 fût le premier à produire et à détecter des ondes électromagnétiques à une fréquence de l’ordre de 1 GHz. 6 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 1 : Les communications sans fil à hautes fréquences Ces travaux fondateurs complétés par les expériences de Popov, de Marconi et de Eugène Ducretet en 1890 montrèrent qu’il était possible d’établir un lien entre deux points de la terre par propagation d’ondes radioélectriques en espace libre : c’est la naissance des réseaux sans fil. En aiguisant ces technologies et en les ramenant à de nombreuses applications notamment dans le domaine des télécommunications, il existe aujourd’hui plusieurs dispositifs communiquant sans fil mis en œuvre dans plusieurs architectures de réseaux. Les communications électroniques sans fil représentent aujourd'hui la plus grande part de l'industrie des télécommunications [8]. En effet, les utilisateurs exigent en tout temps la mobilité, le haut débit et le multimédia. La mobilité qui permet d'accéder aux services n'importe où sur un territoire donné est, cet élément qui révolutionne le marché des télécommunications et des technologies de l'information et de la communication (TIC). Elle s'appuie sur la propagation des ondes électromagnétiques. La radiodiffusion désigne le service fourni à l'aide d'ondes électromagnétiques, tout comme la radiotéléphonie indique le service téléphonique n'utilisant pas le support câblé. La propagation des ondes électromagnétiques dans l'espace libre repose essentiellement sur les travaux de Maxwell et de Hertz [8]. Radiodiffusion La radiodiffusion qui regroupe la radiodiffusion sonore (AM et FM) et la radiodiffusion télévisuelle, est l'un des services sans fil. Dans ce système de communication sans fil, les émetteurs et les récepteurs sont reliés par des ondes électromagnétiques. Il n'existe aucune liaison physique entre l'émetteur de son ou images et le récepteur radioélectrique. C'est l'un des services sans fil les plus utilisés [8]. 7 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 1 : Les communications sans fil à hautes fréquences Communications micro-ondes La communication sans fil à micro-ondes est un type de communication efficace. Elle est utilisée dans les liaisons point à point et point à multipoints. Dans une liaison à micro - onde, il y a deux options: la première option, consiste à relier deux points quelconques situés à une certaine distance sur la terre. Il s'agit dans ce cas de liaison terrestre ; la deuxième utilisation des liaisons micro -ondes dites encore faisceaux hertziens, est dans les liaisons entre station terrienne et satellites placés en orbite. Le principal inconvénient des signaux micro-ondes est leur vulnérabilité par rapport aux mauvais temps, en particulier la pluie [8]. Satellite de télécommunications Un satellite de télécommunications est un relais actif hertzien. C'est un engin qui se sert des ondes électromagnétiques ou hertziennes pour relier deux points terrestres. Une station terrienne émet en direction du satellite installé dans l'espace libre des ondes électromagnétiques qu'il reçoit, amplifie et dont il change la fréquence. A son tour, après ces traitements, ce satellite artificiel émet les ondes électromagnétiques en direction d'une autre station terrienne. Ce type de communication est utile sur les longues distances. Les satellites de télécommunications sont utilisés pour toutes sortes de communications: radiodiffusion sonore, télévision, téléphonie, transmission de données, etc. [8]. 8 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 1 : Les communications sans fil à hautes fréquences Communications cellulaires D’après le dictionnaire Larousse, on entend par communication cellulaire tout système de radiocommunication qui fonctionne dans une zone divisée en cellules adjacentes contenant chacune un relais radioélectrique. Cela permet à tout terminal de passer d'une station de base à une autre de manière imperceptible, dans le but évident de continuer à utiliser tous les services souscrits. Grâce au transfert inter/intra cellulaire, tout abonné cellulaire jouit d'une mobilité fournie par les ondes radioélectriques sur tout le territoire couvert par son opérateur de télécommunications [8]. Wi –Fi Le Wi-Fi est une technologie de réseau informatique sans fil mise en place pour permettre le fonctionnement des réseaux internes. Il est devenu depuis quelques années un moyen d'accès au haut débit. Dans une liaison assurée par WiFi, un routeur fonctionne comme un hub de communication sans fil. Les réseaux Wi-Fi permettent aux utilisateurs de se connecter uniquement à proximité du routeur [8]. La norme IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11 est celle qui définit le Wi-Fi. WiMAX Le WiMAX comprend une famille de normes (IEEE 802.16 - 2005) qui sont destinées aux réseaux métropolitains sur une zone géographique étendue. En théorie, le WiMAX permet d’obtenir des débits jusqu’à 70 Mb/s avec une portée allant jusqu’à 50 km. 9 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 1 : Les communications sans fil à hautes fréquences Les bandes prévues dans la norme WiMAX sont très étendues : de 2 à 66 GHz. Cependant, certaines contraintes, inhérentes aux techniques radios, limitent les performances du système et les usages possibles. La portée, les débits et surtout la nécessité ou non d’être en ligne de vue (LOS : Line Of Sight) dépendent de la bande de fréquence utilisée. Dans la bande 10 à 66 GHz, les connexions se font en LOS avec la technique Single Carrier [9]. De 2 à 10 GHz, les connexions peuvent être réalisées avec le NLOS (Non Line Of Sight), notamment grâce à l’utilisation de la modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) [9]. Le WiMax s’adresse au marché des réseaux métropolitains, mais également aux secteurs péri-urbains, voire ruraux qui n’ont pas d’infrastructures téléphoniques filaires exploitables [10]. Une façon d’accroître la capacité des systèmes de communication sans fil est d’augmenter la fréquence porteuse et de déployer des petites cellules (micro et pico-cellules, voire small-cells). Les pico-cellules sont plus faciles à former à l’intérieur des bâtiments car les pertes importantes induites par les murs limitent la taille des cellules. Le tableau 1 présente un résumé de l’exploitation des fréquences utilisées par quelques systèmes de communications sans fil. 1.2. Les systèmes de communication sans fil large bande La croissance explosive d’Internet et le succès des systèmes 2G et des WLANs ont eu un profond impact sur notre perception de la communication. La grande majorité des utilisateurs croit en une « communication permanente ». Nous vivons actuellement à l’ère de la connectivité universelle c’est-à-dire une 10 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 1 : Les communications sans fil à hautes fréquences communication à tout moment, n’importe où et avec n’importe quel terminal (communication anytime, anywhere and with terminal). Dédiés initialement aux applications militaires radars, les systèmes de communication Ultra-Large Bande (ULB) se développent à grande échelle, en particulier depuis 2002, date à laquelle ils obtiennent l’autorisation d’émettre dans la bande fréquentielle 3.1-10.6 GHz [2]. Tableau 1 : Fréquences des principaux systèmes de communication sans fil [2] Système de Fréquence communication Largeur du canal sans fil Classification de la bande 2 GHz UMTS 5 MHz Etroite 24 GHz IEEE 802.11b/g 22 MHz Large 5, 10 ou 20 MHz Etroite ou large 5, 10 ou 20 MHz Etroite ou large IEEE 802.16 1.25 MHz à 20 Etroite ou large Wimax MHz IEEE 802.16 25-28 MHz Large 528 MHz Ultra-large 2.16 GHz Ultra-large WLAN 5 GHz IEEE 802.11a WLAN 2.4 GHz et 5 GHZ IEEE 802.11n WLAN 2-10 GHz 10-66 GHz Wimax 3.1-10.6 GHz ECMA-368 WPANs 57-66 GHz ECMA-387 WPANs 11 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 1 : Les communications sans fil à hautes fréquences La technologie ULB consiste à moduler et à transmettre des impulsions très brèves qui occupent un spectre très large (Ultra-Large bande) mais avec un niveau d’énergie très faible si bien qu’elles ne perturbent pas les autres systèmes utilisant cette bande. En effet, la densité spectrale de puissance (DSP) des signaux large bande est extrêmement faible et inférieure à -41 dBm/MHz. Ces systèmes sont ainsi limités à une portée de 10 à 100 mètres suivant les débits utilisés. L’importance de l’étalement fréquentiel confère aux systèmes ULB des caractéristiques uniques telles qu’un pouvoir de haute résolution et une robustesse aux perturbations du canal radio. Ainsi, ces propriétés sont très intéressantes pour les systèmes de radiolocalisation et de communications radio à courte portée (<10 m) et haut débit [2]. Les systèmes ULB font l’objet de plusieurs débats au sein des instances de normalisation et de grandes divergences sont apparues notamment en ce qui concerne la définition des plages de fréquences. Ces systèmes donnent lieu à l’apparition de nouvelles applications dans la bande millimétrique aux alentours des 60 GHz, encore libre d’utilisation [2]. Les faibles puissances d’émission mises en jeu et les portées réduites de ces communications ont donc conduit à développer de nouvelles techniques de transmission telle que la Radio sur fibre (Chapitre 2). Ces nouvelles techniques offrent une grande souplesse d’utilisation, de faibles coûts d’exploitation et une augmentation considérable des distances de transmission. Ces principaux avantages expliquent l’émergence grandissante, ces dernières années, des études sur les liens optiques radio ULB sur fibre. 12 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 1 : Les communications sans fil à hautes fréquences 1.3. Intérêts et caractéristiques de la bande des 60 GHz Il y a, à l’heure actuelle, pour les applications de communications sans fil, un intérêt croissant pour la bande des 60 GHz [11]. L’une des raisons de cet intérêt réside dans le fait qu’une largeur de spectre de près de 9 GHz sans licence est disponible dans cette bande de fréquences et permet donc d’espérer la réalisation de communications très haut débit [12]. En effet, les travaux de Shannon (équation 1.1) montrent que la capacité Q d’un canal de communication varie linéairement en fonction de sa largeur de bande B, et suit une loi logarithmique en fonction du rapport signal sur bruit (SNR). Ainsi, avec la condition imposée par l’équation 1.1, on constate qu’il est intéressant d’exploiter un spectre aussi large que celui de la bande autour des 60 GHz pour la réalisation d’un réseau à très haut débit. Q = Blog 2 [1 + SNR] (1.1) Un autre paramètre à considérer est celui des pertes en espace libre. Cette atténuation se calcule par l’équation : At (dB) = 20log10 ( 4πd λ ) (1.2) avec - d : la distance qui sépare l’émetteur du récepteur - 𝜆 : la longueur d’onde en espace libre On constate à partir de l’équation 1.2, que l’atténuation augmente quand la fréquence augmente. Par exemple, l’atténuation en espace libre pour une distance de 1 mètre est de 46 dB à 5 GHz et de 68 dB à 60 GHz. Cela implique que la bande de fréquences centrée sur 60 GHz convient davantage aux communications de courte portée (< 1 km) [11]. 13 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 1 : Les communications sans fil à hautes fréquences Ce dernier paramètre n’est pas le seul à prendre en considération. En effet, un autre aspect important est l’absorption des ondes de la bande des 60 GHz par l’oxygène de l’atmosphère. La Figure 2 donne les courbes de l’atténuation exprimée en dB/km, due à l’absorption par les molécules d’oxygène et d’eau pour des altitudes différentes. D’après cette figure, on constate que la bande des 60 GHz est quasiment centrée sur le pic d’absorption de l’oxygène ce qui induit une atténuation d’environ 15 dB/km, en plus des pertes en espace libre. En considérant les phénomènes liés à l’atténuation atmosphérique, à savoir les pertes en espace libre ainsi que l’absorption par l’oxygène, on voit que cette bande de fréquences se prête à la réalisation de liaisons courtes portées et à des applications indoor et large bande. Ces phénomènes permettent aussi de créer des cellules de type "microcells", propices à une meilleure sécurisation / confidentialité des communications. Cela permet également de faciliter la gestion des réseaux (interférences limitées, réutilisation des fréquences). En revanche, pour maintenir un bilan de liaison satisfaisant, il est nécessaire d’utiliser des antennes présentant un gain élevé, donc directives. Pour optimiser en permanence la liaison avec un objet mobile et tenir compte d’un éventuel masquage, les antennes doivent non seulement être directives, mais également être capables de réaliser une reconfigurabilité du faisceau. La liaison peut alors soit fonctionner en vue directe (LOS : Line Of Sight), soit en vue indirecte (NLOS : Non Line Of Sight) en utilisant les réflexions et les trajets multiples [11]. 