Implémentation d un outil de calcul des imperfections de transmission pour les réseaux WDM tout-optique

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1 RAPPORT DE PROJET DE FIN D ETUDES Filière Ingénieurs en Télécommunications Option Ingénierie de Réseaux Implémentation d un outil de calcul des imperfections de transmission pour les réseaux WDM tout-optique Elaboré par : Karim AYARI Encadré par : M. Maurice GAGNAIRE M. Nicolas PUECH M. Rached HAMZA Année universitaire : 2004/2005

2 Remerciements Je tiens tout d abord à remercier Monsieur Rached Hamza, maître assistant à Sup Com, pour m avoir offert l opportunité d effectuer ce stage à l ENST Paris. J adresse également mes très vifs remerciements à Messieurs Maurice Gagnaire, professeur à l ENST Paris, et Nicolas Puech, maître de conférences à l ENST Paris pour m avoir si bien encadré et conseillé. Je remercie tout particulièrement Mohamed Koubaa, doctorant à l ENST Paris, pour son soutien et ses conseils avisés. J en profite également pour saluer sa compétence et son sérieux.. Finalement, je remercie très chaleureusement Elias Doumith et Sawsan Al Zahr, doctorants à l ENST Paris, pour ces longues et précieuses discussions. Karim Ayari

3 Avant-Propos Ce stage s insère dans le cadre d une contribution à un projet RNRT nommé RYTHME pour Réseaux hybrides Transparents Hiérarchiques Multiplexés En longueur d'onde. Ce projet vise à montrer la faisabilité technique et l'intérêt économique d'un réseau de transport optique dorsal hybride. Un réseau de transport optique hybride est à mi-chemin entre un réseau transparent (pour lequel le signal ne subit pas de régénération optoélectronique) et un réseau opaque (pour lequel la régénération est systématique à chaque noeud, comme c'est le cas actuellement). Les réseaux hybrides, étudiés dans RYTHME, concilient les avantages des deux : d'une part, les régénérateurs optoélectroniques sont chers mais les supprimer complètement reviendrait à dimensionner le réseau pour les plus longues distances qui ne représentent pas la majorité des connexions d'un réseau. D'autre part, un certain niveau de transparence permettrait de rendre le réseau plus souple et plus évolutif (vis-à-vis des modifications de l'infrastructure, par exemple) et de proposer de nouveaux services de transport recourant à différentes catégories de transparence (transparence au service, au protocole de transmission,...). Ce problème a fait l'objet de très nombreux travaux ces dernières années mais, paradoxalement, les effets physiques de propagation du signal n'ont été que peu pris en compte car la communauté spécialiste de la propagation et les experts des réseaux n'avaient que peu travaillé ensemble. L'objectif du projet RYTHME est de montrer la pertinence du concept de réseau hybride (faisabilité technique et intérêt économique) par une approche qui met en jeu un design physique du réseau (c'est-à-dire un ensemble de règles de conception physique du réseau) couplé à une étude de dimensionnement et de routage. Le problème de dimensionnement est ici contraint par la prise en compte de la physique de la transmission sur fibre optique. Les paramètres physiques sont traités de façon originale par un "vecteur" décrivant la qualité de la ligne, appelé QoT pour Quality of Transmission. Pour mener à bien les taches du projet RYTHME, il était nécessaire d associer des spécialistes des réseaux, de la propagation et des fonctions : - un équipementier : Alcatel CIT, chef de file du projet, à l'origine du concept de QoT. - un opérateur : France Télécom a apporté son expérience de la planification et de l'ingénierie des réseaux optiques.

4 - une PME fabricant de composants optiques avancés : Optogone. - le GET (Groupe des Ecoles des Télécommunications) via deux laboratoires : l'enst Bretagne pour ses compétences dans le domaine des sous-systèmes (architecture des noeuds inclus) et des mesures et l'enst Paris pour ses compétences dans le domaine des réseaux (routage, dimensionnement, qualité de service). Mon stage s est déroulé à l ENST Paris (Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications de Paris) au département INFRES (informatique et réseaux) au sein de l équipe du professeur Maurice GAGNAIRE. Le but de mon projet était de développer une fonction de QoT selon les préconisations d Alcatel pour mesurer la qualité de transmission dans les réseaux transparents. Personnellement, ce stage a été ma première expérience en recherche. Une expérience fort enrichissante dans la mesure où j ai bénéficié de l encadrement et des conseils de professeurs et de doctorants de très haut niveau. Sur le plan technique, j ai pu approfondir mes connaissances dans le domaine passionnant et prometteur des communications optiques, et j ai eu l opportunité de bien maîtriser la programmation orientée objet sous PERL.

5 Table des matières Introduction...1 Chapitre I : Réseaux WDM et contraintes physiques Introduction Taxonomie Les réseaux WDM : un état de l art Principe Composants d un réseau WDM Les liens Les fibres optiques Les fibres SMF Les fibres DCF Les amplificateurs optiques La gestion de la dispersion Transparence vs Opacité Le facteur Q et le BER Les contraintes physiques La dispersion La dispersion chromatique La dispersion modale de polarisation (PMD) Le rapport signal à bruit optique (OSNR) La phase non linéaire Conclusion...17 Chapitre II : Description de la fonction de QoT Introduction Description générale de la fonction Description détaillée des classes de la fonction La classe Fibre Les attributs de la classe Fibre Les méthodes de la classe Fibre La classe Ampli Les attributs de la classe Ampli Les méthodes de la classe Ampli La classe Lien Construction des pas d amplification Les méthodes de la classe Lien La classe Nœud Les attributs de la classe Nœud Les méthodes de la classe Nœud La classe ChemOpti Le constructeur de l objet Les méthodes de la classe ChemOpti...33 i

6 3.5 La classe Attenuateur Conclusion...36 Chapitre III : Exploitation de l outil Introduction Paramètres de simulation et technologies retenues Simulations et interprétation des résultats Mesures pour le réseau européen Mesures pour le réseau américain Conclusion...48 Conclusion et perspectives...49 Références...51 ii

