Sujet Thèse Gridless

Sujet de thèse « Etude du multiplexage optique flexible et de
ses applications aux réseaux métropolitains transparents »
Contexte de la demande
Les besoins en capacité des réseaux de transport optiques (cœur et métropolitain) continuent à
croître rapidement. Les réseaux optiques de transport font largement appel au multiplexage en
longueurs d’onde. L’UIT a défini pour les multiplexes DWDM (Dense Wavelength Division
Multiplexing) plusieurs peignes de fréquence. La quasi-totalité des systèmes utilise des
canaux situés dans la bande C (1530 -1565 nm) et un peigne fixe au pas de 100 ou 50 GHz
[1]. Les premiers systèmes DWDM transportaient un débit de 2,5 ou 10 Gbit/s par canal au
format NRZ. Des systèmes à 40 Gbit/s ont été proposés à partir des années 2000. Toutefois,
leur introduction s’est heurtée à différents problèmes de propagation et a laissé entrevoir une
saturation rapide de la bande C, du fait de la faible efficacité spectrale des modulations
utilisées, limitées à 1 bit par symbole.
Dans ce contexte, les techniques de transmission cohérentes ont vu leur intérêt renouvelé
grâce aux progrès des composants électroniques et de l’optique intégrée. Ainsi, les effets tels
que la dispersion chromatique et la dispersion de modes de polarisation (PMD) peuvent être
limités ou compensés électroniquement tout en améliorant l’efficacité spectrale avec des
formats de modulation vectorielle. Ceci permet aux opérateurs d’augmenter la capacité de leur
réseau tout en conservant l’infrastructure existante (fibre, amplificateurs, multiplexeurs…).
Les travaux sur ces nouveaux systèmes cohérents ont débouché sur une nouvelle génération
de systèmes à 40 Gbit/s au format « Dual Polarization QPSK (DP-QPSK) ». Les principaux
constructeurs introduisent maintenant des systèmes à 100 Gbit/s utilisant ce même format de
modulation, compatibles avec le peigne au pas de 50 GHz, soit une efficacité spectrale de 2
bit/s/Hz. Si l’UIT a défini l’espacement des canaux DWDM, le gabarit du canal est resté une
question ouverte [3]. La largeur spectrale effectivement utilisable par un canal dépend d’une
part des caractéristiques des fonctions de filtrage qu’il peut être amené à traverser (en
particulier le nombre et les caractéristiques des ROADM) et d’autre part de la robustesse de
son format de modulation aux effets de filtrage. Le peigne au pas de 50 GHz ne permettra trsè
probablement pas le passage aux débits supérieurs. L’utilisation d’un peigne plus espacé est
bien sûr possible mais cette option oblige à faire évoluer régulièrement l’infrastructure et,
dans le cas d’une coexistence de canaux de débits différents, elle implique une dégradation de
l’efficacité spectrale globale. Cette perspective a conduit récemment certains à envisager
l’abandon du caractère rigide du peigne UIT pour passer à un plan de fréquence beaucoup
plus flexible [4]
A côté de l’augmentation de la capacité, une tendance forte des réseaux de transport optique
est l’augmentation des possibilités de brassage des canaux en optique pour faire face aux
besoins de sécurisation en cas de panne et aux variations du trafic sur une échelle de temps
longue. Les opérateurs ont ainsi commencé à déployer des Multiplexeurs Optiques à
Insertion/Extraction Reconfigurables (désignés usuellement par leur acronyme anglais
ROADM). Les techniques de commutation optique offrent l'opportunité de réduire
drastiquement la consommation d'énergie en deçà du Watt / Gbit/s tout en étant compatibles
avec la montée en débit.
Sur le plan technologique, l’introduction de « Commutateurs sélectifs en longueur d’onde »
(appelés communément WSS), qui combinent dans un même dispositif optique les fonctions
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de démultiplexage en longueur d’onde et d’aiguillage spatial, a permis de proposer de
nouvelles architectures de ROADM. Celles-ci limitent les contraintes opérationnelles pour les
opérateurs (ports d’insertion/extraction non colorés et permettant d’accéder à toutes les
directions) et sont extensibles à des nœuds de degré supérieurs à deux (intersection d’anneaux
et réseaux maillés). L’intérêt pour un multiplexage optique flexible est conforté par les
progrès des dernières générations WSS (notamment en technologie cristal liquide sur Silicium
ou LCoS) qui disposent d’une résolution spectrale bien inférieure à 50 GHz [5] [6].
Le multiplexage optique flexible (FWDM) suscite un intérêt croissant dans la communauté
scientifique des réseaux optiques. Il a ainsi fait l’objet d’une session complète lors de la
dernière conférence OFC en mars 2011. Suivant les approches, la flexibilité du canal se
traduit par une variation de son débit à encombrement spectral constant, par une variation de
son encombrement spectral à débit constant ou par une variation de ces deux paramètres. Au
plan industriel, Ciena vient d’annoncer la disponibilité de transpondeurs agiles en débit
(40/100G) et en format de modulation (BPSK ou QPSK) [14].
Beaucoup des nouvelles possibilités offertes par le FWDM restent à explorer avant de pouvoir
en évaluer l’impact à moyen et long terme sur les réseaux optiques.