14 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 1 : Les communications sans fil à hautes fréquences Figure 2: Courbe d’absorption dans la gamme des ondes millimétriques [13] 1.4. Normalisation et applications potentielles à 60 GHz 1.4.1. Normalisation de la bande des 60 GHz La bande de fréquence autour de 60 GHz avait l’intérêt d’avoir une largeur de 9 GHz sans licence et ce dans la plupart des pays du monde. Elle a donc été affectée à de nouveaux standards. Nous observons les différentes bandes allouées à ces standards suivant les pays à la Figure 3. Les fréquences régulées au Bénin par l’Autorité de Régulation des Communications Electroniques et de la Poste (ARCEP) sont montrées à l’annexe D. 15 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 1 : Les communications sans fil à hautes fréquences Figure 3 : Spectre disponible sans licence dans la bande des 60 GHz selon les zones géographiques [13] La puissance autorisée dans le canal à 60 GHz est également importante, puisque la PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente) aux Etats-Unis est de 43 dBm et de 57 dBm en Europe avec un gain maximum de 35 dBi pour les antennes [11]. La PIRE est calculée par l’équation 1.3. PIRE[dBm] = PTX [dBm] + Gant [dBi] avec - PTX : la puissance électrique appliquée à l’antenne - Gant : le gain de l’antenne 16 Réalisé par Bebert JOACHIM (1.3) Chapitre 1 : Les communications sans fil à hautes fréquences 1.4.2. Applications potentielles à 60 GHz D’importants efforts institutionnels et industriels sont accomplis autour du développement de standards pour les communications à 60 GHz afin de répondre entre autres à une demande d’application WPAN (Wireless Personal Area Network). Pour les institutions, on peut citer ECMA TC48, IEEE 802.15.3c (TG3c) et le IEEE 802.11 VHT60 Task Group [11]. Au niveau industriel, deux consortiums réunissent les principaux industriels du secteur : il s’agit du WirelessHD (Intel, LG Electronics, Panasonic, Nec, Samsung, Sibeam, Sony, Philips, Toshiba...) et du Wireless Gigabit Alliance (AMD, Huawei, Dell, Microsoft, Apple, Cisco, Nokia, Nvidia, Qualcomm...) [11]. Parmi les applications dans la bande des 60 GHz, on peut citer : Les réseaux personnel (WPAN) : La norme IEEE 802.15.3c a développé une couche PHY (Physique) alternative au standard existant 802.15.3 WPAN qui utilise les fréquences autour de 2,4 GHz. C’est le premier standard IEEE qui s’adresse aux transmissions sans fil multi-gigabits et aux systèmes de communications millimétriques. Les réseaux de capteurs : Un réseau de capteurs est un ensemble de petits dispositifs autonomes sans fil, capables d’effectuer des mesures dans leur environnement (température, mouvement) et de communiquer. Ils peuvent être utilisés pour des applications très variées (localisation, trafic, suivi de marchandises...). Le passage à la bande des 60 GHz permet notamment de réduire la taille de l’antenne et donc du capteur individuel (nœud). L’utilisation d’antennes directives permet également de réduire les puissances d’émission, ce qui est un paramètre critique. Les liaisons radio adaptatives à mettre en œuvre au sein des réseaux de capteurs passent donc par le développement d’antennes à balayage angulaire, car les antennes 17 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 1 : Les communications sans fil à hautes fréquences doivent pouvoir s’adapter de façon dynamique à l’évolution de l’environnement du réseau. 1.5. Propagation guidée des signaux haute fréquence A fréquence élevée, le courant a tendance à ne circuler qu’en surface des conducteurs. Ce phénomène d’origine électromagnétique existe pour tous les conducteurs parcourus par des courants alternatifs. Il provoque la décroissance de la densité de courant à mesure que l’on s’éloigne de la périphérie du conducteur. Il en résulte une augmentation de la résistance du conducteur et donc une augmentation des pertes [14]. Les tableaux 2 et 3 nous montrent respectivement les atténuations en fonction de la fréquence pour un câble coaxial et pour un guide d’onde. Tableau 2 : Atténuation en fonction de la fréquence d’un câble coaxial standard [15] Fréquence (MHz) 200 400 3 000 Atténuation (dB/100m) 23 32 98 Ce tableau caractérise les pertes d’un câble utilisé par exemple pour acheminer les signaux reçus par les antennes TV. On constate que pour des fréquences autour de 400MHz les pertes sont importantes : >30dB/100m. 18 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 1 : Les communications sans fil à hautes fréquences Tableau 3 : Atténuation en fonction de la fréquence dans un guide d’onde métallique [16] Fréquence (GHz) 1.74 2.61 3.12 5.57 7.89 72.6 Atténuation (dB/m) 0.00749 0.0138 0.0189 0.0431 0.0794 2.03 Le transport de signaux haute fréquence par câble sur de faibles distances devient problématique et la partie suivante va montrer comment la fibre optique peut pallier ce problème. 19 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) CHAPITRE 2 : LES SYSTEMES RADIO SUR FIBRE (RoF) 2.1. La fibre optique 2.1.1. Présentation de la fibre optique Une fibre optique est formée d'un cœur de silice d’indice de réfraction élevé, d'une gaine de silice pure de plus faible indice de réfraction et d'une gaine en silicone ou en acrylate qui assure la flexibilité de la fibre et facilite sa manipulation [17]. Deux conditions régissent le guidage du signal lumineux dans une fibre.La première condition de guidage se base sur la loi de Snell-Descartes qui stipule que : Quand un rayon lumineux (rayon incident) rencontre l’interface entre deux milieux d’indices de réfraction différents, une partie est réfléchie (dans le milieu de provenance du rayon incident) et l’autre réfractée (dans le milieu différent du milieu du rayon incident) [18]. Cette condition est basée sur la relation : n1 sinθ1 = n2 sinθ2 (2.1) où n1 et n2 sont les indices de réfraction des milieux 1 et 2 ; θ1 et θ2 les angles des rayons incident et réfléchi avec la normale. La seconde condition de guidage consiste à dire qu’après deux réflexions totales, le rayon incident doit toujours appartenir au même front d’onde qu’un rayon de même direction qui n’a pas encore subi de réflexion. Les deux rayons doivent donc de nouveau être en phase. On distingue deux types de fibre : la fibre monomode et la fibre multimode. Dans une fibre multimode, les différents rayons lumineux empruntent des trajectoires différentes. 20 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) Leurs chemins optiques et donc leurs temps de propagation sont différents. Les fibres monomodes possèdent un diamètre de cœur plus petit que celui des multimodes et ne permettent qu’une seule trajectoire pour une longueur d’onde donnée. La fibre présente certaines limitations dues à plusieurs phénomènes bien connus tels que l’atténuation, la dispersion, etc… Nous reviendrons sur ces différents phénomènes dans la partie qui suit. 2.1.2. Les limitations de la fibre optique 2.1.2.1. L’atténuation L’atténuation est un outil qui caractérise toutes les pertes de puissance optique durant la propagation. Elle est causée par une interaction entre la lumière et le milieu de propagation. La formule suivante permet de définir l’atténuation ′ Pout = Pin e−α L (2.2) Où Pout et Pin sont respectivement les puissances optiques à la sortie et à l’entrée de la fibre ; α′ désigne le coefficient d’affaiblissement de la fibre en Np/km (NP : Neper) ; L est la longueur de la fibre en km. Les origines de l’atténuation sont de deux sortes : les pertes intrinsèques et extrinsèques. Les pertes intrinsèques sont dues au matériau lui-même et ne peuvent être modifiées à condition de changer de matériau. Il s’agit par exemple de la diffusion Rayleigh et de l’absorption du matériau à travers les transitions électroniques et les vibrations moléculaires. Quant aux pertes extrinsèques, elles sont causées durant le processus de fabrication et peuvent donc théoriquement être améliorées. Il s’agit des pertes dues aux micro-courbures et aux macro-courbures [18]. 21 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) 2.1.2.2. La dispersion La lumière est transmise sous forme d’impulsion dans les fibres. L’élargissement de ces impulsions lors de la propagation dans la fibre est appelé dispersion (exprimé en ps/km) [18]. On distingue plusieurs types de dispersion : La dispersion chromatique : il s’agit de la contribution la plus importante à la dispersion dans une fibre optique conventionnelle. Elle inclut les dispersions du matériau et du guide. Ces effets combinés de la dispersion sont néfastes pour la propagation d’impulsion le long de la fibre. Ils limitent la distance maximale sur laquelle le signal peut se propager. La dispersion du matériau : les lasers et les LED ne sont pas des sources monochromatiques. Ils produisent de la lumière dans une gamme de longueur d'ondes. Une impulsion lumineuse issue de source optique est donc composée de plusieurs longueurs d'onde. L'indice de réfraction des fibres étant différent selon la longueur d'onde de la lumière, chaque longueur d'onde se propage dans la fibre à une vitesse spécifique. Certaines longueurs d'ondes arrivent donc avant d'autres et l'impulsion s’étale. La dispersion du guide : Ceci est dû au fait que la lumière n'est en fait pas strictement confinée dans le cœur. Les champs électrique et magnétique constituant l'impulsion lumineuse s'étendent en fait (légèrement) à l'extérieur du cœur, donc dans la gaine. Le champ électromagnétique "déborde" dans la gaine d'autant plus que la longueur d'onde est grande. L'indice de réfraction vu par l'onde est donc une moyenne entre de l'indice de réfraction du cœur et celui de la gaine. Les longueurs d'ondes les plus petites auront donc tendance à se propager plus lentement que les longueurs d'ondes plus grande, d'où un élargissement de l'impulsion lumineuse. 22 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) Initialement les fibres optiques étaient exposées à des atténuations très élevées (1000 dB/km) et n’étaient donc pas compétitives par rapport aux câbles coaxiaux à basse fréquence (5 à 10 dB/km). En 1970, les scientifiques américains Robert Maurer, Donald Keck et Peter Schultz de la société Corning en Amérique, ont fabriqué la première fibre optique, avec des pertes suffisamment faibles de l’ordre de 17 dB/km. Cette fibre optique, pourtant loin d'égaler les performances des fibres optiques modernes, pouvait transporter 65000 fois plus d’informations qu’un câble en cuivre ordinaire. En 1974, les pertes de fibre optique de longueur d’onde 1300 nm ont été réduites à 0.4 dB/km. Aujourd’hui la fibre conventionnelle affiche des pertes nettement plus faibles de l’ordre de 0,25 dB/km pour la longueur d’onde de 1550 nm utilisée dans les télécommunications [19]. Depuis les années 1980, la structure de ces fibres est très simple : un cylindre en silice dont le cœur est dopé avec un oxyde de germanium. Les dimensions d’une fibre sont comparables à celles d’un cheveu. Avant l’apparition de la fibre optique, tous les réseaux de communication étaient câblés au moyen des fils en cuivres [19]. Aujourd’hui, de plus en plus d’entreprises se tournent vers la fibre optique, qui présente de nombreux avantages par rapport au fil en cuivre. Les fibres permettent de transporter une grande quantité d’informations en même temps, grâce à une grande largeur de bande. La Figure 4 montre les atténuations et dispersion des fibres silice classique. 23 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) Figure 4 : Atténuations et dispersion des fibres à silice classique [20] 2.2. Définition de la radio sur fibre Le terme « Radio-sur-Fibre » (RoF) fait référence à des techniques de génération et/ou de transmission de signaux radiofréquences (RF) par voie optique. La technique de transmission RoF est basée principalement sur la modulation d’une porteuse optique par au moins un signal RF portant lui-même des données à transmettre. Ainsi, les technologies Radio sur Fibre s’appuient sur des technologies de transmission par fibre optique pour distribuer des signaux RF entre une station centrale (CS ou headend) et des modules d’antennes distribués (Remote Antenna Units : RAU ou Base Stations : BS). Dans les systèmes de communication à bande étroite et les réseaux locaux sans fil, les fonctions de traitement de signaux RF, telles que la modulation et le multiplexage, sont exécutées au niveau de la BS1 et immédiatement intégrées dans le module d’antenne. 1 BS (Base Stations) englobe ici la NodeB ou l’eNodeB Réalisé par Bebert JOACHIM 24 Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) La technologie RoF rend possible la centralisation des fonctions de traitement du signal RF dans un emplacement partagé en utilisant la fibre optique afin de distribuer les signaux RF comme le montre la figure 5. Ainsi, les BS sont considérablement simplifiées comme elles ne doivent effectuer que la conversion optoélectronique et les fonctions d'amplification. La centralisation des fonctions de traitement du signal RF permet le partage d'équipement, l’allocation dynamique des ressources et la simplification du système d'exploitation et de maintenance [21]. Figure 5 : Concept du système radio sur fibre [21] En entrée d’une chaîne radio sur fibre (figure 6), le signal radio e(t) est converti en un signal optique (bloc E/O avec E pour électrique et O pour optique). Ce signal se propageant dans une fibre optique, est détecté puis converti en un signal électrique s(t) (bloc O/E). Le signal radio est ensuite émis dans l’air par l’intermédiaire d’une antenne. 25 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) Figure 6 : Synoptique d’une chaîne radio sur fibre classique [1] Un amplificateur électrique est souvent ajouté entre le récepteur O/E et l’antenne pour compenser les pertes optiques [1]. 