7 Liste des figures Figure 1 : Principe d un réseau WDM [16]...4 Figure 2 : Représentation d'un lien...5 Figure 3 : Structure d'une fibre optique [15]...6 Figure 4 : Atténuation dans la fibre...7 Figure 5 : Principe d'un amplificateur optique [16]...8 Figure 6 : Gestion de la dispersion sur le lien...9 Figure 7 : Allure de la carte de dispersion...10 Figure 8 : Allure de la carte de dispersion avec retour à zéro dans les noeuds...11 Figure 9 : Les étages d'amplification [3]...16 Figure 10 : Topologie du réseau européen...38 Figure 11 : Topologie du réseau américain...38 Figure 12 : Longueur moyenne des chemins en fonction du nombre de sauts (réseau EBN)..40 Figure 13 : Moyenne des paramètres en fonction du nombre de sauts (réseau EBN)...41 Figure 14 : Taux de chemins qui ne satisfont pas la QoT (réseau EBN)...42 Figure 15 : Effet de la distance sur la QoT (réseau EBN)...43 Figure 16 : Longueur moyenne des chemins en fonction du nombre de sauts (réseau NSF)...44 Figure 17 : Moyenne des paramètres en fonction du nombre de sauts (réseau NSF)...45 Figure 18 : Taux de chemins qui ne satisfont pas la QoT (réseau NSF)...46 Figure 19 : Effet de la distance sur la QoT (réseau NSF)...47 i

8 Liste des tableaux Tableau 1 : paramètres de la fibre SMF Tableau 2 : paramètres de la fibre SMF Tableau 3 : paramètres de la fibre DCF...22 Tableau 4 : Les paramètres physiques de l ampli...26 Tableau 5 : Caractéristiques des réseaux considérés...38 Tableau 6 : Les principaux paramètres physiques considérés...39 i

9 Introduction Introduction Les réseaux transparents tout-optique sont des candidats très prometteurs pour les réseaux de cœur de prochaine génération, ils permettent de fournir une large bande passante pour un faible coût. Dans les réseaux transparents, la transmission est totalement effectuée dans le domaine optique sans aucune conversion opto-électronique de la source vers la destination et donc sans aucune régénération du signal. Il a donc fallu établir de nouvelles techniques de routage et affectation de longueurs d onde adaptées à ce type de réseaux. Dans ce contexte, un grand nombre d algorithmes ont été proposés dont la plupart considèrent le medium optique comme étant idéal pour transmettre le signal sans aucun bit erroné. Sous ces conditions, on n a pas besoin de considérer les effets de l imperfection de la transmission sur la qualité du signal. Cependant, les imperfections de transmission présentes dans la fibre et les équipements optiques affectent sensiblement la qualité du signal transmis et doivent donc être prises en considération [6-10]. Le but de ce projet est de développer un outil qui calcule la qualité de transmission dans les réseaux WDM tout-optique transparents, puis d exploiter cet outil pour étudier l effet du passage à la transparence sur la qualité de transmission. Quatre paramètres de qualité de transmission sont pris en considération à savoir la dispersion chromatique, la dispersion modale de polarisation, l émission spontanée amplifiée et la phase non linéaire. La particularité de cet outil est qu on s intéresse à l interaction entre les quatre paramètres en les agrégeant dans une même grandeur, le facteur Q, contrairement aux travaux précédemment réalisés où on s intéressait aux paramètres individuellement. Ce rapport est organisé de la manière suivante : Dans le premier chapitre, on dresse un état de l art sur les réseaux WDM. On présente les caractéristiques des quatre paramètres cités précédemment et on introduit le concept du facteur Q. Dans le deuxième chapitre, on décrit l implémentation de la fonction de qualité de transmission (Quality of Transmission, QoT). La fonction est développée en langage orienté objets. Les méthodes et objets de chaque classe sont explicités dans ce chapitre. Dans le troisième et dernier chapitre, on exploite l outil développé pour étudier l effet de la transparence sur deux réseaux différents, le réseau dorsal européen et le réseau NSF américain. 1

10 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques Chapitre I Réseaux WDM et contraintes physiques 1 Introduction Avant l'apparition du multiplexage en longueur d onde (Wavelength Division Multiplexing, WDM), l'accroissement de la capacité de transmission d une liaison passait par la multiplication des lignes de transmission et l'empilement des répéteurs/régénérateurs. Désormais, grâce au WDM, une seule fibre optique permet de transmettre plusieurs signaux optiques sur différentes longueurs d onde simultanément. L'ensemble des répéteurs/régénérateurs d un site géographique a été remplacé par un seul équipement : l'amplificateur optique. Depuis son apparition en 1996, le réseau WDM ne cesse d évoluer pour s adapter aux exigences économiques et techniques. L une de ses évolutions les plus prometteuses est sûrement le passage à la transparence. Toutefois, pour que cela soit possible, certaines difficultés telles que les imperfections physiques de la fibre optique doivent encore être surmontées. Le présent chapitre donne un état de l art succin sur les réseaux WDM et définit chacun des paramètres physiques qui ont été pris en compte dans la fonction de calcul de la qualité de transmission. 2 Taxonomie On définit les termes couramment utilisés dans la suite du rapport : Lien : un lien désigne la fibre optique qui connecte deux nœuds adjacents. Pas d amplification : un pas d amplification est la distance séparant deux sites d amplifications successifs d un lien. Chemin : un chemin est la succession de nœuds qui connectent deux nœuds distincts dans le réseau. Canal WDM : un canal WDM est l utilisation d une longueur d onde sur un lien. 2

