Titre de la thèse : Evaluation de technologies optiques pour un
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Titre de la thèse : Evaluation de technologies optiques pour un réseau local domestique à très haut débit, à impact sanitaire et environnemental réduit : l’approche GROWTH. Responsables de la thèse : Bruno Fracasso, Maître de Conférences, Télécom Bretagne Dominique Leroux, Ingénieur d’étude, Télécom Bretagne Equipe d’accueil où se déroulera la thèse : Département Optique, Telecom Bretagne en collaboration avec le Département Signal et Communications Résumé : La multiplication des équipements multimédia domestiques contribue à une augmentation significative de la consommation d’énergie et de la pollution environnementale et sanitaire. Les préoccupations induites se heurtent à une volonté croissante de la part des opérateurs et des industriels de promouvoir un réseau local domestique (RLD) à très haut débit, offrant des services diversifiés autour la diffusion vidéo en haute-définition. Cette demande est renforcée par le déploiement du réseau d’accès optique à haut-débit chez l’abonné (100 Mbit/s et au-delà). Par rapport à l’offre existante en transmission sans fil radio-fréquence, notre étude vise à caractériser et évaluer une technologie de RLD "tout-optique", fournissant des cellules optique en espace libre à très haut débit (e.g. 10 Gbit/s) via un réseau d’interconnexions en fibre optique polymère bas coût. Le dimensionnement de ce RLD passe par la caractérisation physique du canal de transmission optique fibre/espace libre et le choix d’une forme d’onde adaptée. Nous souhaitons en outre que la validation de la solution retenue intègre des critères environnementaux, tels que la minimisation de la consommation énergétique et le respect des normes sanitaires, le tout visant des coûts d’implantation et d’entretien les plus bas possibles. Nous désignerons ce type d’architecture par GROWTH, pour GRreen Optical Wireless inTo Home network. Nous pensons enfin que la dynamique créée à partir de cette étude nous permettra un rapprochement avec des équipes nationales ou internationales ayant le même centre d’intérêt. L’expertise acquise devrait ainsi nous permettre de positionner Télécom Bretagne et l’Institut Télécom sur les projets Européens susceptibles d’émerger dans les mois à venir autour de la thématique « Green TIC ». 1 Descriptif détaillé 1. Objectif et motivation de la proposition Cette thèse porte sur la définition et l’évaluation de la couche physique d’un réseau local domestique (RLD) à transmission optique de bout-en-bout, capable de diffuser le très haut débit (plusieurs Gbit/s) via des femtocellules optiques en espace libre, interconnectées par fibre optique plastique (POF). Compte-tenu de l’environnement fortement pollué par les rayonnements électromagnétiques ("electrosmog"), du poids économique et de la forte dissémination dans le grand public des RLD, le cahier des charges intégrera des critères liés au développement durable et à la santé. Ainsi, le travail portera principalement sur la recherche de solutions techniques à très haut débit visant à rationaliser la consommation d’énergie, en même temps que le coût de développement, d’installation et de maintenance du système global. Nous désignons ce type d’architecture innovante par GROWTH, pour GRreen Optical Wireless inTo Home network. Dans le cadre de l’Institut Télécom, cette proposition vient compléter plusieurs initiatives de Télécom Bretagne dont elle constituera une brique de base pour la partie optique. Le département d’Optique pilote, en partenariat avec les départements « Micro-ondes » de Télécom Bretagne et « Comélec » de Télécom ParisTech, le projet incitatif DATASHADE sur l’impact des technologies RoF sur les réseaux cellulaires et sans fil, avec pour la première fois une prise en compte de critères de développement durable. La dynamique crée à cette occasion devrait permettre un élargissement de la problématique GROWTH à d’autres équipes de l’Institut durant cette thèse, ainsi qu’une liaison avec les plates-formes de la fondation comme C@pilR, Penser100G et TIC et Energie. 