2.3. Avantages de la radio sur fibre La RoF présente les avantages suivants : Faible atténuation : la distribution des signaux radiofréquences sous forme électrique, en espace libre ou par le biais de lignes de transport est coûteuse et peut être fortement limitée en termes de portée. En effet, les pertes de propagation en espace libre sont d’autant plus importantes que la fréquence de la porteuse radio est élevée (les pertes sont inversement proportionnelles à la longueur d’onde). Par conséquent, la distribution des signaux radio à haute fréquence sous forme électrique sur des longues distances nécessite des équipements de régénération coûteux. Une solution à ce problème consiste à distribuer optiquement les signaux en bande de base ou à des fréquences intermédiaires (FI) du CS vers la BS. Au niveau de la station de base, les signaux sont convertis à une fréquence haute (RF) avant d’être amplifiés, puis rayonnés. Ainsi, des oscillateurs locaux de hautes performances seraient requis pour la mise en œuvre de la conversion de fréquence au niveau de chaque station de base. Toutefois, étant donné que la fibre optique offre une très faible perte, la technologie RoF peut être 26 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) utilisée pour obtenir une distribution de signaux sur de longues distances [22] ; Large bande passante : les fibres optiques offrent énormément de bande passante. Il existe trois principales fenêtres de transmission qui offrent peu d'atténuation, à savoir 850 nm, 1310 nm et 1550 nm. Pour une seule fibre optique monomode, la largeur de bande combinée de ces trois fenêtres excède 50 THz. L'énorme bande passante offerte par les fibres optiques a d'autres avantages en dehors de la grande capacité de transmission des signaux micro-ondes. La grande bande passante permet une haute vitesse de traitement du signal, ce qui est plus difficile, voire impossible, de faire en électronique. Certaines fonctions nécessaires au traitement des signaux RF telles que le filtrage et le mélange pour la conversion de fréquence peuvent être mises en œuvre dans le domaine optique. L'utilisation de l'énorme bande passante offerte par les fibres optiques est gravement entravée par la limitation de la largeur de bande des systèmes électroniques, qui sont les principales sources et récepteurs de transmission de données. Ce problème est appelé le " goulot d'étranglement électronique " [21] ; Immunité aux interférences des ondes RF : L’immunité aux interférences électromagnétiques est un avantage qu’offrent les fibres optiques, en particulier vis-à-vis des micro-ondes. Il en est ainsi parce que les signaux sont transmis sous forme lumineuse à travers la fibre optique. En raison de cette immunité, les fibres sont préférables aux câbles électriques, même pour de courtes connexions [21] ; Facilité d'installation et d'entretien : selon la technologie RoF, les dispositifs complexes et coûteux sont maintenus au niveau du CS permettant de simplifier au maximum l’architecture des BS. Dans les cas 27 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) les plus simples, la BS comprend juste un photo-détecteur, un amplificateur RF et une antenne. Les équipements de modulation et de commutation sont conservés au niveau du CS de manière à être avantageusement partagés par plusieurs BS. Ce dispositif conduit à des plus petits et plus légers BS, réduisant effectivement le coût d'installation et d'entretien du système [23] ; Réduction de la consommation d’énergie : La réduction de la consommation d'énergie est une conséquence de la simplification des BS avec des équipements réduits, rendus possible par la centralisation des fonctions complexes. La réduction de la consommation d'énergie au niveau des BS est particulièrement avantageuse dans la mesure où celles-ci doivent être parfois placées dans des endroits reculés et ne peuvent pas alimenter le réseau électrique (recours à l’utilisation de sources d’énergies renouvelables telles que les cellules photovoltaïques) [21] ; Multi-opérateurs et multiservices : La technologie RoF offre une souplesse opérationnelle. En fonction de la technique de génération des signaux RF, la distribution des signaux peut être faite d’une manière transparente en allouant par exemple des longueurs d’ondes à chaque technologie ou à chaque opérateur. Ainsi, le système RoF peut être partagé entre plusieurs opérateurs pour distribuer une pluralité de services. Ce partage « multi-opérateurs » et « multiservices » permettant à chaque opérateur de disposer d’un nombre de longueurs d’ondes, entraîne d'énormes économies [24] ; Allocation Dynamiques des Ressources : Puisque la commutation, la modulation et autres fonctions sont effectuées au niveau du CS, il est possible d'allouer dynamiquement les ressources aux différentes stations de base. Par exemple, dans un système RoF de distribution de trafic GSM, une capacité accrue peut être ponctuellement attribuée à une zone (par exemple, 28 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) centre commercial) pendant les heures de pointe, puis réaffectée à d'autres zones (par exemple à des zones peuplées dans la soirée). L'allocation dynamique des ressources est utilisée pour éviter l'attribution d’une capacité permanente, qui serait un gaspillage de ressources (longueurs d’ondes) [24]. 2.4. Limitations de la radio sur fibre On peut citer comme limitations de la RoF : Dispersions au niveau de la fibre optique : La dispersion est toujours une contrainte qui limite la longueur des liens. Pour la fibre monomode (SMF : Single Mode Fiber), la limitation est due à la dispersion chromatique, tandis que pour la fibre multimode (MMF : Multi Mode Fiber), c’est la dispersion intermodale qui est la plus pénalisante [12]. Bruit et non-linéarité : Etant donné que l’on utilise des signaux analogiques, il faut dimensionner le système en tenant compte des imperfections propres telles que le facteur de bruit (Noise Figure (NF) en anglais) et les non-linéarités. Ces handicaps limitent la dynamique (DR : Dynamic Range) de la liaison radio sur fibre. La dynamique caractérise la différence entre le plus fort et le plus faible des signaux circulant dans le lien tout en respectant les marges (back-off) au bruit (SNR : Signal to Noise Ratio) et à la non-linéarité (déformation du signal). Le lien optique se caractérise souvent par un très fort NF. La DR de la liaison optique est beaucoup plus faible que la DR du système radio [12]. 2.5. Applications de la radio sur fibre Les applications de la technologie RoF sont multiples et comprennent notamment les communications par satellite, communications radio-mobiles, les Services Vidéo par distribution multipoint (MVDS), mobile haut débit, les 29 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) communications routières, les réseaux locaux sans fil reliés aux réseaux optiques etc. Les principaux domaines d'application sont brièvement décris ci-dessous : Réseaux cellulaires : Les réseaux mobiles représentent un domaine d'application important de la technologie RoF. Le nombre toujours croissant d'abonnés mobiles et l'augmentation de la demande des services à large bande passante ont maintenu une pression soutenue sur les réseaux mobiles pour offrir une plus grande capacité. Par conséquent, le trafic mobile (GSM ou UMTS) peut être efficacement acheminé entre la station de contrôle et la station de base en exploitant les avantages de la fibre optique [25] ; Communication routière : L’objectif est de fournir en continu une couverture des communications mobiles sur les principaux axes routiers. En vue de répondre aux besoins de couverture du réseau routier, il est nécessaire de déployer un grand nombre de stations de base. Celles-ci peuvent être réalisées de manière simple et avec un coût faible par le biais de la technologie RoF, ce qui rend le système efficace et gérable [25] ; Réseaux locaux sans fil : Comme les terminaux mobiles deviennent de plus en plus répandus, les réseaux d’accès sans fil à haut débit évolueront vers une demande « haut débit ». La technique radio sur fibre est une solution de manière à répondre à cette demande en utilisant la conception de réseaux pico-cellulaires afin d’optimiser la couverture tout en transmettant les signaux au plus près de l’utilisateur [25] ; Accès aux zones mortes : Une application importante de la RoF est son utilisation pour fournir une couverture sans fil dans les zones où la liaison sans fil est impossible. Ces zones peuvent être des zones à l'intérieur d'une structure comme un tunnel, les zones derrière les bâtiments, les places montagneuses ou des zones isolées telles que les jungles [26] ; 30 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) FTTA (Fiber to the Antenna) : L’utilisation d’un lien optique jusqu’à l’antenne confère plusieurs avantages comme de faibles pertes en lignes et la simplification de la station de base [26]. 2.6. Architectures générales d’une liaison FTTA 2.6.1. Généralités sur les réseaux FTTx Le concept FTTx (Fiber to the x, la fibre jusqu’à x) permet d’augmenter très sensiblement le débit de la connexion, la diversité et la qualité des services offerts aux abonnés tout en affranchissant les opérateurs alternatifs du réseau téléphonique cuivré de l’opérateur historique [27]. Pour ces réseaux, on distingue des architectures dites passives ou actives, selon l’absence ou la présence d’équipements actifs entre le site central de l’opérateur et les points de desserte. Comme architecture passive nous avons le point à point passif et le point-multipoint passif ou PON (Passive Optical Network). 2.6.1.1. Le point à point passif Chaque utilisateur (maison, immeuble etc...) est relié au central par une fibre qui lui est dédiée de bout en bout (Figure 7). Cette organisation est du même type que celle de la boucle téléphonique traditionnelle. Il n’y a donc, aucun partage de débit et elle garantit une occupation totale de la ligne. En revanche elle nécessite de déployer un nombre important de fibres. De plus, si une nouvelle maison doit être ajoutée, une nouvelle fibre doit être mise en place. Cette solution est la plus onéreuse et la plus complexe à mettre en place [9]. 31 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) Figure 7 : Architecture point à point passif [3] Les équipements composant l’architecture point à point passif sont : OLT (Optical Line Terminal) : il fait le lien entre la partie centrale de l'opérateur et la fibre unique. ONT (Optical Network Terminal) : situé chez le client, il fait l'interface entre la fibre issue du coupleur et le modem. 2.6.1.2. Le point-multipoint passif Le point-multipoint passif, PON est une solution moins coûteuse que le point à point passif. Une fibre unique part du central, passe par un coupleur (ou splitter), et dessert plusieurs utilisateurs. Chaque utilisateur reçoit toutes les informations envoyées par l’équipement central (OLT) qui est filtré par l’équipement récepteur (ONT) de l’abonné (Figure 8). Le support physique étant partagé, les flux engendrés par les différents usagers sont dissociés par un étiquetage des données dans le sens descendant, et un partage du temps de parole dans le sens montant [9]. 32 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) Figure 8 : Architecture point multipoint passif [3] Les équipements qui composent un PON sont : l’OLT le Coupleur Optique ou splitter. C'est un équipement passif qui a un fonctionnement identique à un hub. Dans le sens descendant, le coupleur réplique le signal à destination de tous les abonnés. Les données sont étiquetées en fonction du destinataire. Chaque abonné choisira en fonction de l'étiquette si l'information lui est destinée. Dans le sens montant, le coupleur combine les signaux optiques suivant un « partage du temps de parole » (TDM) tel un multiplexeur. l’ONT Le coupleur est installé de façon à obtenir un compromis entre la distance jusqu'aux clients et le nombre de clients à desservir. Cette architecture offre l'avantage de limiter le nombre de fibres à déployer, mais elle est moins sécurisée. Parmi les différents standards, l’EPON (Ethernet PON, standard proposé par ITU « International Telecommunication Union ») et le GPON (Gigabit PON, standard proposé par IEEE) émergent aujourd’hui; ils permettent tous les deux des débits supérieurs au Gb/s. L’EPON autorise un débit de 1,25 Gb/s maximum symétrique sur des distances d’une vingtaine de km [7]. Le GPON permet des débits descendants de 2,5 Gb/s et 64 abonnés au maximum pour chaque port OLT. En 2009, Alcatel-Lucent a présenté la 33 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) convergence de l’accès fixe et mobile de nouvelle génération avec une plateforme 10G-PON offrant une capacité de 10 Gb/s en liaison descendante et de 2,5 Gb/s en liaison ascendante (c’est la nouvelle génération de PON) [7]. L’architecture point-multipoint permet des économies sur la quantité de fibres à poser et sur le dimensionnement des équipements (par rapport au système point à point). En terme de débit le Multipoint est plus limité que le système point à point, mais au vu des possibilités de la fibre, ce système est un bon compromis [9]. Les réseaux FTTx peuvent être classés en