11 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques La transparence : la transparence désigne la capacité d'un réseau à véhiculer un signal indépendamment de ses caractéristiques, sans les modifier. En pratique, un réseau de transport optique est dit transparent si le signal optique ne subit pas de conversion optoélectronique au cours de la transmission. L opacité : par opposition à un réseau transparent, un réseau optique est dit opaque si les signaux véhiculés sont régénérés à chaque nœud. La translucidité : un réseau translucide est un réseau optique qui contient majoritairement des composants transparents. Mais à la différence des réseaux transparents, le cœur des réseaux translucides peut contenir des composants opaques. Ces composants permettent la conversion de longueurs d onde et la régénération des signaux. Les effets non linéaires : les effets non linéaires sont des effets parasites qui dégradent les performances des systèmes de télécommunications sur fibre quand les puissances véhiculées deviennent élevées. Aujourd'hui, les systèmes de transmission à haut débit et grande distance utilisent des amplificateurs de puissance à l'émission, ce qui conduit à des puissances injectées dans la fibre très élevées et des effets non linéaires non négligeables [15]. 3 Les réseaux WDM : un état de l art 3.1 Principe La technologie WDM est née de l'idée d'injecter simultanément dans la même fibre optique plusieurs trains de signaux numériques à la même vitesse de modulation, mais chacun à une longueur d'onde distincte. On peut comparer le WDM à un arc-en-ciel de couleurs dans une même fibre optique. Cela permet d augmenter la capacité et de réduire les coûts d installation et d exploitation. A l'émission, on multiplexe n canaux au débit nominal D, à la réception, on démultiplexe le signal global nxd en n canaux nominaux. La figure 1 schématise ce principe. 3

12 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques Figure 1 : Principe d un réseau WDM [16] Les réseaux WDM peuvent être classés selon l espacement entre les longueurs d onde utilisées. Les premiers réseaux WDM, dits réseaux WDM large bande, utilisent deux longueurs d onde très éloignées (typiquement à 1310 nm et 1550 nm). On distingue également le DWDM pour Dense WDM qui est une technologie utilisée dans les réseaux dorsaux où jusqu à 40 voire 80 longueurs d onde sont combinées dans la même fibre. Le troisième type de réseaux WDM, appelé CWDM pour Coarse WDM, offre jusqu à 18 longueurs d onde au total entre 1270 nm et 1610 nm, soit un espacement de 20 nm entre les canaux. Contrairement aux deux premiers types, le CWDM est destiné aux réseaux métropolitains [13]. L Union Internationale des Télécommunications (UIT) a standardisé l utilisation des longueurs d onde. Le standard G.692 définit l espacement des canaux pour le système DWDM à 50 GHz ou 100 GHz autour de la fréquence référence de 193 THz correspondant à environ 1550 nm [14]. 3.2 Composants d un réseau WDM Dans la présentation des composants d un réseau WDM, on va se limiter à la présentation des fibres et des amplis car ils ont été beaucoup utilisés dans la fonction de calcul de la qualité de transmission et la présentation de leur fonctionnement facilite la compréhension de l implémentation de la fonction Les liens Un lien peut être constitué de plusieurs fibres. Les liens comportent des sites d'amplification à des distances régulières. En plus de la fonction d amplification, le site assure 4

13 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques d autres fonctions comme la compensation de dispersion chromatique. La fibre compensatrice est introduite entre deux étages d'amplification afin de limiter la pénalité en terme de bruit. La figure 2 donne une représentation simplifiée et une représentation détaillée d un lien Noeud 1 Pas Sites d'amplification Noeud 2 Figure 2 : Représentation d'un lien Les fibres optiques La fibre optique a révolutionné les systèmes de télécommunications. Parmi ses avantages, on cite : une très faible atténuation, une très grande bande passante, peu d encombrement, insensibilité aux interférences électromagnétiques, un faible coût, etc. Une fibre est un guide d'onde cylindrique et diélectrique fabriqué à base de silice. Elle est constituée de deux diélectriques de même axe, le coeur et la gaine, entourés d'une gaine de protection. La figure 3 représente la structure d une fibre optique. 5

14 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques Figure 3 : Structure d'une fibre optique [15] Les principales caractéristiques des fibres optiques sont l'atténuation, la dispersion chromatique, la dispersion modale de polarisation et les effets non-linéaires. Dans la conception de l outil de calcul de QoT, l atténuation n a pas été considérée comme un paramètre direct de mesure de la qualité de transmission mais elle intervient implicitement dans le calcul des quatre paramètres et son effet est important. L'atténuation dans les fibres optiques résulte de plusieurs mécanismes. D'abord, l'absorption intrinsèque du matériau constitutif provoque une augmentation très rapide des pertes aux basses longueurs d'onde. La présence d'impuretés peut aussi créer diverses bandes d'absorption. De plus, les irrégularités involontaires de structure provoquent des pertes par diffusion (diffusion Rayleigh). Il y a ensuite les pertes dues aux conditions d'utilisation des fibres. Toute courbure trop serrée crée des pertes par rayonnement. Les microcourbures sont des courbures très faibles, mais répétées et pratiquement incontrôlables, dues au conditionnement des fibres dans les câbles. Ces pertes s'ajoutent directement aux pertes intrinsèques. Elles sont toutefois négligeables pour les fibres standard des télécommunications dans des conditions d'emploi normales. Enfin, les fibres sont toujours utilisées par tronçons de longueur finie, raccordés entre eux. Chaque jonction peut provoquer une perte de raccordement. Dans le cas de la silice pure, le minimum théorique d'atténuation devrait descendre à 0,14 db/km vers = 1550 nm. L'atténuation minimale de 0,22 db/km n'est pas très loin du minimum théorique pour la silice. La différence s'explique par le fait que l'on ne peut pas utiliser de la silice pure. On doit doper soit le coeur, soit la gaine et cela augmente les fluctuations de composition et donc les pertes par diffusion. La figure 4 montre l'atténuation spectrale d'une fibre en silice [15]. 6