2. Contexte et état de l’art La multiplication anarchique des équipements multimédia au sein d’habitations privatives conduit à une augmentation significative de la consommation d’énergie [1]. Les préoccupations environnementales se heurtent à une demande sans cesse croissante de la part des opérateurs et des industriels, de promouvoir le haut débit dans le RLD avec une offre de services de plus en plus diversifiée. Cette demande est forte, sous la pression conjuguée de l’introduction du réseau d’accès optique chez l’abonné (100 Mbit/s et au-delà) et de la prolifération de sources et de récepteurs multimédia en haute-définition (HD) dans l’habitat. Dans ce dernier cas, une contrainte de mobilité des liaisons apparaît rapidement pour éviter des coûts d’interfaçage et de câblage prohibitifs. Pour preuve de l’activité dans ce domaine, on peut citer des initiatives récentes visant à redéfinir le RLD dans un contexte à très haut débit : d’une part les projets Européen ALPHA [2], traitant de la convergence fixe-mobile dans le RLD et le réseau d’accès, et OMEGA [3], visant à développer un RLD fournissant des services sans-fil à 1 Gbit/s, et d’autre part le projet TECHIM@GES [4] du Pôle Image et Réseau, ayant pour objectif d’évaluer les différentes technologies innovantes pour le RLD, en particulier sur canal optique [5]. Dans tous les cas, l’optique sans fil en ligne directe est considérée comme le recours ultime dès lors que les débits visés dépassent plusieurs Gbit/s. 2.1 Technologies radio pour le haut-débit domestique La technologie Ultra-Wide Band (UWB) fournit, de 5GHz à 60 GHz, des débits de 500 Mbit/s sur quelques mètres. Sa faible consommation énergétique, liée à de faibles niveaux de puissance émise (de l’ordre de 10 à 30 fois inférieurs à ceux de la norme WiFi) en fait un support physique privilégié pour les communications avec les terminaux mobiles compacts et a conduit au standard « Wireless USB » promue par Intel et HP dès 2004 [6]. Lancée en 2006 par un consortium d’industriels, l’alliance "Wireless HD" [7] vise à définir une interface réseau pour la transmission d’images animées entre sources vidéo et afficheurs domestiques en haute définition (HD). Leur application-cible est le transfert de flux HD non-comprimé, dont le débit nominal de 3 Gbit/s sera porté à 20 Gbit/s dans un avenir proche. Le canal physique sélectionné opère en vue directe dans la bande des 60 GHz (norme IEEE 802.15.3c), mais les ondes millimétriques se propagent sur des distances courtes (qq m) et sont rapidement bloquées par les murs. Pour assurer une couverture à l’échelle domestique, le projet COMMINDOR (RNRT, 1999-2002) avait suggéré d’utiliser des bonds radio multiples. A l’heure actuelle, on préfère considérer une distribution optique des points d'accès radio (Radio-sur-Fibre, RoF) pour des critères de flexibilité et de confinement du rayonnement radio-électrique. Reste alors posé le double problème du coût et de la consommation énergétiques inhérents au déploiement de la radio millimétrique. Le projet TECHIM@GES a montré qu’une réduction des coûts à moyen terme pouvait être envisagée par la très forte dynamique des marchés millimétriques grand public, tels que les radars embarqués automobiles. L’étape suivante devra prendre en compte l’empreinte énergétique et sanitaire de la technologie développée. Tout reste à faire en la matière, et il est nécessaire que l’Institut Telecom se positionne et développe des compétences dans ce domaine clé. 2 2.2 RLD : enjeu énergétique et sanitaire Le débit global des flux traités et transmis sur les réseaux de télécommunications suit l’évolution de la densité d’intégration en micro-électronique (Loi de Moore). Cela se traduit par une multiplication des débits transportés par 10 tous les 5 ans. Le prix à payer est une consommation énergétique en forte croissance. On constate que celle des réseaux cellulaires est multipliée par deux tous les quatre ans, pour approcher en 2008 le chiffre