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memoire bebert corrigé final

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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.
[4]
La transposition en fréquence et la transmission hertzienne,
denis.arnaud.free.fr/trex/report/node22.html consulté le 15 juillet 2016.
[5]
J. Redoutey, «Transposition de fréquence principe et applications,» Cycle
ISMIN, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2009.
[6]
R. ABDAOUI, «Architectures multi-bandes en mode impulsionnel et
circuits pour des applications nomades très haut débit autour de 60 GHz,»
Thèse de Doctorat, Université PARIS-EST, 2012.
[7]
B. FTAICH-FRIGUI, «Aide à la conception et à la caractérisation
expérimentale de composants optoélectroniques pour les interfaces RF
Optique à très haut débit. Optimisation du packaging associé par une
approche hybride électromagnétique-circuit,»
Thèse de Doctorat,
Université de Limoges, 2010.
[8]
Quels
sont
les
types
de
communication
sans
fil,
http://lenouvelliste.com/lenouvelliste/article/157434/Quels-sont-les-typesde-communication-sans-fil consulté le 29 juillet 2016.
72
Réalisé par Bebert JOACHIM
Références bibliographiques
[9]
H. Liu, «Radio sur fibre : réseaux, couvertures radio, architectures et
dimensionnements matériels,» Thèse de Doctorat, Télécom Bretagne,
2013.
[10] Le point sur Le WiMAX, http://www.ant.developpementdurable.gouv.fr/le-point-sur-le-wimax-a9.html consulté le 29 juillet 2016.
[11] T. Sarrazin, «Conception et réalisation d'antennes reconfigurables à base de
MEMS en intégration hétérogène 3D pour systèmes de communication
millimétriques,» Thèse de Doctorat, UNIVERSITÉ DE RENNES 1, 2013.
[12] T. Baykas, C. Sum et et al, «the first ieee wireless standard for data rates
over 1 gb/s,» IEEE Communications Magazine, vol. 49, n°117, pp. 114121, 2011.
[13] S. DREAN, «Oscillateur de puissance en ondes millimétriques,» Thèse de
Doctorat, UNIVERSITE BORDEAUX 1, 2012.
[14] Effet de peau, https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_de_peau consulté le 03
août 2016.
[15] Câble coaxial RG58C/U, 50 Ω, http://fr.rs-online.com/web/p/cable-dedescente-ethernet/2227544/ consulté le 03 août 2016.
[16] Guides d’ondes,
http://hyper.dajax.fr/05propagguide/C05_2rect/C5_2rect.htm consulté le
03 août 2016.
[17] Max Fréjus O. Sanya, « Etude de l’amplification dans les liaisons de
télécommunications par fibre optique : théorie & simulations,» Rapport de
DEA, Université d’Abomey Calavi/EPAC, 2010.
[18] M. DOSSOU, «Dispositifs et transmission optique,» Cours, Université
d’Abomey-Calavi/EPAC, 2016.
73
Réalisé par Bebert JOACHIM
Références bibliographiques
[19] http://www.academia.edu/5924668/Memoire_fin_BM_corriger consulté le
05 août 2016.
[20]
http://sti.mermoz.free.fr/physique/CMS_TS2/Transmission_fibre_optique.
pdf consulté le 07 août 2016.
[21] A. Ng’oma, «Radio-over-fibre technology for broadband wireless
communication systems,» Thèse de Doctorat, Technische University of
Eindhoven, 2005.
[22] I. Tabassam, «Feed-forward Linearisation of a Directly Modulated
Semiconductor Laser and Broadband Millimetre-wave Wireless over Fibre
Systems,» Thèse de Doctorat, University College London, 2006.
[23] ITU, «World Telecommunication Development Report 2002: Reinventing
Telecoms,» 2002.
[24] D. Wake, «Radio over Fiber Systems for Mobile Applications” in Radio
over Fiber Technologies for Mobile Communications Networks,» 2002.
[25] M. A. ELAJI, «Etude et modélisation d’un système de transmission radiosur-fibre,» Mémoire de projet de fin d’études, 2009.
[26] Radio over Fiber, https://en.wikipedia.org/wiki/Radio_over_fiber consulté
le 07 août 2016.
[27] Le point sur Le Fttx : le réseau optique de desserte,
http://www.ant.developpement-durable.gouv.fr/le-point-sur-le-fttx-lereseau optique-de-desserte-a18.html consulté le 07 août 2016.
[28] COGISYS, «MEMO SUR LES RESEAUX FTTH,» 2009.
[29] M. Strasser, «FTTA Fiber-To-The-Antenna – Technology Change in
Mobile Communications,» white paper.
74
Réalisé par Bebert JOACHIM
Références bibliographiques
[30] Fiber-to-the-Antenna, http://www.exfo.com/glossary/fiber-to-the-antenna
consulté le 07 août 2016.
[31] L. J. Vimala Reddy, «Radio over Fiber (RoF) Technology an Integration of
Microwave and Optical Network for Wireless Access,» International
Journal of Computer Applications (0975 – 8887), volume 113, n°12, 2016.
[32] A. G.-J. e. a. I.E. Zaldívar-Huerta, «Proposal and performance evaluation
of a Fiber-To-The-Antenna system for video distribution operating in the
S-band,» Optics & Laser Technology, pp. 89-94, 2015.
[33] F. Parésys, « Etude du mélange optoélectronique par photodiode en vue
d’applications radio sur fibre à 60 GHz,» Thèse de Doctorat, Université de
Grenoble, 2012.
[34] Tranter, W., & Rappaport, T. et al, « Principles of Communication Systems
Simulation with Wireless Applications,» 2003.
[35] Jean-François Pardonche, «Systèmes de transmission sans fil multiémetteurs, multi-récepteurs pour des applications de transport. Etude des
modèles de canal de propagation,» Thèse de Doctorat, Université des
sciences et technique de Lille, 2004.
[36] Volume de données du trafic Internet mondial des réseaux de diffusion de
contenu de 2014 à 2019 (en pétaoctets par mois),
https://fr.statista.com/statistiques/565507/previsions-trafic-internetmondial-des-reseaux-de-diffusion-de-contenu--2019/
[37] ARCEP, 2016
75
Réalisé par Bebert JOACHIM
Annexes
ANNEXES
Annexe A: Canal de Rice [35]
Le signal radio est constitué d’une infinité de rayons qui se propagent de
l’émetteur jusqu’au récepteur mobile en suivant différents chemins ou trajets
multiples. Le récepteur reçoit la somme des contributions de tous les trajets
multiples (Figure 29). 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
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SIMULATION OF FIBER TO THE ANTENNA LINK
USING OPTICAL FREQUENCY TRANSPOSITION
80
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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