15 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques Atténuation (tous types de fibres) Longueur d onde (nm) Figure 4 : Atténuation dans la fibre 1600 On distingue principalement deux types de fibres, les fibres de lignes et les fibres de compensation de dispersion. Les fibres de lignes considérées par la fonction sont les fibres SMF (Single Mode Fiber) et les fibres de gestion de compensation sont les fibres DCF (Dispersion Compensating Fiber). On présente ci-après ces deux types de fibres Les fibres SMF Dans les fibres SMF (Single-Mode Fiber), le signal se propage dans un seul mode. Les fibres SMF ont permis d éliminer la dispersion intermodale et d augmenter les débits et les distances entre les régénérateurs. C est le type de fibres le plus communément utilisé. La plupart des fibres installées aux Etats-Unis et en Europe sont de ce type. Pour relier deux nœuds, on utilise plusieurs tronçons de fibres de lignes avec des sites d amplification régulièrements espacés. Un tronçon de fibre a généralement une longueur autour de 80 km avant que le signal ne soit amplifié [1-3]. 7

16 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques Les fibres DCF Ces fibres permettent de compenser la dispersion introduite par la fibre de ligne grâce à une forte dispersion négative. Elles sont placées entre les deux étages d un site d amplification et peuvent être utilisées en pré-compensation et en post-compensation (ces deux techniques sont expliquées dans la suite de ce chapitre) [2-3] Les amplificateurs optiques Les amplificateurs optiques en lignes ou tout simplement les amplificateurs optiques sont nécessaires sur les liens en fibre optique entre les nœuds du réseau. Ils sont placés à des distances régulières. La distance entre les amplificateurs est appelée pas d amplification (amplifier span) et elle dépend du type de fibre. Un amplificateur augmente le niveau de puissance du signal WDM. L amplificateur le plus utilisé actuellement est l amplificateur à fibre dopée à l Erbium (Erbium Doped Fiber Amplificator, EDFA), sa représentation est donnée sur la figure 5. L un des grands avantages des amplificateurs optiques est qu ils sont capables d amplifier les signaux sur plusieurs longueurs d ondes simultanément. Ceci est une nouvelle méthode pour augmenter la capacité d un système : plutôt que d augmenter le débit, il est possible de le garder constant est d utiliser plus qu une longueur d onde. L utilisation des amplificateurs optiques dans les réseaux WDM a considérablement diminué le coût des systèmes de transmission optiques en éliminant les régénérateurs électriques. En effet, à chaque position d un régénérateur, un seul amplificateur optique pourrait remplacer tout un ensemble de régénérateurs. De plus, l amplification permet aux signaux de parcourir plus de distance [1]. Toutefois, les amplificateurs optiques présentent certains inconvénients qu il faut savoir maîtriser, comme par exemple l émission spontanée amplifiée ou l augmentation des effets non linéaires [2-3]. Figure 5 : Principe d'un amplificateur optique [16] 8

17 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques 3.3 La gestion de la dispersion La dispersion chromatique pénalise considérablement la qualité du signal. Si la dispersion totale accumulée dépasse un certain seuil, le système ne pourra plus fonctionner à cause de l interférence entre symboles. Il est par conséquent indispensable de placer des modules de compensation de dispersion (Dispersion Compensation Modules, DCM) à différents endroits du réseau. Pour maîtriser la dispersion, on utilise des cartes de gestion de la dispersion [2]. Les cartes de gestion de la dispersion consistent en la représentation de la dispersion accumulée en fonction de la distance parcourue par le signal. La dispersion accumulée est obtenue en multipliant la dispersion de la fibre par sa longueur. Par exemple, pour une fibre SMF de longueur 100 km et ayant une dispersion de 16 ps/km.nm, la dispersion accumulée sera de 1600 ps à un débit de 10 Gbps. La dispersion augmente avec la distance et le débit. Le seuil tolérable de dispersion est donné par une spécification standard. Il dépend de plusieurs paramètres (débit, type de modulation, etc.). Le seuil ne doit être dépassé sur aucun point de la carte de gestion de la dispersion. Pour cela, des fibres de compensation de dispersion sont placées à chaque pas d amplification, entre deux étages d amplification [2]. Lors de la conception d un lien de transmission point à point, on distingue généralement différents types de DCM : un module de pré-compensation situé au début du lien, un module de post-compensation situé à la fin du lien, et des modules de compensation situés tout au long du lien dans les amplificateurs séparant deux fibres consécutives. Le principe est schématisé sur la figure 6. Sous ces hypothèses, l allure de la carte de dispersion sera de la forme donnée dans la figure 7. In linecompensation Precompensation Line fiber Line fiber Postcompensation Tx DCM DCM DCM EDFA x N span -1 Raman pumps (optional) Figure 6 : Gestion de la dispersion sur le lien Rx 9

18 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques Cum ulated dispersion (p s/ nm ) Pre- Compensation Inline-DCM Post- Compensation Distance (km) Figure 7 : Allure de la carte de dispersion Residual dispersion La figure 7 met en évidence deux résultats : premièrement, la dispersion chromatique à la fin du lien n est pas nulle. En effet, en présence d effets non linéaires, la dispersion résiduelle optimale est rarement égale à 0 à cause de l interaction entre la dispersion chromatique et les effets non linéaires. La dispersion tend plutôt à être positive, généralement de l ordre de quelques centaines de ps/nm, suivant certains paramètres tels que la puissance d entrée, la distance parcourue ou encore la qualité de la fibre [12]. Deuxièmement, la dispersion résiduelle au long de la ligne n est pas égale à 0. En effet, compenser toute la dispersion du tronçon précédant de fibre est une solution sous-optimale car dans ce cas, au début de chaque tronçon de fibre, la dispersion et la puissance accumulées seraient remises à zéro, ce qui produit une sorte d effet de résonance qui affectera encore plus la qualité du signal. Il est par conséquent préférable de laisser la dispersion s accumuler sensiblement d un tronçon de fibre à un autre et compenser toute la dispersion à la fin du lien. Il existe principalement quatre stratégies pour gérer la dispersion : La première stratégie consiste à fixer un ensemble de paramètres (pré-compensation, dispersion résiduelle en ligne et post-compensation) pour n importe quel chemin optique. Ces paramètres peuvent être adaptés suivant le type de fibre. Cela signifie que, étant donnée une dispersion résiduelle en ligne différente de zéro, la dispersion résiduelle sur un chemin optique va dépendre du nombre de tronçons de la fibre de ligne. Le choix de tels paramètres doit prendre en considération la fenêtre de tolérance du récepteur. Il a été prouvé que cette stratégie est applicable pour les réseaux transparents [12]. 10