cumulé de 70 TWh sur l’Union Européenne (dont 80% pour les stations de base). Concernant les risques sanitaires liés au rayonnement électromagnétique [8], on ne compte plus les incidents signalés par les riverains des stations de base, forçant la justice et le politique à appliquer le principe de précaution, au détriment des opérateurs GSM. Le haut-débit domestique ne fera que renforcer ces nouveaux enjeux en matière de consommation énergétique et de santé publique, sachant que ce segment de réseau fait partie du domaine privé et ne bénéficie encore d’aucune volonté de contrôle et de régulation. Selon l’étude [1], on estime en 2008 qu’un foyer Européen dépense en moyenne 2,5 kWh en consommation électrique journalière dédiée aux TIC (internet, téléphonie, équipements informatiques, multimédia). Pour les 28 millions de foyers Français potentiellement équipés, la fourniture de l’énergie cumulée correspondante équivaut à la production de trois centrales thermiques de moyenne puissance. Une extrapolation à l’Europe prévoit qu’en 2012, la consommation des réseaux domestiques de l’Union atteindra les 100 TWh annuels. Bien entendu, ce chiffre n’inclut pas la consommation énergétique du réseau d’accès et du réseau cœur. 2.3 Introduction de l’optique dans le réseau domestique a) Optique en espace libre (ou sans fil) Ossature du réseau cœur des opérateurs de télécommunications, la fibre optique est désormais déployée dans le réseau d’accès pour proposer des solutions à haut débit (≥ 100 Mbit/s) aux abonnés en milieu urbain. Parallèlement, le canal optique sans fil est utilisé pour les transmissions atmosphériques civiles ou militaires à très haut débit (> Gbit/s) et moyenne portée (qq km). Pour des usages domestiques, la transmission infra-rouge est un support classique pour faire communiquer périphériques audio-vidéo, téléphones mobiles ou ordinateurs portables (norme IrDA). Elle reste cependant limitée à des portées et des débits de quelques centaines de kbit/s. Devant le besoin grandissant en débit et face aux solutions radio existantes sujettes à des contraintes de puissance et de ressource spectrale, la transmission optique sans fil domestique (Indoor Wireless Optics, IWO) progresse. Ce canal de communication offre des avantages significatifs sur ses équivalents en radio : Sécurité des données transmises : la lumière ne traverse pas les murs et il est presque impossible, pour une personne extérieure à la zone de contrôle physique du service, d’espionner ou d’attaquer le système. Immunité radioélectrique : les liaisons optique sans fil fonctionnent sur des fréquences porteuses supérieures à la centaine de THz : elles ne génèrent pas d'interférences avec les appareils radios et domestiques d’un foyer. Sécurité environnementale : la lumière ne modifie pas l’environnement de la pièce où elle est diffusée. Débit important : la porteuse optique offre naturellement des débits très importants (>50 Gbits/s). Immunité sanitaire : le point sensible est l’innocuité oculaire. La réglementation domestique impose l’utilisation de lasers de classe 1, i.e. sans danger dans toutes les conditions d’utilisation. On privilégiera donc les sources optiques émettant dans la bande « Telecom » de 1300 à 1600 nm, zone où la lumière est bloquée par la barrière cornéenne. Pour les liaisons à très haut débit, on considèrera des sources à forte pureté spectrale opérant dans cette bande de longueurs d’onde, où l’on dispose de diodes laser (FP et DFB) et de VCSELs. Pour respecter la norme de classe 1, la puissance maximale émise sera de l’ordre de 10 mW, soit 50 fois supérieure à celle autorisée dans le visible. Bas coût : des solutions bas prix sont possibles, en raison de la faible complexité et de la forte diffusion des composants d’émission-réception opto-électroniques (diodes laser, photodiodes, filtres optiques) Absence de frais d’exploitation de licence : à l’heure actuelle, il n’existe pas de plan de longueur d’onde similaire au plan radio fréquence. Cela permet un libre choix de la longueur d’onde et de la bande