deux grandes catégories : Les réseaux de desserte optique jusqu’à l’usager, pour lesquels on distingue : Les réseaux de desserte optique déployés jusqu’au bâtiment d’une entreprise, ou au pied d’un immeuble (FTTO / FTTB, pour Fiber to the Office / Building). La desserte interne de l’entreprise ou des foyers au sein de l’immeuble est ensuite réalisée généralement via un réseau « cuivre » [28]. Les réseaux de desserte optique jusqu’au foyer de l’abonné (FTTU / FTTH, pour Fiber to the User / Home). Figure 9 : Réseau de desserte optique jusqu’à l’usager [28] 34 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) Les réseaux de desserte optique jusqu’à un point de distribution : La fibre optique est déployée jusqu’au point de distribution (situé par exemple, à l’entrée d’une Zone d’Activité (ZA), ou au cœur d’un quartier résidentiel), puis la distribution terminale des usagers est réalisée par une autre technologie (câble, ADSL, réseaux hertziens…). C’est dans cette catégorie que se trouve l’architecture FTTA. 2.6.2. L’architecture FTTA FTTA est une architecture de réseau large bande dans laquelle la fibre optique permet de connecter la station centrale à la station de base dans un premier temps et la station de base à l’antenne dans un second temps. En effet, les stations de base des systèmes classiques de communication mobile modulent les données dans la bande de fréquence qui leur est allouée. Une fois mis sous tension, les signaux à hautes fréquences sont amplifiés. Le signal en sortie est transmis via un câble coaxial, un guide d’onde ou une paire torsadée jusqu’à l’antenne qui se charge de rayonner le dans la cellule radio où il se trouve. La transmission de signaux hautes fréquences et sur de longues distances via câble coaxial est sujette à d’importante pertes (voir tableau 2) [29]. Avec l’architecture FTTA, les différents types de câble quittant le local de base pour l’antenne sont remplacés par la fibre optique. Les câbles coaxiaux ajoutant du bruit et dégradant la qualité du signal, des étages amplificateurs sont requis. En plaçant au niveau des antennes des RRH qui se chargeront de convertir le signal optique en électrique, on pourra utiliser des câbles coaxiaux de longueur réduite (jumpers) pour faire le lien jusqu’à l’antenne. Les étages amplificateurs seront donc éliminés. La liaison FTTA permet de réduire le temps de latence et d’augmenter la bande passante [30]. 35 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) Figure 10 : Comparaison entre les systèmes de communication classiques et celui du FTTA [30] Les premiers réseaux FTTA avec les systèmes W-CDMA ont été fabriqués par Siemens et Ericsson. Tous les nouveaux développements des systèmes 3G intègrent aujourd’hui des liens de fibres optiques entre le local de la station de base et les RRH. Tous les grands fabricants WiMAX se concentrent également sur FTTA. Seuls les systèmes GSM continuent d'être installés dans les réseaux classiques, bien que certains fabricants de systèmes de premier plan aient également annoncé un changement à FTTA. Différents travaux sur la FTTA sont présentés dans [31] et [32]. Dans ces travaux, l’opération de changement de fréquence a été réalisée dans le domaine électrique. Concevoir une station centrale générant un signal optique modulé par le signal radio que l’on souhaite transmettre est difficile. Ce signal radio est un signal numérique large bande et appartenant à la bande des 60 GHz. Moduler directement la porteuse optique par ce signal est très difficile. En effet, que ce soit en modulant directement le courant d’une diode laser ou en utilisant des modulateurs externes, les convertisseurs électrique/optique (E/O) présents actuellement sur le marché ne permettent pas d’atteindre la bande des 60 GHz. 36 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 2 : Les systèmes Radio sur fibre (RoF) Les lasers à semi-conducteurs ont une bande passante maximale de l’ordre de la dizaine de GHz et celle des modulateurs d’intensité externes est proche de la trentaine de GHz. Plutôt que de générer le signal numérique à 60 GHz dans le domaine électrique pour après le convertir dans le domaine optique, il est possible de générer ce signal directement sur le lien optique. Les données sont appliquées sur les convertisseurs E/O à une fréquence intermédiaire ou directement en bande de base. La faible bande passante des convertisseurs E/O est alors suffisante. Diverses techniques permettent de réaliser cette génération optique de porteuse micro-onde. Nous allons les détailler au chapitre 3. 37 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 3 : Les techniques de transport des signaux Radio-Fréquences et millimétriques sur fibre optique CHAPITRE 3 : LES TECHNIQUES DE TRANSPORT DES SIGNAUX RADIOFREQUENCES ET MILLIMETRIQUES SUR FIBRE OPTIQUE 3.1. Les techniques de transmission Un signal électrique, ou optique est caractérisé par sa densité spectrale de puissance (encombrement spectral). On peut le transporter dans la bande d'origine avec un éventuel transcodage (bande de base) ou effectuer une transposition dans une autre bande de fréquence (modulation). 3.1.1. Transmission en bande de base La transmission est dite en bande de base si elle ne subit aucune transposition de fréquence par modulation. Les fréquences initiales du signal émis sont donc préservées [33]. Le signal est directement transmis au travers de la fibre optique et la station de base assure la modulation de la porteuse avec celui-ci. Le principal avantage de cette architecture réside dans le fait que les transducteurs E/O et O/E ne nécessitent qu'une bande passante faible, celle des données en bande de base. Le principal inconvénient réside dans la complexité de la station de base qui doit comprendre l'électronique de l'oscillateur local pour la porteuse ainsi que celle du système de modulation. Ceci amène donc une augmentation conséquente des coûts d'installation de la liaison par le nombre important de stations de base à installer. De plus, un seul signal en bande de base (quelques centaines de Mbit/s) peut être transmis au travers de la fibre optique impliquant un fonctionnement micro-onde monocanal [34]. 38 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 3 : Les techniques de transport des signaux Radio-Fréquences et millimétriques sur fibre optique 3.1.2. Transmission par transposition intermédiaire (IF over fiber) en fréquence Au niveau de la station centrale, les données sont transposées autour d'une fréquence intermédiaire et c'est celle-ci qui sera véhiculée sur le réseau fibré. Dans ce cas, la station de base est un peu moins gourmande en électronique, par comparaison au cas précédent, mais elle doit encore comprendre un oscillateur local et un mélangeur. La transposition sur fréquence intermédiaire amène néanmoins l'énorme avantage de rendre le système multicanal, chaque signal pouvant être modulé sur une fréquence intermédiaire différente au niveau de la station centrale [34]. Ce type d'architecture requiert toutefois l'utilisation de composants d'extrémité possédant une bande passante plus importante que ceux utilisés précédemment. 3.1.3. Transmission par transposition sur porteuse micro-onde (RF over fiber) Dans ce genre d'architecture, le signal est directement appliqué sur une porteuse micro-onde au niveau de la station centrale. Ceci implique d'avoir des composants d'émission et de réception possédant des fréquences de coupure en modulation et détection élevées correspondant au minimum à la fréquence de la porteuse du standard de télécommunications à transmettre. La station de base est dans ce cas extrêmement simplifiée puisqu'elle est essentiellement composée d'un transducteur optoélectronique, d'une amplification et d'une antenne hyperfréquence [34]. 3.2. Les techniques de déport radio sur fibre Les techniques permettant de réaliser un déport radio sur fibre sur une fréquence porteuse ou intermédiaire peuvent se classer en deux catégories. Une catégorie est la détection directe (partie 3.2.1), dans ce cas une photodiode est utilisée pour recevoir le signal, elle convertit la puissance optique en courant 39 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 3 : Les techniques de transport des signaux Radio-Fréquences et millimétriques sur fibre optique électrique. La technique de détection hétérodyne (partie 3.2.2) consiste à détecter sur une photodiode deux longueurs d’ondes proches l’une de l’autre (𝜆1 et 𝜆2 ). 3.2.1. La détection directe La détection directe du signal sur la photodiode est un moyen simple pour transmettre un signal radio sur fibre. En effet, le signal radio module directement le composant électro-optique et aucun élément de codage ne se trouve au niveau de l’antenne déportée. Ces modulations avec une détection directe conviennent bien pour des signaux dont les fréquences porteuses sont inférieures à 10 GHz [1]. Cependant pour des signaux ayant des fréquences plus élevées, trouver des composants capables d’être modulés suffisamment rapidement devient plus difficile. Les composants qui génèrent un signal radio sur fibre pour un système à détection directe sont, soit un laser dont le courant de polarisation est modulé (partie 3.2.1.1), soit un laser continu couplé à un modulateur externe (électroabsorption ou Mach-Zehnder) (partie 3.2.1.2). Pour recevoir le signal optique, une photodiode est utilisée. Elle convertit la puissance optique en courant électrique [1]. 3.2.1.1. La modulation directe de la diode laser La modulation directe consiste à moduler le courant d’alimentation des lasers, entraînant directement la modulation de la puissance lumineuse émise (Figure11) à condition d’utiliser la partie linéaire de la caractéristique Popt = f(I) (Figure 12). Toutefois, la puissance disponible est relativement faible et l’usage d’amplificateurs à fibre dopés erbium est nécessaire dans le cas des transmissions longues distances [7]. 40 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 3 : Les techniques de transport des signaux Radio-Fréquences et millimétriques sur fibre optique Figure 11 : Synoptique de la modulation directe [7] La Figure 12 présente le principe de la modulation directe. Cette caractéristique montre que, un courant rectangulaire (ou sinusoïdal) de modulation directe d’amplitude du courant autour d’un point de fonctionnement statique (I0, P0) résulte en une variation rectangulaire (ou sinusoïdale) d’amplitude de la puissance optique : c’est la modulation d’intensité [7]. Figure 12 : Modulation directe d’une diode laser [7] 41 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 3 : Les techniques de transport des signaux Radio-Fréquences et millimétriques sur fibre optique Pour des débits égaux ou supérieurs à 10 Gb/s, la modulation directe du laser dégrade la qualité du signal et un phénomène de « chirp » apparait. Le « chirp » est un glissement en fréquence qui dépend de l’amplitude de la modulation. Si on ajoute ce phénomène de chirp à la dispersion chromatique de la fibre optique, une dégradation du signal transmis (élargissement des impulsions) est engendrée d’autant plus importante que la distance à couvrir est grande [7]. Pour cette raison, il est préférable d’utiliser un laser émettant une puissance optique continue (exemple : laser DFB) et un modulateur externe pour les transmissions sur de longues distances [7]. 3.2.1.2. La modulation externe Dans le cas de la modulation externe, le laser n’est plus modulé et il est suivi d’un dispositif qui réalise lui-même la modulation de la puissance optique : le modulateur externe (Figure 13). Ce modulateur permet en particulier de s’affranchir des problèmes de modulation de fréquence qui apparaissent dans la modulation directe (chirp). Figure 13 : Synoptique de la modulation externe [7] 42 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 3 : Les techniques de transport des signaux Radio-Fréquences et millimétriques sur fibre optique En ce qui concerne la modulation externe, et suivant l’application, nous pouvons distinguer deux types de modulateurs : les modulateurs à électro-absorption (MEA) et les modulateurs électro-optiques de type Mach-Zehnder (MZM). Le modulateur à électro-absorption Le principe de fonctionnement d'un modulateur à électro-absorption est basé sur la modification du spectre d'absorption d'un semi-conducteur soumis à un champ électrique (Figure 14). La transparence du matériau est modifiée en fonction de la tension qui lui est appliquée, ce qui module l’amplitude du signal optique. Le modulateur Mach-Zehnder Un interféromètre de type Mach-Zehnder (Figure 15) présente deux jonctions Y: la première permet de séparer de manière équilibrée la puissance sur les deux bras de l’interféromètre. Elle se prolonge ensuite sur deux bras parallèles, non soumis au même champ électrique. Des électrodes permettent par effet électrooptique, de modifier l’indice de réfraction des deux bras. Il est alors possible de déphaser les ondes se propageant dans chacun des bras, l’une par rapport à l’autre. En fonction de ce déphasage la transmission varie. Figure 14 : Schéma simplifié du modulateur à électro-absorption [7] 43 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 3 : Les techniques de transport des signaux Radio-Fréquences et millimétriques sur fibre optique Figure 15 : Schéma de principe d’un modulateur externe de type Mach-Zehnder [7] Suivant la différence de marche (phase relative) introduite par la tension V, les deux faisceaux interfèrent de manière constructive (toute la puissance optique est disponible en sortie, équivalente à un « 1 ») ou de manière destructive (aucune lumière n'est présente en sortie du guide, équivalente à un « 0 »). Le champ électrique appliqué est en général un champ de très haute fréquence permettant de moduler le signal à des débits très élevés pouvant atteindre 100 Gb/s. 3.2.2. La détection hétérodyne Pour générer un signal RF, la plupart des techniques reposent sur le principe de cohérence de mélange dans la photodiode. Ces techniques sont généralement désignées par le terme « Détection Hétérodyne (RHD) ». 