Objectifs du projet
Cette thèse est consacrée à l’étude d’approches nouvelles de multiplexage optique nettement
plus flexibles que les solutions actuelles basées sur un peigne de fréquences régulièrement
espacées. Ces approches doivent permettre une optimisation de l’efficacité spectrale globale
d’un multiplex optique ; elles visent à ajuster finement le débit et la bande passante de chaque
canal. On étudiera leur application à de nouvelles architectures de réseaux optiques
métropolitains transparents.
Les principaux objectifs portent sur :
• la définition de solutions de multiplexage optique, à base notamment d’OFDM,
présentant un compromis entre flexibilité et simplicité de mise en œuvre ;
• l’évaluation par simulations de ces solutions pour des réseaux d’une portée de
plusieurs centaines de km et comportant au moins une dizaine de nœuds
d’insertion/extraction flexibles ;
• la proposition d’architectures de réseaux métropolitains à faible consommation
d’énergie mettant en œuvre ces solutions et des mécanismes de protection
originaux ;
• le dimensionnement et l’évaluation de ces architectures.
Parmi les différentes architectures possibles, on considèrera particulièrement des «arbres
métropolitains transparents » dans lesquels l’agrégation des flux provenant des différents
NRA (Nœud de Raccordement d’Abonné) se fait par multiplexage FWDM La possibilité de
faire varier le débit d’un canal sera prise en compte (en supposant un encombrement spectral
fixe ou variable). On étudiera l’application de ce débit variable à la sécurisation des canaux
FWDM. Cette approche parait particulièrement attractive dans un contexte de réseau
métropolitain où la portée des systèmes est assez réduite (ce qui permet d’envisager des
efficacités spectrales importantes pour les canaux FWDM) et où la topologie physique
faiblement maillée limite la diversité des chemins pour la protection.
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Compétences scientifiques requises
Le candidat devra disposer de connaissances variées en télécommunications :
× Bonne connaissances en transmission optique et communication numérique
(multiplexage, modulation).
× Maîtrise de techniques d’optimisation adaptées aux réseaux
(programmation linéaire,…)
Il devra également avoir une bonne aptitude à mettre en œuvre des outils de simulation de
systèmes optiques (ex: VPI, RSOFT).
Plus généralement la nature des problèmes à traiter requiert un goût certain pour un travail
pluridisciplinaire et un excellent esprit de synthèse.
Contact
Philippe Gravey, Département Optique
([email protected], +33229001581)
Michel Morvan, Département Optique
([email protected], +33229001367)
Références bibliographiques
[1] Recommandation ITU-T G.694.1.
[2] A. N Patel, P. N. Ji, J. P. Jue, T. Wang, “Survivable Transparent Flexible Optical
WDM (FWDM) Networks) ”, OTuI2 (OFC 2011)
[3] Recommandation ITU-T G.671
[4] M. Jinno, H. Takara, B. Kozicki, Y. Tsukishima, Y. Sone, and S. Matsuoka,
“Spectrum-Efficient and Scalable Elastic Optical Path Network: Architecture,
Benefits, and Enabling Technologies”, IEEE Comm. Mag., vol.47, pp. 66-73, 2009.
[5] G. Baxter, S. Frisken, D. Abakoumov, H. Zhou, I. Clarke, A. Bartos, and S. Poole,
“Highly Programmable Wavelength Selective Switch Based on Liquid Crystal on
Silicon Switching Elements”, Proc. OFC/NFOEC ’06, 2006.
[6] S. Frisken, G. Baxter, D. Abakoumov, H. Zhou, I.Clarke, and Simon Poole, “Flexible
and Grid-less Wavelength Selective Switch using LCOS Technology”, OTuM3 (OFC
2011)
[7] Y. Zhang, X. Zheng, Q. Li, N. Hua, Y. Li, and H. Zhang, “Traffic Grooming in
Spectrum-Elastic Optical Path Networks”, OTuI1 (OFC 2011)
[8] T. Takagi, H. Hasegawa, K. Sato, Y. Sone, B. Kozicki, A. Hirano, and M. Jinno,
“Dynamic Routing and Frequency Slot Assignment for Elastic Optical Path Networks
that Adopt Distance Adaptive Modulation”, OTuI7 (OFC 2011)
[9] S. Thiagarajan, M. Frankel and D. Boertjes, “Spectrum Efficient Super-Channels in
Dynamic Flexible Grid Networks – A Blocking Analysis”, OTu6 (OFC 2011)
[10] O. Rival, A. Morea, OECC’10, 7A2-3 (2010)
[11] K. Christodoulopoulos, I. Tomkos, E. Varvarigos, “Dynamic Bandwidth Allocation
in Flexible OFDM-based Networks”, OTuI5 (OFC 2011)
[12] O. Gerstel, “Realistic Approaches to Scaling IP Network using Optics”, OWP1 (OFC
2011)
[13] Y. Ishii, et al., “MEMS-based 1x43 Wavelength-Selective Switch with Flat
Passband”, Proceedings of ECOC 2010, PD 1.9
[14] http://www.ecocexhibition.com/node/7144/bnr?hq_e=el&hq_m=778835&hq_l=9&hq
_v=002c33cd8
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