19 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques La deuxième stratégie est similaire à la première sauf que le but n est plus d avoir une post-compensation fixée au récepteur mais plutôt une dispersion résiduelle fixée. Elle nécessite des modules de compensation modifiables au récepteur et de bonnes stratégies pour les modifier. La troisième stratégie, qui semble être la plus facile à implémenter, consiste à remettre la dispersion accumulée à zéro à l entrée de chaque nœud et à appliquer une précompensation à sa sortie. La carte de dispersion de cette méthode est représentée sur la figure 8. Cumulated dispersion (ps/ nm) 0 precompensation=-280ps/nm Node X Dres span =100ps/nm Dres section Dres Dres period node =0ps/nm X Dres=+100ps/nm distance Figure 8 : Allure de la carte de dispersion avec retour à zéro dans les noeuds La quatrième stratégie, inspirée de la troisième, consiste à avoir une dispersion résiduelle non nulle par nœud avec une valeur de post-compensation ou de dispersion résiduelle cible fixée. 4. Transparence vs Opacité La transparence, dans le sens strict du terme, suppose que le medium physique supporte des communications de bout en bout indépendamment du débit et du format du signal. Les réseaux WDM transparents permettent aux signaux de contourner un traitement électronique lourd au niveau des nœuds intermédiaires. Toutefois, la qualité du signal optique se dégrade lorsqu il se propage à travers plusieurs composants optiques sur le chemin de la source vers la destination. Parmi les causes de cette dégradation, on cite la dispersion chromatique, la dispersion modale de polarisation, l émission spontanée amplifiée et la phase non linéaire. Ces quatre paramètres limitants sont expliqués dans la suite de ce chapitre. Pour surmonter 11

20 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques ces imperfections, les longs chemins peuvent nécessiter de la régénération sur un ou plusieurs sites intermédiaires [4]. Par opposition aux réseaux transparents, on trouve les réseaux opaques qui incluent des régénérateurs à chaque nœud intermédiaire au long du chemin [4]. Si les réseaux opaques permettent d avoir une bonne qualité sur tout le chemin et autorisent la conversion des longueurs d ondes, ils présentent néanmoins certains inconvénients. Parmi ces inconvénients, on cite le temps d exécution élevé lors des connexions et par conséquent la diminution du débit, et le coût relativement élevé des régénérateurs qui conditionnent celui du réseau. Il existe une alternative à ces deux types de réseau, ce sont les réseaux translucides. Dans un réseau translucide, un signal traverse le chemin optique aussi loin que possible et ne sera régénéré que si sa qualité (ou le BER) se dégrade, et à ce moment là, il sera régénéré au niveau d un nœud intermédiaire. Un même signal peut être régénéré plusieurs fois avant qu il n atteigne sa destination finale [4]. Les réseaux translucides réalisent donc un compromis entre les réseaux transparents et les réseaux opaques, ils permettent d avoir un minimum de transparence tout en disposant d une bonne qualité de transmission. La fonction développée dans le cadre de ce projet a pour rôle de mesurer la qualité de la transmission sur un chemin afin de décider du placement du régénérateur. 5. Le facteur Q et le BER La performance du récepteur est un facteur important pour la conception de systèmes optiques. La performance de tout le système dépend de celle du récepteur et de sa capacité à détecter les bits 1 et 0 du signal optique entrant. Le taux d erreur binaire (Bit Error Rate, BER) est un paramètre de mesure permettant d évaluer les performances du récepteur. Pendant la transmission de données à travers un canal optique, le récepteur doit être capable de recevoir les bits individuellement sans erreurs. Une erreur a lieu quand le récepteur échoue à détecter un bit correctement. Ce sont généralement les imperfections du canal de transmission qui causent les erreurs. Généralement, un système optique doit avoir un BER compris entre 10-9 et ; en d autres termes, pour chaque 10 9 bits transmis, une seule erreur est autorisée. Mathématiquement, le BER est la somme des probabilités conditionnelles telles que un bit 0 a été transmis, et un bit 1 est reçu et inversement [3]. Le BER est difficile à simuler. En effet, pour un BER à 10-12, le réseau peut mettre 10 jours pour qu une erreur ait lieu et 1000 jours pour avoir une valeur du BER stable. Le facteur 12

21 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques Q est la solution à cela. La relation entre le BER et le facteur Q se traduit par l égalité suivante : 2 x 2 t où erfc x e dt 1 Q BER erfc 2 2 est la fonction error function complémentaire. La fonction erfc étant décroissante, le BER décroît avec le facteur Q. Le facteur Q est un moyen mathématique simple mais précis de mesurer les performances du système [3]. Lors de ce projet, on utilisera une fonction de calcul du facteur Q qui a été développée d une manière expérimentale au sein des laboratoires d Alcatel. 6. Les contraintes physiques 6.1 La dispersion La dispersion est le nom donné à tout effet par lequel différentes composantes spectrales du signal émis se propagent à des vitesses différentes dans la fibre, arrivant à des instants différents au récepteur. Un signal injecté dans une fibre arrive dispersé à l autre bout à cause de cet effet. La quantité de dispersion accumulée dépend de la longueur du lien et de la longueur d onde utilisée [2-3]. Il existe plusieurs formes de dispersion mais les plus influentes sont la dispersion chromatique et la dispersion modale de polarisation (Polarisation Mode Dispersion, PMD). La dispersion chromatique est commune à tous les débits, alors que la PMD est relativement importante à des débits élevés La dispersion chromatique La dispersion chromatique est considérée comme le phénomène le plus limitant pour les réseaux WDM à débits supérieurs à 2.5 Gbps et utilisant des fibres monomodes, c est la raison pour laquelle on désigne souvent la dispersion chromatique par le terme générique dispersion. La gestion de la dispersion est une partie très importante de la conception de systèmes de transmission WDM. On peut utiliser plusieurs techniques pour réduire l impact 13