utilisées, à coût réduit. On peut classer les modes de propagation IWO selon deux géométries distinctes : le mode diffus et la vue directe (Line Of Sight, LOS). Le mode diffus maximise la mobilité et la pérennité des connexions, mais les forts affaiblissements rencontrés et la présence de trajets multiples nécessitent une ressource énergétique importante. A l’opposé, la vue directe fournit des débits élevés mais oblige un alignement et un suivi précis de l’émetteur par rapport au récepteur. Le défi scientifique est donc le suivant : maximiser le rapport signal-sur-bruit en réception LOS en garantissant les normes d’innocuité oculaire, tout en développant une topologie d’accès multiple domestique assurant connectivité, mobilité et très haut débit entre utilisateurs et une consommation réduite. Les solutions innovantes proposées à ce jour en R&D sont plutôt encombrantes et coûteuses, reposant sur la diversité 3 spatiale entre matrices d’émetteurs et de récepteurs en mode LOS [9]. Ce travail de thèse vise à proposer une architecture physique innovante de réseau « GROWTH » répondant au problème posé. b) Diffusion domestique sur fibre optique polymère Déployée dès 1999 dans les réseaux locaux Japonais, la fibre optique polymère (POF) s’impose comme le support idéal de transmission à très haut-débit et courte distance (< 200m), tant pour les RLD que les pour les LAN professionnels. La facilité d’installation et de maintenance de la POF est son point fort, lui conférant un avantage significatif sur le fibre en silice et les câbles en cuivre. Les POF s’installent sur n’importe quel chemin de câbles existants, sans pâtir d’éventuelles courbures et torsions accidentelles et ne craignent ni ne génèrent de rayonnement électromagnétique. Cette immunité sanitaire et radio-électrique a été utilisée en 2003 en milieu hospitalier à Tokyo, pour réaliser un réseau de communications à 1 Gbit/s dans un service de chirurgie cardiaque [10], au sein duquel 230 km de fibre ont été déployés. Enfin, les connecteurs sont peu onéreux, ne nécessitant pas d’alignement très précis des cœurs. La société Japonaise Asahi Glass a su la première créer des POF à cœur à gradient d’indice fluoré (GI-Pe-POF), leur conférant des performances en transmission proches de celles des fibres silice. Dans la première fenêtre télecom (1300nm), ces fibres présentent un affaiblissement inférieur à 1dB/100m et autorisent des débits maximaux de l’ordre de 2,5 Gbit/s sur 500m et 10 Gbit/s sur 100m, la rendant compatible avec les normes 10GEthernet ou FibreChannel4 (8 Gbit/s). Des schémas de modulation multiniveaux utilisés en laboratoire permettent même d’atteindre les 40 Gbit/s sur 200m [11]. Au-delà des réseaux locaux, la POF est présente dans les bateaux, les avions et les automobiles haut de gamme pour réduire le poids de la câblerie métallique et véhiculer les données à haut-débit. Pour information, le coût moyen d’un mètre de POF varie entre 1€ et 1,6€, selon le type et le métrage du rouleau commandé. 3. Contenu scientifique : l’architecture GROWTH Par rapport à l’état de l’art en transmission RF et RoF, notre étude vise à caractériser et évaluer une technologie "tout-optique" fournissant des cellules IWO à très haut débit (e.g. 10 Gbit/s) via un réseau d’interconnexion en fibre POF. La figure 1 illustre un déploiement possible de cette architecture au niveau de l’étage d’un bâtiment. Chaque pièce est équipée de plusieurs bornes IWO (de 2 à 4), permettant de maintenir par diversité spatiale une qualité de liaison suffisante avec les terminaux mobiles en présence d’obstacles ou d’affaiblissements trop importants. Chaque borne IWO est alimentée par un tronçon de POF dédié. Placée a priori dans un coin supérieur de la pièce et arrosant une zone déterminée de celle-ci, la borne IWO présente une grande simplicité. Elle ne comporte aucune interface optoélectronique (énergivore) et se contente de diffuser le signal optique issu de la POF dans l’espace libre, en adaptant l’étendue géométrique du faisceau aux contraintes du bilan de liaison. On