3.2.2.1. Conversion O/E Les convertisseurs O/E à détection directe sont quadratiques. Le signal électrique qu’ils génèrent n’est pas une image du champ électrique de l’onde lumineuse incidente mais une image de sa puissance, qui est proportionnelle au carré du champ électrique. D’un point de vue spectral, cela se traduit par la détection non pas des raies du spectre du champ optique mais des battements entre les raies du spectre optique. 44 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 3 : Les techniques de transport des signaux Radio-Fréquences et millimétriques sur fibre optique Pour un signal optique incident non modulé, le spectre optique est constitué d’une unique raie à la fréquence de la porteuse optique. On obtient alors en sortie du convertisseur O/E un signal continu. Le cas de spectres optiques incidents à deux et trois raies est illustré au niveau de la Figure 16. Figure 16 : Conversion O/E, cas d’un spectre optique incident à deux et à trois raies [33] Pour un spectre incident contenant deux raies optiques, un seul battement est possible. On obtient, après conversion O/E un signal sinusoïdal dont la fréquence correspond à l’espacement entre les deux raies optiques. Pour un spectre incident contenant trois raies optiques, trois battements sont possibles. On obtient, après conversion O/E, trois signaux sinusoïdaux correspondant à la somme de ces trois battements. Un cas particulier est le cas où deux battements se font à la même fréquence. C’est le cas où f2 = f1 sur la Figure 16. Après conversion O/E, le signal à f1 est constitué de la somme des deux signaux issus de chacun des deux battements. On n’obtient plus que deux raies dans le spectre électrique émis. 45 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 3 : Les techniques de transport des signaux Radio-Fréquences et millimétriques sur fibre optique Suivant le déphasage relatif entre les deux signaux générés à f1 , la somme des deux battements peut être constructive ou destructive. Si les deux signaux sont en phase, les amplitudes des deux battements s’additionnent. S’ils sont en opposition de phase, les amplitudes se retranchent et plus aucun signal n’est détecté à la fréquence f1 . 3.2.2.2. Solution pour générer optiquement une porteuse micro-onde En générant au moins deux raies optiques espacées de la fréquence micro-onde fRF , on obtient après conversion O/E, une porteuse micro-onde à la fréquence fRF . Plusieurs techniques existent pour générer ces raies et peuvent être classées en trois catégories : l’utilisation de plusieurs sources optiques ; la conception d’un laser générant plusieurs raies optiques ; l’utilisation des convertisseurs E/O en régime non linéaires. La première solution consiste à coupler deux sources optiques distinctes. Les fréquences d’émissions des deux sources sont réglées de façon à être espacées de la fréquence micro-onde voulue. L’utilisation de lasers ajustables en fréquence permet d’avoir un système de génération assez souple. La fréquence micro-onde générée est ajustable. Cependant, les bruits de phase générés par les deux sources ne sont pas corrélés, ce qui limite la pureté spectrale de la porteuse microonde générée [33]. Pour améliorer la cohérence des raies optiques, on peut générer ces raies à partir d’une unique source optique, il s’agit de la technique d’auto-hétérodynage. La seconde solution pour générer les raies optiques utilise un dispositif unique qui peut être un laser pulsé ou un laser multimode par exemple. Le spectre d’émission de ces dispositifs est constitué de plusieurs raies dont l’espacement est entre autres défini par les caractéristiques géométriques de la cavité laser. La fréquence micro-onde est ainsi choisie lors de la conception du laser. 46 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 3 : Les techniques de transport des signaux Radio-Fréquences et millimétriques sur fibre optique Il faut de plus s’assurer que les différents modes du laser sont bien cohérents entre eux. On parle alors de laser à modes bloqués. La technique d’auto-hétérodynage peut également être mise en place à partir de convertisseurs E/O. En changeant le point de fonctionnement ou en augmentant la puissance du signal appliqué sur le convertisseur E/O, on fait apparaitre un comportement non linéaire du convertisseur. Des harmoniques du signal électrique appliquées sur le convertisseur sont générées sur la porteuse optique. En choisissant correctement la fréquence du signal appliqué sur le convertisseur, on obtient la porteuse micro-onde souhaitée. La technique de détection hétérodyne dans notre étude consiste à détecter sur une photodiode deux longueurs d’ondes proches l’une de l’autre (𝜆1 et 𝜆2 ). La photodiode détecte le signal optique aux fréquences optiques 𝑓1 et 𝑓2 associées à 𝜆1 et 𝜆2 respectivement qui sont élevées et génèrent alors un courant continue. Cependant la photodiode détecte un autre courant de signal dit hétérodyne. La fréquence 𝑓3 de ce courant correspond à la différence de fréquence entre les deux lasers. La Figure 17 donne le principe de la détection hétérodyne. Figure 17 : Schéma du principe de la détection hétérodyne (Remote Heterodyne Detection) [2] 47 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 3 : Les techniques de transport des signaux Radio-Fréquences et millimétriques sur fibre optique Dans le cas d’une détection hétérodyne, le déphasage des bandes latérales lors de la propagation dans la fibre devient moins problématique. De plus, cette technique permet de générer des fréquences élevées sans utiliser des composants avec des bandes passantes importantes. En effet, c’est juste la différence de fréquence entre les lasers qui donne la fréquence de la porteuse RF. Le principe du mélange peut être illustré comme suit : Considérons deux ondes optiques E1 et E2 de fréquence respective f1 et f2 =f1 +fRF et de puissance P1 et P2 . Les deux signaux optiques sont de pulsations ω. Ces deux ondes sont envoyées sur un photodétecteur rapide qui génère un courant de fréquence égale à la fréquence de battement des deux faisceaux laser. E1 (t) = E01 Cos (ω1 t + φ1 ) (3.1) E2 (t) = E02 Cos (ω2 t + φ2 ) (3.2) Où E01 et E02 sont les amplitudes et 𝜑1 et 𝜑2 , les phases des signaux optiques. Soit IPD le courant en sortie de la photodiode. IPD =(E1 + E2 )2 IPD = (E01 cos(ω1 t + φ1 ) + E02 cos(ω2 t + φ2 ))² 2 IPD = E01 cos 2 (ω1 t + φ1 ) + 2E01 E02 cos(ω1 t + φ1 ) cos(ω2 t + φ2 ) + E02 ²cos²(ω2 t + φ2 ) 2 2 IPD =E01 cos 2 (ω1 t + φ1 ) + E02 cos 2 (ω2 t + φ2 ) + 2E01 E02 . 1/2[cos((ω2 − ω1 )t + φ2 − φ1 ) + cos((ω1 + ω2 )t + φ1 + φ2 )] 2 2 IPD = E01 cos 2 (ω1 t + φ1 ) + E02 cos 2 (ω2 t + φ2 ) + E01 E02 [cos((2πfRF )t + φ2 − φ1 ) + cos((ω1 + ω2 )t + φ1 + φ2 )] (3.3) Le terme cos((ω1 + ω2 )t+φ1 + φ2 ) sera éliminé par la bande passante de la photodiode. On a donc : 2 2 IPD = E01 cos 2 (ω1 t + φ1 ) + E02 cos 2 (ω2 t + φ2 ) + E01 E02 [cos((2πfRF )t + φ2 − φ1 )] (3.4) 48 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 3 : Les techniques de transport des signaux Radio-Fréquences et millimétriques sur fibre optique 2 2 P1 = E01 cos 2 (ω1 t + φ1 ) et P2 = E02 cos 2 (ω2 t + φ2 ) En tenant compte de la bande passante l’équation 3.4 devient alors : IPD = P1 + P2 + 2√P1 P2 [cos((2πfRF )t + φ2 − φ1 )] (3.5) La résistance de charge en sortie du photodétecteur reçoit donc une puissance continue proportionnelle à la somme des puissances optiques et une puissance microondes proportionnelle à √P1 P2 . L’équation (3.5) montre qu’en contrôlant la fréquence de battement des deux faisceaux laser, nous pouvons générer des ondes dans le domaine millimétrique, voire du THz. La fréquence de l’onde générée est, quant à elle, limitée par la bande passante du photodétecteur mais celle-ci ne cesse de s’étendre. La technique de détection hétérodyne permet d’utiliser des lasers bas coûts (DFB : Distibuted FeedBack), d’être transparente aux différents formats de modulations, et d’avoir un meilleur rapport du ratio porteuse sur bruit (CNR : Carrier to Noise Ratio), car la puissance optique de chaque porteuse optique contribue à la génération de la fréquence RF. Parmi les autres avantages de la RHD, nous pouvons également citer la faible sensibilité du système à la dispersion chromatique, notamment lorsque seule l’une des deux porteuses optiques est modulée par les données. Réduire l’effet de la dispersion chromatique est très important afin de diminuer le bruit de phase pour les formats de modulation de type M-QAM pour lesquels la dispersion entraîne une perte importante de puissance [2]. Le principal inconvénient de cette technique se situe au niveau de la stabilité fréquentielle de l’onde générée qui est très sensible aux variations de température et au bruit de phase. 49 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 3 : Les techniques de transport des signaux Radio-Fréquences et millimétriques sur fibre optique Pour maintenir la différence de fréquence entre les deux lasers plusieurs techniques sont utilisées. On distingue la technique de : boucle à verrouillage de fréquence optique : Optical Frequency-Locked Loop (OFLL) ; boucle à verrouillage de phase optique : Optical Phase-Locked Loop (OPLL) ; verrouillage par injection optique : Optical Injection Locking(OIL) ; boucle à verrouillage de phase optique par injection : Optical Injection Phase-Locked Loop (OIPLL). 3.2.2.3. Les principaux mélangeurs optoélectroniques Phototransistors Le premier type de modulateur optoélectronique proposé dans la littérature, utilise des phototransistors. Les phototransistors sont des convertisseurs O/E actifs. Ils sont basés sur le même principe que les photodiodes de types PIN : l’éclairement d’une jonction PN polarisée en inverse induit la génération d’un courant proportionnel à la puissance optique incidente, si l’on néglige le courant d’obscurité de la photodiode. Le courant ainsi généré est ensuite amplifié par l’effet transistor. La responsivité des phototransistors est donc bien plus élevée que celle des photodiodes. Modulateur à électro-absorption Un autre type de mélangeur optoélectronique est basé sur l’utilisation de modulateurs à électro-absorption (MEA). Les MEA permettent de moduler une onde optique incidente autour d’une longueur d’onde donnée 𝜆0 . Ils ne couvrent pas un très large spectre optique. Une diode PIN sert de guide d’onde pour l’onde optique incidente. L’utilisation d’un MEA comme mélangeur optoélectronique 50 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 3 : Les techniques de transport des signaux Radio-Fréquences et millimétriques sur fibre optique permet de s’affranchir d’une source optique ainsi que d’un convertisseur O/E dans la station de base. Basés sur la même architecture qu’une photodiode PIN, les MEA peuvent d’autre part être utilisés comme convertisseurs O/E pour le lien descendant. Cependant, les deux modes de fonctionnement du MEA (mélangeur ou convertisseur O/E) ne correspondent pas à un même point de polarisation. A notre connaissance, aucune étude n’a été reportée sur le temps de commutation des MEA entre leurs deux modes de fonctionnement. 51 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats CHAPITRE 4 : SIMULATIONS ET RESULTATS Ce chapitre est consacré à la présentation de l’architecture de la liaison FTTA traitée dans ce projet. Cette architecture est réalisée en utilisant un format de modulation NRZ (cette modulation nous permettra de valider notre modèle). Les modulations Duo-binaire et OFDM pourront être traitées ultérieurement. Dans un premier temps nous présenterons le logiciel de simulation utilisé (OptiSystem 7), ensuite suivra la présentation des différents blocs intervenant dans la simulation de notre architecture et enfin l’analyse des résultats obtenus. 