22 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques de la dispersion chromatique dont les fibres de compensation de la dispersion. C est ce dernier cas qui sera considéré dans ce projet. La dispersion sur tout le lien est la somme des dispersions de tous les tronçons [2-3]. Lorsque la dispersion chromatique dépasse un seuil tolérable, le signal ne pourra plus être reçu. Pour éviter cela, il est possible de placer des unités de compensation de la dispersion dans des endroits bien définis du réseau. Un moyen très utilisé est le placement des fibres de compensation de dispersion. La méthode est assez simple : une fibre de ligne de longueur L i (km) avec une dispersion D i (ps/nm.km) peut être compensée en utilisant une bobine de fibre de longueur L j (km) et de dispersion D j (ps/nm.km) tel que : D il i DjL j 0 La somme des deux termes donne la quantité totale de la dispersion accumulée qu un signal peut avoir après propagation dans chacune des deux fibres. Le but est donc d obtenir une dispersion totale à la fin du canal de transmission aussi faible (proche de 0) que possible. La seconde fibre utilisée est une fibre à haute dispersion et son profile de dispersion est opposé à celui de la première. Cette méthode de compensation présente plusieurs avantages dont son caractère large bande et la possibilité de concevoir une fibre compensant également la pente de dispersion. Cette technique présente néanmoins plusieurs inconvénients : des effets non-linéaires, de l encombrement et surtout de fortes atténuations. Le paramètre d atténuation α des fibres DCF est nettement supérieur (typiquement 0,5 à 0,8 db/km) à celui des fibres de lignes standard SMF (0,2 db/km) [2-3] La dispersion modale de polarisation (PMD) La PMD est causée par la forme elliptique de la fibre qui fait que différentes polarisations du signal se propagent avec différentes vitesses de groupe. Quand la lumière est injectée dans une fibre optique, elle se divise généralement en deux différentes polarisations. La PMD a lieu dans la fibre optique car la lumière dans chaque plan de polarisation dans la fibre peut se propager à une vitesse différente, menant à une distorsion de la forme d onde. La PMD constitue un grand obstacle pour les systèmes très rapides opérant à des débits de plus de 10 Gbps. Elle constitue l une des principales barrières contre le passage aux 40 14

23 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques Gbps. Elle est l un des plus récents et moins connus aspects de la fibre optique. Elle n a commencé à susciter de l intérêt qu une fois le besoin des débits élevés s est fait ressentir [2][3]. Pour un tronçon de fibres donné, la PMD est calculée de la façon suivante : PMD = f Fibres PMD( f ) Le rapport signal à bruit optique (OSNR) L OSNR est le rapport de la puissance du signal optique par la puissance du bruit optique sur une bande de fréquence donnée. Les sources de bruit peuvent être l émetteur, la diaphonie (crosstalk), ou l émission spontanée amplifiée (Amplifier Spontaneous Emission, ASE) pour ne citer que ceux là. Toutefois, on ne s intéressera qu à l ASE qui constitue le facteur le plus important [5]. La détection du signal est généralement affectée par l atténuation et la dispersion. Pour cela, on utilise des amplificateurs qui, d un autre coté, entrent des imperfections supplémentaires causées par l ASE. En pratique, l utilisation d un amplificateur aide à améliorer la qualité du signal car l augmentation de l amplitude du signal va aider à dépasser le bruit généré par le récepteur. Cependant, le bruit de fond optique qui accompagne le signal optique désiré sera amplifié avec le signal. Par conséquent, l OSNR aura tendance à se dégrader en passant à travers le système de transmission. L OSNR est le plus important paramètre associé à un signal optique donné. En effet, Le facteur Q dépend directement de l OSNR. Ils sont liés par l égalité suivante : Q db 20log 10 OSNR B B 0 c Où B 0 est la bande passante optique du composant d extrémité (photo détecteur) et B c est la bande passante électrique du filtre du récepteur [3]. En d autres termes, Le facteur Q est proportionnel à l OSNR. D où l importance de l OSNR. 15

24 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques L OSNR est une quantité mesurable pour un réseau donné et elle peut être calculée à partir des paramètres du système. On présente dans ce qui suit une brève description de la méthode. Considérons un lien physique AB (figure 9). Supposons que ce soit un lien longue distance (long-haul), c est-à-dire à plusieurs centaines de kilomètres. Des amplificateurs sont placés périodiquement pour booster la puissance du signal. Ainsi, un signal peut traverser des distances supérieures aux limites imposées par les pertes de la fibre. Cependant, avec cette méthode, chaque étage d amplification ajoute sa propre composante de ASE et dégrade l OSNR. De plus, chaque amplificateur amplifie d avantage le bruit déjà présent. Il est à noter que le bruit est omniprésent à travers le spectre et il est quasiment impossible à éliminer. Il est donc impératif de trouver une méthode pour calculer l OSNR (en sortie) à la fin d un système à N étages d amplification pour voir si la valeur N est valide [3]. Figure 9 : Les étages d'amplification [3] A chaque étage d amplification, l OSNR est donné par : OSNR NF Pin h f stage Où NF stage est le facteur de bruit de l étage (Noise Figure), h est la constante de Planck (6,6260 x ), ν est la fréquence optique 193 THz, et f est la bande de NF. L OSNR total du système à N étages d amplifications est déduit de l égalité suivante : N 1 1 OSNRfinal 1 OSNR i i 16