se situe donc en rupture par rapport à une solution de type RoF, qui nécessite des interfaces Optique-RadioOptique en chaque point. Outre l’absence de rayonnement RF des liaisons IWO, une réduction de la consommation énergétique et du coût global du système par diminution du nombre et de la complexité des interfaces et des bornes est clairement visée. Compte tenu des affaiblissements typiques des liaisons IWO en mode LOS, on considèrera des cellules d’une portée moyenne de 4m et d’une surface au sol inférieure au m2. Les bornes IWO peuvent être déportées à loisir dans le bâtiment, grâce à la faible atténuation des nouvelles POF. Nous proposons ensuite d’équiper le réseau GROWTH d’un cœur de gestion optique (fig. 2). Cette innovation est une transposition au domaine optique d’un concept proposé pour les architectures de type RoF [12]. Accès réseau optique Figure 1. Représentation schématique de l’architecture du réseau domestique GROWTH. Figure 2. structure générique de la station centrale (SC). 4 Le rôle de la SC est ici primordial et doit notamment permettre de : (i) router les communications entre les pièces en commutant spatialement les canaux optiques entre les fibres véhiculant les liaisons montantes et descendantes. Cet aiguillage se fait au moyen d’un commutateur spatial optique situé dans la SC et opérant de manière transparente sur le réseau POF. (ii) gérer la communication avec les équipements mobiles dans une pièce. (iii) assurer l’intégrité des bilans de liaisons entre cellules. (iv) assurer l’interconnexion entre le RLD et le réseau d’accès optique. Outre la gestion spatiale des cellules IWO, l’idée est bien ici de centraliser et de mutualiser dans la SC le plus grand nombre de fonctions physiques : émission, amplification optique et réception dans le sens montant. L’autre aspect innovant de la proposition consiste à conserver de bout en bout le canal optique et la forme d’onde associée sur la chaîne de transmission, via la SC et les canaux ROF et IWO. L’approche ne pourra être validée qu’en vérifiant les trois critères suivants : 1) L’intégrité des données transmises sur le canal mixte POF+IWO, en termes de TEB en réception. 2) Le respect des normes sanitaires, et en particulier des seuils d’innocuité oculaire. 3) La consommation énergétique et le coût de la solution globale, reposant sur la maturité et la forte diffusion des composants optiques dans la bande « Telecom » pour les réseaux de transport et d’accès. Sur ce point, une étude comparative avec les solutions RF et RoF devra être entreprise. Il conviendra à ce sujet de définir des facteurs de mérite adaptés, en ramenant les paramètres calculés au débit des données transportés (de type €/Gbit/s et kWh/Gbit/s). Cette partie est totalement originale. 4. Programme de la thèse et organisation Une ingénierie du réseau GROWTH selon les critères précédents est une étude résolument amont et reposera sur un travail de thèse co-encadré par les départements « Optique » et « Signal et Communications » de Télécom Bretagne, déjà impliqués et reconnus sur des sujets connexes [4][5][13][14] [15]. Le travail sera découpé en quatre parties : − a) Dimensionnement de l’architecture GROWTH et sélection des technologies associés. On établira les spécifications de l’architecture et des composants permettant de valider les bilans de liaisons compatibles avec un rapport signal-sur-bruit minimal en réception, un coût d’implantation et une consommation énergétique faibles et le respect des normes sanitaires. Les optiques passives situées dans les bornes d’émission/réception IWO et dans le commutateur spatial de la station centralisée feront l’objet d’une étude académique rigoureuse parmi les solutions candidates [15] − b) Caractérisation du canal optique mixte POF+IWO. L’optimisation fonctionnelle du réseau GROWTH nécessitera la modélisation d’un canal discret équivalent au canal POF+IWO en bande de base. Cette tâche pourra se faire à partir de la plate-forme logicielle VPI. On caractérisera ainsi la fibre POF en termes de réponse impulsionnelle (RI) et/ou de dispersion inter-modale, en fonction des conditions d’injection dans la fibre, des caractéristiques géométriques et de la longueur de cette dernière. Le canal libre sera assimilé à un simple filtre dans un premier temps. Les caractéristiques des optiques de formation de faisceau définies pour les bornes IWO pourront être prises en compte pour affiner le modèle par cosimulation VPI-Matlab. − c) Choix de la forme d’onde. La génération d’un nombre limité (2 ou 3) de RI, représentatives du canal POF+IWO et découlant de l’étude (b) sera exploitée par simulation logicielle (Matlab) pour choisir une forme d’onde (mono- ou multi-porteuses) utilisée en association avec le couple égaliseur/codeur de canal. Si ces formes d’onde ont déjà été longuement étudiées en radio-fréquence, elles ne l’ont été que très succinctement en transmission optique et jamais de manière rigoureuse au niveau du réseau. − d) Mesures expérimentales. Au niveau physique, un banc d’expérimentation sera progressivement monté pour mesurer le TEB de liaisons mixtes POF+IWO, en fonction des caractéristiques physiques des canaux et du schéma d’émetteur/récepteur retenu. Perspectives La dynamique crée à l’occasion de cette étude devrait conduire à un élargissement de la problématique GROWTH à d’autres équipes de l’Institut, ainsi qu’à un rapprochement avec les équipes intéressées par les plateformes de la Fondation comme C@pilR, Penser 100G et « TIC et Energie ». L’expertise acquise dans ces domaines nous permettra d’intervenir dans les initiatives nationales et européennes qui ne manqueront 5 pas d’émerger dans les mois à venir sur la thématique « Green Photonics » et traitant d’autres couches ou segments du réseau, telles le Projet ANR ECONOME (réseau métro et réseau d’accès). Qualification du doctorant Le candidat, dont le CV est joint, est sélectionné sur la base de ses compétences en optique, en optoélectronique et télécommunications. Il effectue actuellement son stage de master 2 sur un sujet de modélisation et de simulation logicielle visant à défricher l’approche GROWTH sur des critères technicoéconomiques. Il montre une grande motivation pour les thématiques abordées. Bibliographie [1] A.Gladish, C. Lange, R. Leppla, “Power efficiency of optical versus electronic access networks”, ECOC 2008, Brussels. [2] ALPHA : Architectures for fLexible Photonic Home and Access networks, projet FP7-ICT (2008-10) www.ict-alpha.eu [3] OMEGA : Home Gigabit Access, projet FP7-ICT (2008-10), www.ict-omega.eu, [4] TECHIM@GES, http://www.images-et-reseaux.com/fr/les-projets/ [5] D. Leroux, M. El Tabach et M. Lalam, BICM-SC equalization and COFDM for data communication over diffuse optical channels, submitted to Optics Express. [6] http://www.usb.org/developers/wusb/ [7] http://www.wirelesshd.org/ [8] C. Grangeat, C. Person, D. Picard and J. Wiart, Measurement of the Specific Absorption Rate (SAR) on mobile phone — COMOBIO Project contribution to international standards, Annals of telecommunications, Vol. 58, no 5–6, May–June 2003. [9] D.C. O’Brien et al., High-speed integrated transceivers for optical wireless, IEEE Communications Magazine, pp. 58-62 (March 2003) [10] Y. Koike et T. Ishigure, High-Bandwidth optical fiber for fiber to the display, IEEE Jour. Light. Tech., vol. 24, n° 12, pp. 4541-4553 (2006) [11] R.J. Gandhi, A. Polley, S. E. Ralph, 40 Gbit/s short reach links using plastic optical fiber, IEEE LEOS Proceedings, 2006 [12] A.M.J. Koonen et al., Perspectives of radio-over-fiber technologies, Proc. OFC 2008, paper OthP3 [13] P. Contreras, C. Vazquez, F. Montero, K. Heggarty and B. Vinouze, Dual 3x1 multiplexer for POF networks, Proc. POF’07 conference, Torino, September 11th, 2007. [14] Réseau d’excellence BONE, FP7-ICT (2008-10), http://www.ict-bone.eu [15] B. Fracasso, J.L. de Bougrenet de la Tocnaye, M. Razzak and C. Uche, "Design and performance of a versatile holographic liquid crystal wavelength selective switch", IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 21, n° 10, pp. 2405-2411 (2003). 6