4.1. Présentation du logiciel OptiSystem 7 OptiSystem, est un logiciel de conception, de tests et d’optimisation de n’importe quelle liaison optique de la couche physique. Avec un niveau de système simulateur basé sur la modélisation réaliste des systèmes de communication par fibre optique, OptiSystem possède un environnement de simulation puissant et une définition hiérarchique de composants et systèmes. Une interface utilisateur graphique complète, contrôle la disposition de composants optiques, des modèles et graphiques de présentation. Cette interface comprend plusieurs parties : une bibliothèque : elle comprend un certain nombre de composants qui nous permettent de saisir les paramètres qui peuvent être mesurés à partir de dispositifs réels ; une zone de travail : elle permet l’édition et la configuration du schéma en cours de conception ; une boîte à outils : elle permet d’ajouter certaines indications (texte, rectangle etc..) dans la zone de travail pour plus de compréhension ; 52 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats Project browser : il permet de visualiser divers fichiers et composants correspondant au projet en cours. Bibliothèque Zone de travail Boîte à outil Project browser Figure 18 : Interface du logiciel OptiSystem 7 Ce logiciel offre plusieurs avantages que sont : L’évaluation des sensibilités des paramètres aidant aux spécifications de tolérance de conception ; la présentation visuelle des options de conception à des clients potentiels ; La fourniture d’un accès direct à des ensembles de données de caractérisation approfondie du système. On distingue plusieurs versions de ce logiciel. La dernière en date à ce jour est Optisystem14, celle mise à notre disposition pour cette étude est la version 7, donc une ancienne version moins riche en composants. 53 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats 4.2. Description et principe général de l’architecture La Figure 19 représente l’architecture générale de notre liaison simulée avec le logiciel OptiSystem 7. Comme toute architecture de communication, la nôtre comporte une partie émettrice (la station centrale dans notre cas), un canal de propagation (la fibre optique) et une partie réception. La partie réception est constituée d’une station de base et d’un récepteur radio connecté via un lien radio. La station centrale et la station de base ont été modélisées avec OptiSystem 7 tandis que le canal radio a été implémenté via co-simulation Optisystem/Matlab. Figure 19 : Schéma de la liaison FTTA simulée Le principe de cette architecture est d’envoyer sur une fibre optique monomode, des données et la porteuse micro-onde à l’aide d’un coupleur. Les paramètres utilisés seront présentés par la suite. Les données binaires émises sont générées à un débit de 10 Gb/s par le composant PRBS ou générateur de données. Le format de modulation ici considéré, est le NRZ et le modulateur, de type MachZehnder. 54 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats Les lasers 1 et 2 sont de type CW (Continuous Wave ou à émission continue) et servent ici à moduler de manière optique le signal NRZ avec une transposition par battement à haute fréquence. Le coupleur sert à injecter les deux signaux optiques mélangés dans la fibre, pour être détecté en sortie par une photodiode PIN. A ce stade, le signal électrique obtenu est amplifié puis filtré avant d’être émis au travers d’une antenne radio à haute fréquence. Le principe de cette technique de transmission est expliqué ci-dessous à 60 GHz. 4.2.1. Transmission à 60 GHz en modulation NRZ Le but de ce projet est de générer un signal RF porté à une fréquence de 60 GHz par une technique de battement de fréquence pour une transmission en espace libre. Pour ceci, il faut intégrer à l’émission, deux sources optiques dont les fréquences d’émission sont espacées de 60 GHz. Le signal NRZ est inscrit sur une seule des porteuses optiques à l’aide d’un modulateur Mach-Zehnder (MZM). Un coupleur permet de réunir la porteuse optique modulée et la porteuse optique non modulée pour les injecter dans la fibre. En réception, on retrouve une photodiode, son pré-amplificateur, et un filtre passe-bas de fréquence de coupure 70 GHz modélisant la bande passante électronique de la photodiode. À la suite du récepteur, un filtre passe-bande est utilisé avant l’émission du signal en espace libre par l’antenne pour limiter le spectre émis et modéliser la bande d’émission de l’antenne. Le canal RF mobile est simulé par un modèle prenant en compte les multi-trajets, le bruit et l’atténuation. Pour ce faire, le canal de Rice a été préféré au canal de Rayleigh puisqu’il nous offre un trajet direct en plus des multi-trajets. En réception, on retrouve le filtre passe-bande après l’antenne, un amplificateur et un système de redressement pour détecter l’enveloppe du signal modulant. 55 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats 4.2.1.1. La station centrale La Figure 20 représente le schéma de la BBU se trouvant à la station centrale. Elle permet de distribuer et de contrôler les données et la sous-porteuse RF. Elle comporte deux lasers DFB délivrant une puissance de 1 mW (0 dB), un modulateur Mach-Zehnder et un coupleur 50/50.La longueur d’onde du laser 1 est fixé à 𝜆1 = 1552.0421 𝑛𝑚 et celle du laser 2 à 𝜆2 = 1552.5243 𝑛𝑚 permettant de générer à la station de base, une porteuse RF de 60 GHz. Figure 20 : Schéma de la BBU au niveau de la station centrale Les lasers Nous utilisons les modèles de laser de la bibliothèque OptiSystem (type laser CW). Les paramètres de ces lasers sont résumés dans le tableau 4 ciaprès. 56 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats Tableau 4: Paramètres des lasers Fréquences (longueur d’onde) du 193.16 THz (1552.0421 nm) laser1 (non modulé) Fréquences (longueur d’onde) du 193.1 THz (1552.5243 nm) laser2 (laser modulé) Puissance d’émission 1 mW (0 dBm) Largeur de raie 100 MHz La visualisation du spectre fréquentielle en sortie des lasers, permet de mettre en évidence la largeur spectrale du laser ainsi que le niveau de puissance optique en sortie (1 mW). (a) (b) Figure 21 : (a) Spectre en sortie du laser 1, (b) Spectre en sortie du laser 2 57 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats Le modulateur Mach-Zender Les paramètres caractéristiques du MZM sont résumés au tableau 5. Tableau 5 : Paramètres du modulateur Mach-Zehnder Taux d’extinction 30 dB Chirp 0 La puissance en sortie est égale à la puissance d’entrée (1 mW) pour le niveau haut et 0 pour le niveau bas. On peut observer cela sur la figure suivante : Figure 22 : Signal optique en sortie du MZM Le coupleur Les coupleurs permettent de distribuer le signal optique vers plusieurs fibres ou inversement, d’acheminer le signal venant de plusieurs fibres vers une seule. 58 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats 4.2.1.2. Le canal de propagation La sortie du coupleur est connectée à une fibre optique monomode dont les paramètres sont résumés dans le tableau suivant : Tableau 6 : Paramètres de la fibre optique Longueur variable de 0 à 140 km Atténuation 0.2 dB/km Dispersion 16 ps/nm/km Longueur d’onde de référence 1552.5243 nm 4.2.1.3. La station de base La Figure 23 représente le schéma du module RRH permettant de détecter le signal RF en sortie de la fibre et de passer de l’optique à l’électrique. Ce module est placé sur le pylône supportant l’antenne. Ce bloc est constitué d’un photodétecteur, d’un amplificateur et d’un filtre passe-bas modélisant la bande passante du photodétecteur pour le cas de la simulation (Figure 23). On trouve ensuite l’antenne pour l’émission en espace libre. Figure 23 : Schéma du RRH 59 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats Le photodétecteur Le photodétecteur permet de convertir un signal optique en signal électrique avec le moins de dégradation possible. Les performances requises pour un photodétecteur sont : une sensibilité importante, une rapidité de détection et un apport de bruit minimum. Le photodétecteur utilisé est une photodiode PIN. Les paramètres utilisés sont résumés dans le tableau suivant : Tableau 7: Paramètres de la photodiode Rendement 1 A/W Courant d’obscurité 0.001 nA Bruit Thermique 10-12 W/Hz Le rendement relie la puissance optique incidente au photocourant généré. Elle s’exprime en A/W. Le courant d’obscurité est un courant circulant dans la photodiode, même en absence de lumière. Il provient du rayonnement thermique environnant. L’amplificateur TIA Le signal sortant de la photodiode est souvent atténué. La TIA ou trans impédance est un amplificateur de mise à niveau du signal. Ce qui fait qu’elle amplifie le signal avec un apport de bruit thermique additionnel. Tableau 8: Paramètres de la TIA après la photodiode Gain Noise Figure Input Noise density 20 dB 6 dB 10-21 W/Hz En clair, l’amplificateur trans impédance a pour fonction de transformer la variation de courant de sortie de la photodiode en une variation de tension tout en 60 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats adaptant l’impédance de sortie afin de compenser les pertes liées aux conversions électrique-optique et optique-électrique. 4.2.1.4. Résultats de simulation Une fois tous les paramètres réglés, la simulation peut être lancée. Le logiciel nous offre différents types d’analyseurs et permet de visualiser la transmission en tout point du circuit, aussi bien dans le domaine électrique qu’en optique. La Figure 24 présente le spectre en sortie du modulateur MZM avant d’être couplé au laser non modulé. On observe un spectre centré à 193.1 THz (fréquence du laser modulé par le MZM) et des lobes de part et d’autre de la fréquence centrale. Il s’agit bien du spectre attendu au niveau du laser modulé NRZ. La Figure 25 quant à elle présente le spectre résultant du coupleur optique. On y observe les spectres correspondants au spectre du modulateur MZM et du laser non modulé, ainsi que le gap de battement fréquentiel entre les deux longueurs d’onde d’émission. Figure 24 : Spectre en sortie du MZM 61 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats Figure 25 : Spectre en sortie du coupleur montrant le gap des 60 GHz L’espacement fréquentiel entre le spectre du MZM et celui du laser non modulé est pour le cas simulé de ∆𝑓 = 60 𝐺𝐻𝑧. Ainsi, nous venons de prouver que la technique de battement est donc bien réussie. L’un des critères qualitatifs utilisés en communications optiques pour décider de la qualité d’un signal NRZ-OOK est le diagramme de l’œil. C’est le résultat de la superposition du signal reçu sur une fenêtre temporelle représentant quelques périodes ou temps bit. Le diagramme de l’œil permet d’avoir un aperçu de la qualité du signal reçu. Nous avons ensuite le TEB qui représente le rapport entre le nombre de bits erronés détectés par le nombre total de bits transmis. Pour cette étude, le TEB cible utilisé comme performance est 10-9. Dans un premier temps, nous allons mener une étude assez technique mais clairement décrite pour qu’elle soit compréhensible par tous. 62 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats Nous allons évaluer la distance maximale avec laquelle, il est possible de réaliser la FTTA en supposant une seule antenne RRH au lieu de distribution (ici un nœud de répartition optique : NRO). Dans ce cas d’étude, le NRO se situe simplement dans une station de base. Nous considérons également qu’au NRO, il est possible d’alimenter en fibre, un certain nombre de sites (cellules radio) dans lesquels on pourra positionner des antennes d’émission (RRH) pour couvrir en large, une zone spécifique en hautdébit. C’est en quelque sorte la logique du PON envisagée avec l’architecture FTTA. Pour simuler le nombre de RRH pouvant être desservis par le NRO, on calcule le budget optique (BO) de la liaison. Pour calculer ce budget, on fait BO=att+pertes où att est l’atténuation due au taux de partage et pertes=0.2*L avec L la longueur de fibre, les pertes occasionnées par l’atténuation linéique de la fibre. Ainsi, la Figure 26 présente les performances obtenues en termes de taux d’erreur binaire (TEB) en variant la longueur de fibre de 0 à 100 km entre la BBU et le NRO. Le débit de la liaison est fixé à 10 Gb/s. La performance cible est fixée ici à 10-9. 63 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats 10−9 Figure 26 : TEB en fonction de la longueur de la fibre entre BBU et NRO L’analyse de ce résultat montre que pour un TEB=10-9, il est possible d’atteindre environ 51 km entre la BBU et le NRO à 10 Gb/s avec les paramètres simulés. Au-delà de cette distance, la performance TEB cible n’est plus garantie. Conclusion, la distance maximale de fibre pouvant être déployée avec assurance d’une bonne qualité entre la BBU et le NRO est de 51 km. Au nœud de répartition optique (NRO), il est possible de desservir plusieurs sites ou cellules radio pour couvrir une zone large en transmission haut débit. Il s’agit des liaisons NRO-RRH. Ce qui suppose un certain nombre d’antennes RRH pour couvrir toute une zone de couverture. L’étude qui suit, permet d’évaluer le nombre de RRH pouvant être desservis depuis le NRO. Nous allons donc reprendre la même simulation mais cette fois, en faisant varier le budget optique pour une longueur de fibre donnée. La simulation a été réalisée pour différentes distances de fibre. Le résultat est présenté à la Figure 27. 64 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats 10−9 Figure 27 : TEB en fonction du BO pour différentes distances de fibre entre BBU et NRO L’analyse de ce résultat montre bien pour chaque distance de fibre, une dégradation du TEB au fur et à mesure que le budget optique augmente. L’atténuation pour le taux de partage représente les différentes pertes de puissance dues au nombre d’ONU (ou RRH) alimentés. Le budget optique est la différence en dB entre les puissances émises et reçues. On observe également que l’augmentation de la distance de fibre, s’accompagne d’une diminution des performances du TEB. Ce qui est justifié par l’effet de la dispersion chromatique de la fibre à mesure que la longueur de fibre croit. Pour chaque distance de fibre simulée (20, 30, 40, 50 et 60 km), le budget optique mesuré, correspond respectivement à (11, 10, 10, 9 et 4 dB). 