25 Chapitre 1 : Réseaux WDM et contraintes physiques 6.3 La phase non linéaire En plaçant des amplificateurs optiques, on améliore la qualité du signal, mais on augmente aussi les effets non linéaires. L indice de réfraction de la fibre a une forte composante qui dépend du niveau de puissance du signal. L amplification du signal a donc pour effet l augmentation des effets non linéaires. Ces effets non linéaires produisent un décalage de phase non linéaire noté Φ NL. Son expression est donnée ci-après : NL P in 1 e L où γ est le coefficient non linéaire donné par l équation suivante : n2 0 ca eff où n 2 est le coefficient non linéaire de l indice de réfraction dans la silice. A eff est l aire effective du cœur de la fibre et P in est la puissance d entrée. On voit donc que la phase non linéaire dépend de la puissance d entrée et de la largeur de la fibre. Les effets non linéaires constituent donc une limite contre l augmentation de la puissance. 7 Conclusion Dans ce chapitre, on a introduit les réseaux WDM. On a détaillé les éléments qui permettent une bonne compréhension du fonctionnement de l outil de calcul de la qualité de transmission. En particulier, on a présenté les fibres et les amplificateurs utilisés et on a expliqué les quatre paramètres de QoT considérés, à savoir la dispersion chromatique, la dispersion modale de polarisation, l émission spontanée amplifiée et la phase non linéaire. On a également introduit le concept de facteur Q. Dans le chapitre suivant, on détaille l implémentation de l outil de calcul de la qualité de transmission. 17

26 Chapitre 2 : Description de la fonction de QoT Chapitre II Description de la fonction de QoT 1. Introduction Dans ce chapitre, on présente l implémentation de la fonction qui calcule la qualité de transmission (QoT). Le but de cette fonction, dont les paramètres ont été établis selon les préconisations d Alcatel R&I, est de calculer la qualité d une transmission avant son établissement. Pour un chemin optique donné, la fonction de QoT fournit quatre paramètres, en l occurrence la dispersion modale de polarisation (Polarization Mode Dispersion, PMD), la dispersion chromatique résiduelle, le rapport signal à bruit optique (Optical Signal to Noise Ratio, OSNR) et la phase non linéaire. Ces quatre paramètres sont agrégés dans une même fonction nommée facteur Q. Le facteur Q caractérise la viabilité de la transmission. Si le facteur Q est supérieur à un seuil prédéterminé alors le signal peut être transmis sans régénération. Dans le cas contraire, le signal doit être régénéré en (au moins) un nœud intermédiaire du chemin choisi. Le programme implémentant cette fonction est écrit en PERL (Practical Extraction and Report Language). Ce choix a été motivé par le fait que, comme son nom l indique, PERL est particulièrement adapté à l extraction d informations à partir de fichiers de données et pour la manipulation de caractères. Pour le problème qui nous concerne, les données décrivant le réseau sont stockées dans des fichiers de données. Dans ce qui suit, on présente plus en détails l implémentation de la fonction de QoT et on explicite les algorithmes des principales fonctions. 2. Description générale de la fonction La fonction de QoT prend en entrée un chemin optique, défini par la donnée d un chemin physique et d une longueur d onde et elle calcule la QoT sur ce chemin. La QoT est définie par quatre paramètres rassemblés dans un vecteur, dit vecteur de QoT. Il s agit du rapport signal à bruit optique, la dispersion chromatique résiduelle, la phase non linéaire et la dispersion modale de polarisation. A partir de ces quatre paramètres, on calcule le facteur Q. Cette approche a l avantage de prendre en considération les interactions entre les imperfections. Par exemple, plus ou moins de dispersion chromatique peut être tolérable suivant le niveau des effets non linéaires. 18

27 Chapitre 2 : Description de la fonction de QoT L organigramme suivant schématise le déroulement du programme : La fonction principale Prise en compte des paramètres physiques Ouverture du fichier contenant les chemins Lecture du chemin Ouverture du fichier contenant la description des liens Construction physique du chemin Calcul de la QoT du chemin i : PMD, DC, OSNR, PhiNL Calcul de Qfactor du chemin Classe Noeud Classe ChemOpti Classe Lien Classe Ampi Classe Attenuateur Classe Fibre Diagramme de déroulement de la fonction de calcul de QoT Le programme prend comme entrée un fichier de données dont les lignes correspondent à des chemins optiques. Le premier élément de chaque ligne est la longueur d onde choisie utilisée. La suite constitue les nœuds successifs composant le chemin. Voici un exemple de ligne : Cette ligne correspond à un chemin reliant le nœud 3 au nœud 4 en passant par les nœuds 5 et 2 sur la onzième (on indexe les longueurs d onde à partir de zéro) longueur d onde. Pour pouvoir calculer le facteur Q sur un chemin donné, les caractéristiques physiques des liens empruntés par le signal sont définies dans un fichier de données. Il est ouvert en lecture dans la classe qui construit les liens.voici un exemple de ligne de ce fichier : Cette ligne correspond aux données du lien 55, reliant le nœud 31 au nœud 24. La longueur de ce lien est de 467. Le reste de la ligne correspond aux pas d amplification. Les pas d amplification sont généralement autour de 80. Pour chaque pas, il faut construire une fibre de 19