65 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats Ainsi, pour le cas d’une distance BBU et NRO de 20 km, il est possible théoriquement de desservir environ 12 RRH (correspondant à BO = 11 dB) avec les résultats obtenus. Pour le cas de 50 km, le BO est égal à 9 dB soit 8 RRH. Afin de couvrir chaque zone desservie par la connexion NRO-RRH en haut débit radio, il a aussi été question de mener une étude radio au niveau de chaque RRH (donc cellule radio). Pour le cas étudié, la liaison BBU-NRO est fixée à 50 Km de fibre en supposant un BO=9 dB correspondant à 8 antennes RRH déployées. Dans ces conditions, le canal radio modélisé considère l’affaiblissement en distance et les effets de masque. Il s’agit d’un canal de « Rice » prenant en compte le retard et la perte de puissance par trajet (Cf. Tableau 9 : où les paramètres présentés sont ceux d’un modèle « in car » de réseau 3G large bande CDMA). Le comportement multi-trajets du canal simulé tient compte également de l'impact du bruit qui y est modélisé grâce au paramètre signal sur bruit (SNR). Les résultats obtenus sont présentés à la Figure 28. Il s’agit des performances d’une liaison entre un RRH et une station mobile (MS) à 60 GHz positionnée dans la zone de couverture radio de l’antenne étudiée. 66 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats 10−9 Figure 28 : TEB fonction du SNR pour une transmission radio RRH et station mobile (MS) à 60 GHz L’analyse de ce résultat montre que le TEB s’améliore avec l’augmentation du SNR. Ce qui correspond bien au fait que la réception est bonne (faibles valeurs de TEB) quand la liaison est bonne (SNR élevé). Cette étude est menée en termes de SNR pour un canal radio type Rice après un déploiement en fibre sur 50 km depuis la BBU jusqu’au RRH traité à travers le NRO. On déduit du résultat de la Figure 28, qu’à partir d’un SNR d’au moins 24 dB, les performances en termes de TEB respectent la valeur cible fixée à 10-9. Tableau 9 : Paramètres utilisés pour le canal de Rice [34] Delay (ns) 0 244 488 732 936 1220 1708 1953 Power (dB) 0.0 -2.4 -6.5 -9.4 -12.7 -13.3 -15.4 -25.4 67 Réalisé par Bebert JOACHIM Vitesse du véhicule en mouvement V=120 km/h Chapitre 4 : Simulations et résultats 4.2.2. Difficultés rencontrées Le logiciel de simulation utilisé est OptiSystem 7, une version peu riche en composants utiles. Ce qui a rendu difficile la modélisation et les simulations de la liaison. Comme principales difficultés rencontrées nous avons : Le Dimensionnement des composants et le fait de ne pas pouvoir retrouver le composant qu’il fallait pour le résultat attendu. Il a donc fallu une Co-simulation OptiSystem/Matlab ; Le bon fonctionnement de chaque bloc de la liaison pris individuellement qui, une fois mis ensemble nécessitait d’autres considérations et paramétrages particuliers ; La non capacité d’OptiSystem à tracer l’allure du TEB en fonction d’un paramètre d’où, une fois encore l’utilisation de Matlab en Co-simulation pour réaliser ce tracé. 68 Réalisé par Bebert JOACHIM Chapitre 4 : Simulations et résultats 4.3. Discussion Au terme de notre travail nous avons proposé une architecture FTTA simplifiée permettant d’améliorer le débit et la qualité du signal parvenant à l’antenne. Les différents résultats obtenus nous permettent de confirmer l’hypothèse selon laquelle les systèmes radio sur fibre à travers leur application FTTA sont de très bons candidats pour la montée en débit dans l’accès et pour offrir une qualité de service adéquate dans un réseau moderne. En clair cette étude démontre que, en se servant de la propriété du détecteur optique (photodiode) pour effectuer un battement de fréquence, il est possible de générer une porteuse à 60 GHz directement dans les RRH. Les cellules de couverture à 60 GHz sont relativement restreintes en dimension. Il faudra donc prévoir un nombre important d’antennes pour couvrir une grande zone. Cependant, avec le codage utilisé dans notre travail la bande passante occupe deux fois le débit d’émission. Il faudra donc étendre l’étude à des formats plus avancés tels le Duo-Binaire et l’OFDM pour améliorer le débit et la couverture réseau. 69 Réalisé par Bebert JOACHIM Conclusion et perspectives CONCLUSION ET PERSPECTIVES Avec l’avènement de nouveaux services (cloud computing, Internet of things, etc.) tous aussi gourmands en bande passante les uns que les autres, le haut débit se révèle être une nécessité. Notre travail a donc consisté à évaluer les performances d’une liaison Fiber To The Antenna, utilisant une transposition en fréquence optique à 60 GHz. Pour cela nous avons, dans un premier temps, étudié les systèmes radio sur fibre ainsi que leurs différentes applications. Nous avons ensuite étudié les techniques de transport des signaux radiofréquences et millimétriques sur fibre optique. Nous avons aussi simulée une liaison FTTA dans laquelle, la technique de battement de fréquence entre deux sources optiques a été utilisée pour générer une fréquence de 60 GHz sur fibre optique. Cette simulation a été réalisée avec une modulation NRZ. Les différents résultats nous ont permis de connaître en premier lieu la distance maximale de fibre à déployer jusqu’à un NRO, ensuite le budget optique réalisable et enfin l’impact d’un canal radio sur la liaison. Ces résultats nous ont permis de conclure quant à la faisabilité de l’architecture. Les bandes allouées sont restreintes en termes de bande passante pour un codage NRZ. Il faudra donc rentabiliser au mieux la bande passante avec l’utilisation de formats de modulation avancés. En guise de perspective, nous proposons donc qu’une étude de cette liaison soit réalisée en utilisant d’autres formats de modulation tels que le Duo-Binaire et l’OFDM (utilisé dans la plupart des réseaux sans fils). De plus, une nouvelle source optique (laser et modulateur intégrés) pour les transmissions numériques, fait actuellement l’objet de plusieurs études actuellement : le D-EML (Dual Electro-absorption Modulated Laser). Il serait intéressant d’envisager son apport dans cette étude. 70 Réalisé par Bebert JOACHIM Conclusion et perspectives En conclusion, ce projet nous a permis de traiter de thématiques pointues et d’actualité en nous faisant préparer à l’aptitude nécessaire d’un Ingénieur à faire face aux difficultés rencontrées et les surpasser avec ferveur. A travers ce document, nous pensons laisser un travail pouvant préparer la relève du département à l’outil de simulation OptiSystem 7 et les notions techniques quant aux communications optiques et hybrides en vogue actuellement. 71 Réalisé par Bebert JOACHIM Références bibliographiques REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES [1] H. Le Bras, « Etude des réseaux radio sur fibre dans le contexte des réseaux d'accès et privatifs,» Thèse de Doctorat, Université PIERRE ET MARIE CURIE, 2008. [2] B. Mostafa, «Etude d'architectures de systèmes de transmission de signaux ULB RF et millimétriques avec le lien optique.Application à la Radio-surFibre,» Thèse de Doctorat, Université PIERRE ET MARIE CURIE, 2011. [3] T. Anfray, «Étude et simulation des potentialités du Dual Electroabsorption Modulated Laser (D-EML) pour la montée en débit dans les futurs réseaux d'accès optique,» Thèse de Doctorat, Université de Limoges, 2013. 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L’environnement du récepteur n’étant pas figé, la phase des trajets multiples évolue, modifiant ainsi l’amplitude du signal reçu. Chaque rayon arrivant au récepteur subit divers phénomènes électromagnétiques tels que la réflexion, la diffraction et la diffusion. Les temps de propagation, c’est-à-dire les retards, diffèrent en fonction de l’éloignement du récepteur et des obstacles. Cela engendre donc des distorsions du canal de propagation qualifiées d’étalement des retards. Lorsque le récepteur se déplace, le signal subit des distorsions supplémentaires liées à la vitesse du mobile. Ces variations du canal de propagation en fonction du temps, se traduisent dans le domaine fréquentiel par l’étalement Doppler. Figure 29 : Illustration des phénomènes de réflexion, diffraction et diffusion des trajets multiples [34] 76 Réalisé par Bebert JOACHIM Annexes Plusieurs canaux de transmission existent dont le canal de Rice. Le canal de Rice nous offre un trajet direct en plus des différents trajets multiples. La fonction densité de probabilité s’écrit : 𝑟 −𝑟 2+𝐴2 2 𝑟. 𝐴 𝑓(𝑟) = 2 𝑒 2𝜎 . 𝐼0 ( 2 ) 𝜎 𝜎 avec A l’amplitude du trajet direct, 𝜎 2 la variance et 𝐼0 la fonction de Bessel de première espèce et d’ordre 0. Dans la loi de Rice un paramètre important est le paramètre K, ou paramètre de Rice. Il représente le rapport entre la puissance du trajet principal et la puissance des trajets multiples. 𝑝𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑑𝑢 𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑡 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡 𝐴2 𝐾= = 𝑝𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑑𝑒𝑠 𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑡𝑠 𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑒𝑠 2𝜎 2 Pour K=0 on a la loi de Rayleigh, K≠ 0 on a la loi de Rice et pour K>10 on a la loi de Gauss. Annexe B : Code Matlab pour le canal de Rice %MATLAB model of k-path rician channel model % clc; OutputPort1=InputPort1; SNRCanal = Parameter0; % Récupère la valeur en dB du SNR dû au bruit du canal radio mobile Tx_Packet=InputPort1.Sampled.Signal; % Paramètres du canal de Rician KFactor = 8; % Rician K-factor Ts=6.2500e-12; % sampling time in second Fd=666.6667; % doppler frequency in Hz 77 Réalisé par Bebert JOACHIM Annexes Tau=[0.0 ,244e-9, 488e-9, 732e-9, 936e-9, 1220e-9, 1708e-9, 1953e-9]*Ts; % delay for the k paths PdB=[0.0, -2.4, -6.5, -9.4, -12.7, -13.3, -15.4, -25.4]; % power in each of the k paths % rician channel model h = ricianchan(Ts, Fd, KFactor, Tau, PdB); h.StoreHistory = true; Rx_Packet = filter(h, Tx_Packet); Rx_Packet = Rx_Packet +awgn(Tx_Packet,SNRCanal,'measured'); % Ajout du Bruit OutputPort1.Sampled.Signal=Rx_Packet; Annexe C : Evolution estimative du trafic IP dans le monde [36] Figure 30 : Volume de données du trafic Internet mondial des réseaux de diffusion de contenu de 2014 à 2019 (en pétaoctets par mois) 78 Réalisé par Bebert JOACHIM Annexes Annexe D : Fréquences régulées au Bénin [37] BANDES DE FREQUENCES 6 GHz 7 GHz 8 GHz 11 GHz 13 GHz 15 GHz 18 GHz 23 GHz 5925 - 6425 6425 - 7125 7110 - 7900 7725 - 8500 10 .7 - 11.7 12.75 - 13.25 14.5 - 15.35 17.7 - 19.7 21.2 - 23.6 MHz MHZ MHz MHz GHz GHz GHz GHz GHz Largeur de bande 29.65 MHz 40 MHz 28 MHz 29.65 MHz 40 MHz 28 MHz 28 MHz 55 MHz 28 MHz Recommandation UIT UIT-R F. 383-8 UIT-R F. 384-10 UIT-R F. 385-9 UIT-R F. 386-8 UIT-R F. 387-10 UIT-R F. 497-7 UIT-R F. 636-3 UIT-R F. 595-9 UIT-R F. 637 Annexe E : Chronogramme de réalisation du projet 79 Réalisé par Bebert JOACHIM English version ENGLISH VERSION SIMULATION OF FIBER TO THE ANTENNA LINK USING OPTICAL FREQUENCY TRANSPOSITION 80 Réalisé par Bebert JOACHIM English version INTRODUCTION During recent years, the number of multimedia services has considerably increased.Being able of ensuring availability, quality, scalability and responsiveness has become very important for Telecommunications operators. It is therefore important to know how to locate in a transmission chain the constraining parameters and the various physical phenomena limiting the rise in data rate. To increase the data rate, it is necessary to increase frequency. This rise is followed by significant intrinsic losses in the case of a copper cable found in most current wireless telecommunications systems. Optical fiber is increasingly introduced into networks therefore Fiber To The Home (FTTH), Fiber To The Office (FTTO), Fiber To The Antenna (FTTA) systems are currently deployed. Two main optical access topologies can be deployed to interconnect the Central Office (CO) to the customers, either pointto-point networks or Passive Optical Networks (PONs). PON has attracted operators and equipment manufacturers because it is the least costly solution in terms of deployment and maintenance. In the electrical domain, the frequency change operation uses a local oscillator (LO) which sets the value of the frequency translation to a mixer device. This method is often confronted with a non-stable generation of signals, causing synchronization errors. Therefore, the use of new transmission technics is necessary. The main objective of this work is to fill increasingly bandwidth demand and speed required for a light use. That’s by using optical fiber to transit signal, as well as optical frequency transposition is employed. 81 Réalisé par Bebert JOACHIM English version 1. Interests and characteristics of 60 GHz band The explosive growth of the Internet and the success of 2G and WLAN systems have had a deep impact on our perception of communication. We are living in the era of universal connectivity. Dedicated initially to military radar applications, Ultra-Wide Band (UWB) communication systems are developing on a large scale. Ultra-wide band technology consists of modulating and transmitting very short pulses that occupy a very broad spectrum but with a very low level of energy so that they do not disturb other systems using this band. This technology are currently the subject of several debates from which the standardization bodies and large discrepancies have emerged, in particular with regard to allocation of frequency ranges. These systems give rise to new applications in the millimeter band around 60 GHz, still free to use. One of the reasons for growing interest in the 60 GHz band for wireless communications applications, lies in the fact that a spectrum width almost 9 GHz without license is available. We can therefore expect realization of very highspeed communications. Free space losses as well as oxygen absorption, make this frequency band suitable for short-haul connections and indoor and wideband applications. For realization of very high-speed communications we need to use optical fiber as transmission support. Using of Radio over fiber technic will be more advantageous to compensate the limitations of existing technologies. 82 Réalisé par Bebert JOACHIM English version 2. Radio over Fiber Radio over fiber is a technic for generating and / or transmitting radiofrequency signals over an optical fiber. That technic is based mainly on the modulation of an optical carrier by at least on radiofrequency signal who carrying data to be transmitted. It offers several advantages like lower attenuation loss, better coverage and increased capacity, resistance to RF interference, reduced power consumption etc... Radio over fiber can be used for multiple purposes such as the transport of cellular signals between a base station and the remote antennas, access to dead zones, wireless local area network, fiber to the antenna etc... Fiber to the antenna FTTA is a broadband network architecture in which optical fiber connects central station to the base station and base station to the antenna. Indeed the radio cell sizes of modern mobile communications systems are becoming increasingly smaller due to increasing data rates, higher transmission frequencies and the increase volume of data. Conventional cellular network architectures with copper wire links between the base station and the cell-site antenna can no longer support this trend in a cost – efficient way and are also no longer competitive. With Fiber to the Antenna, the entire high frequency and power electronics are taken from the base station and located at a remote-radio head close to the antenna. This remote radio head (RRH) is linked to the base station by fiber optic cables. To generate radio signals over fiber, several technics are used. We distinguish among them remote heterodyne detection technique. 83 Réalisé par Bebert JOACHIM English version 3. Remote Heterodyne Detection To generate an RF signal, most technics are based on the coherence principle of mixing in photodiode. Those technics are named remote heterodyne detection. Optical to electric converters with direct detection are quadratic. The electrical signal they generate is not an image of the electric field of the incident light wave but, an image of its power. That image is proportional to the square of the electric field. From a spectral point of view, it means the beats between lines of the optical spectrum. For an incident spectrum containing two optical lines, a single beat is possible. The result is a sinusoidal signal. The central frequency of this signal corresponds to the spacing between the two optical lines. It is shown on Figure 30. Figure 31 : Optical to electric conversion, case of incident optical spectrum with two and three lines 84 Réalisé par Bebert JOACHIM English version Many technics exist to generate optical lines. They can be classified into three categories: The use of multiple optical sources Design of a laser generating some optical lines The use of non-linear lasers 4. Simulation One of the main objectives of our work is to design FTTA architecture based on remote heterodyne detection. Figure (31) depicts the principle of proposed FTTA architecture. Central station (CS) is made up two continuous waves (CW) lasers, one pulse generator (NRZ in this case), one pseudo random binary sequence (PRBS) generator, one Mach-Zehnder modulator and one coupler. Difference between frequency of each laser, must be equal to optical carrier frequency. In this case optical carrier frequency is 60 GHz. One of laser is modulate by pulse generator through to MZM. The output signal of MZM and second laser is combined by a coupler. After coupler we have a single mode optical fiber for the transmission of information. Optical signal is converted into an electrical signal by a photodiode. After the photodiode we have Trans Impedance Amplifier (TIA) and low pass filter (LPF). TIA amplifies output signal of photodiode and adds some noise. LPF designs photodiode’s bandwidth. 85 Réalisé par Bebert JOACHIM English version Figure 32 : General schematic of the simulated FTTA link 5. Discussion At the end of our work, we proposed a simplified FTTA architecture to improve the rate and quality of the signal coming from the antenna. Different results obtained (Figure 32 and 33) allow us to confirm the hypothesis that fiber to the antenna is essential to increase the data rate. This study demonstrates that by using the property of optical detector to perform a frequency beat it is possible to generate a carrier at 60 GHz directly in RRH. The 60 GHz coverage cells are restricted in size so a large number of antennas will be required to cover a large area. It will be necessary to extend the study to more advanced modulation formats such as duo-binary and OFDM to improve the coverage of the network and the data rate. 86 Réalisé par Bebert JOACHIM English version 10−9 Figure 33 : BER based on fiber length between BBU and optical distribution node (ODN) 10−9 Figure 34 : BER based on optical budget for different length of fiber between BBU and ODN 87 Réalisé par Bebert JOACHIM English version CONCLUSION With new services (cloud computing, Internet of things, etc…) which require wide bandwidth, the broadband feels to be a need. Our work has consisted in evaluation of performances of fiber to the antenna link using optical frequency at 60 GHz. Work in that context, firstly we studied radio over fiber systems and their different applications. Secondly, we studied technics of signal transport on optical fiber. Then we simulated a fiber to the antenna link, where the technic of beat frequency between two optical sources had been used in order to generate 60 GHz frequency on optical fiber. That simulation, realized with NRZ modulation has allowed to demonstrate that architecture is feasible. By way of prospects we propose that a study of this connection is achieved by using other formats modulation such as duo-binary and OFDM. In addition a new optical source laser-modulator integrated is the subject of several studies. It would be interesting to integrate it in our work. 88 Réalisé par Bebert JOACHIM Table des matières Table des matières SOMMAIRE ......................................................................................................... i DEDICACES ....................................................................................................... ii REMERCIEMENTS .......................................................................................... iii LISTE DES SIGLES ET ACRONYMES ........................................................ iv LISTE DES TABLEAUX ................................................................................ viii LISTE DES FIGURES....................................................................................... ix RESUME ............................................................................................................. xi ABSTRACT ....................................................................................................... xii INTRODUCTION GENERALE ....................................................................... 1 CHAPITRE 1 : LES COMMUNICATIONS SANS FIL A HAUTES FREQUENCES .................................................................................................... 6 1.1. Les différents réseaux sans fil ...................................................................... 6 1.2. Les systèmes de communication sans fil large bande .............................. 10 1.3. Intérêts et caractéristiques de la bande des 60 GHz ................................ 13 1.4. Normalisation et applications potentielles à 60 GHz ............................... 15 1.4.1. Normalisation de la bande des 60 GHz ........................................... 15 1.4.2. Applications potentielles à 60 GHz .................................................. 17 1.5. Propagation guidée des signaux haute fréquence .................................... 18 CHAPITRE 2 : LES SYSTEMES RADIO SUR FIBRE (RoF) .................... 20 2.1. La fibre optique ........................................................................................... 20 2.1.1. Présentation de la fibre optique ....................................................... 20 2.1.2. Les limitations de la fibre optique.................................................... 21 2.1.2.1. L’atténuation ............................................................................... 21 2.1.2.2. La dispersion ................................................................................ 22 2.2. Définition de la radio sur fibre .................................................................. 24 2.3. Avantages de la radio sur fibre .................................................................. 26 2.4. Limitations de la radio sur fibre ................................................................ 29 2.5. Applications de la radio sur fibre .............................................................. 29 2.6. Architectures générales d’une liaison FTTA............................................ 31 2.6.1. Généralités sur les réseaux FTTx..................................................... 31 89 Réalisé par Bebert JOACHIM Table des matières 2.6.1.1. Le point à point passif ................................................................. 31 2.6.1.2. Le point-multipoint passif .......................................................... 32 2.6.2. L’architecture FTTA......................................................................... 35 CHAPITRE 3 : LES TECHNIQUES DE TRANSPORT DES SIGNAUX RADIO- FREQUENCES ET MILLIMETRIQUES SUR FIBRE OPTIQUE ............................................................................................................................. 38 3.1. Les techniques de transmission.................................................................. 38 3.1.1. Transmission en bande de base ........................................................ 38 3.1.2. Transmission par transposition en fréquence intermédiaire (IF over fiber) ........................................................................................................ 39 3.1.3. Transmission par transposition sur porteuse micro-onde (RF over fiber) 39 3.2. Les techniques de déport radio sur fibre .................................................. 39 3.2.1. La détection directe ........................................................................... 40 3.2.1.1. La modulation directe de la diode laser .................................... 40 3.2.1.2. La modulation externe ................................................................ 42 3.2.2. La détection hétérodyne .................................................................... 44 3.2.2.1. Conversion O/E ........................................................................... 44 3.2.2.2. Solution pour générer optiquement une porteuse micro-onde46 3.2.2.3. Les principaux mélangeurs optoélectroniques ......................... 50 CHAPITRE 4 : SIMULATIONS ET RESULTATS...................................... 52 4.1. Présentation du logiciel OptiSystem 7....................................................... 52 4.2. Description et principe général de l’architecture .................................... 54 4.2.1. Transmission à 60 GHz en modulation NRZ .................................. 55 4.2.1.1. La station centrale ....................................................................... 56 4.2.1.2. Le canal de propagation ............................................................. 59 4.2.1.3. La station de base ........................................................................ 59 4.2.1.4. Résultats de simulation ............................................................... 61 4.2.2. Difficultés rencontrées....................................................................... 68 4.3. Discussion ..................................................................................................... 69 CONCLUSION ET PERSPECTIVES ............................................................ 70 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ........................................................ 72 90 Réalisé par Bebert JOACHIM Table des matières ANNEXES .......................................................................................................... 76 ENGLISH VERSION........................................................................................ 80 91 Réalisé par Bebert JOACHIM