28 Chapitre 2 : Description de la fonction de QoT ligne, un amplificateur étage 1, une fibre de compensation de dispersion et un amplificateur étage 2. Le déroulement de la fonction calculant la QoT a lieu en deux étapes : la prise en compte des paramètres du réseau puis la construction physique du réseau et le calcul des paramètres de QoT et du facteur Q pour tous les chemins. Première étape : prise en compte des paramètres du réseau On commence tout d abord par définir les paramètres physiques du réseau comme le type de fibre, la nature des cartes de dispersion, le nombre de canaux Chaque paramètre physique se traduit par des valeurs et souvent des méthodes bien spécifiques. Par exemple, si le type de fibre SMF1 est choisi, alors les constantes définies lors de la création des fibres sont celles relatives aux fibres SMF1. Les paramètres physiques choisis au départ sont stockés dans un fichier qui sera ensuite ouvert en lecture par les classes lors de la construction du réseau pour s assurer que toutes les classes utilisent la même valeur pour un paramètre donné et éviter ainsi toute incohérence. Deuxième étape : construction physique du chemin Une boucle parcourt tous les chemins dont on veut calculer la QoT. Pour chaque chemin, on construit successivement chaque nœud et chaque lien qui le suit. Six classes ont été définies. La classe ChemOpti est appelée par la fonction principale. Elle appelle à son tour la classe Nœud pour construire les nœuds et la classe Lien pour construire les liens. La classe Nœud quant à elle appelle les classes Attenuateur et Ampli et la classe Lien appelle les classes Attenuateur, Fibre et Ampli. Après la construction du chemin, la fonction de QoT calcule les quatre paramètres et le facteur Q. Pour chaque paramètre, la fonction principale appelle la méthode appropriée de la classe ChemOpti. Puisque les paramètres qu on considère sont cumulatifs, alors cette méthode de la classe ChemOpti fait appel aux méthodes des classes Nœud et Lien qui, à leur tour font appel aux méthodes des classes Fibre, Ampli et Attenuateur. En d autres termes, les paramètres d entrée à une méthode de la classe Nœud par exemple sont les paramètres de sortie d une méthode de la classe Lien. La fonction de QoT retourne enfin le facteur Q. La fonction qui retourne le facteur Q est un polynôme fonction des quatre paramètres et défini de manière expérimentale. Pour des raisons de confidentialité, ce polynôme ne sera pas fourni dans ce rapport. Dans le paragraphe suivant, on présente les classes en détail. 20

29 Chapitre 2 : Description de la fonction de QoT 3. Description détaillée des classes de la fonction 3.1 La classe Fibre La classe Fibre est définie dans le fichier Fibre.pm, elle permet de construire les fibres du réseau. Dans ce qui suit, on détaille les objets et les méthodes de cette classe Les attributs de la classe Fibre Tout d abord, il faut définir les paramètres physiques qui caractérisent les fibres du réseau : La dispersion D (ps/nm.km) introduite par un kilomètre de fibre. Le paramètre DS (ps/nm².km) permet de varier la dispersion en fonction de la longueur d onde. L atténuation α (db/km) introduite par un kilomètre de fibre. Le paramètre αs (db/nm.km) permet de varier l atténuation en fonction de la longueur d onde. n 2 (m²/w) est le coefficient non linéaire de l indice de réfraction dans la silice. A eff (µm²) est l aire effective du cœur de la fibre. PMDlin (ps/ km) est la PMD linéique. Dans les tableaux ci-après sont mentionnées les valeurs de chaque paramètre pour les différents types de fibre. Paramètre SMF1_flat_typ SMF1 _typsmf1_alea SMF1_file SMF1_file_alea D (ps/nm.km) LinRand(16,18) D(λ) from file D(λ) from file DS (ps/nm².km) GaussRand 0.05<DS< *LinRand (5e-3*LinRand * ) (db/km) GaussRand 0.18< <0.23 ( ) from file ( ) from file 0.01*LinRand S (db/km.nm) 0 3e-5 GaussRand (3e-6*LinRand* ) 2.5e-5< S<3.5e-5 n2 (m²/w) 2.6e e e e e-20 Aeff (µm²) GaussRand 80 GaussRand 55<A eff <115 55<A eff <115 PMDlin (ps/ km) LinRand(0,0.2) 0.1 LinRand(0,0.2) Tableau 1 : paramètres de la fibre SMF1 21

30 Chapitre 2 : Description de la fonction de QoT Paramètre SMF2_flat_typSMF2 _typsmf2_alea SMF2_file SMF2_file_alea D (ps/nm.km) LinRand(16,19) D(λ) from file D(λ) from file DS (ps/nm².km) GaussRand 1.5*LinRand 0.05<DS<0.065 (5e-3*LinRand* ) (db/km) GaussRand ( ) from file ( ) from file 0.2< < *LinRand S (db/km.nm) 0 3e-5 GaussRand (3e-6*LinRand* ) 2.5e-5< S<3.5e-5 n2 (m²/w) 2.6e e e e e-20 Aeff (µm²) GaussRand 80 GaussRand 46<A eff <126 46<A eff <126 PMDlin (ps/ km) LinRand(0.3,0.8) 0.5 LinRand(0.3,0.8) Tableau 2 : paramètres de la fibre SMF2 Paramètre DCF_flat_typ DCF _typ DCF _alea DCF _file DCF _file_alea D (ps/nm.km) LinRand(-110,-80) D(λ) D(λ) from file DS (ps/nm².km) GaussRand 0.28<DS<0.33 from file 10*LinRand (0.01*LinRand* ) (db/km) GaussRand 0.55< <0.7 ( ) from file ( ) from file 0.1*LinRand S (db/km.nm) 0 3e-5 GaussRand (3e-6*LinRand* ) 2.5e-5< S<3.5e-5 n2 (m²/w) 3e-20 3e-20 3e-20 3e-20 3e-20 Aeff (µm²) GaussRand 18<A eff <22 20 GaussRand 18<A eff <22 PMDlin (ps/ km) LinRand(0.2,0.5) 0.4 LinRand(0.2,0.5) Tableau 3 : paramètres de la fibre DCF Les champs de construction de la fibre sont les suivants : Le type de la fibre : On distingue trois types de fibre à savoir SMF1 (Tableau 1), SMF2 (Tableau 2) et DCF (Tableau 3). Les fibres SMF correspondent à des fibres de ligne qui entrent une dispersion chromatique positive alors que les fibres DCF sont des fibres de compensation de dispersion qui entrent des dispersions négatives. 22

31 Chapitre 2 : Description de la fonction de QoT La platitude de la fibre : Cet attribut peut prendre quatre valeurs : flat_typ, typ, alea, file, file_alea. On peut paramétrer la façon de calculer les paramètres en affectant à l attribut platitude une valeur parmi flat_typ, typ, alea, file, file_alea. La première méthode consiste à supposer que les paramètres ne dépendent pas de la longueur d onde, ce cas est noté flat_typ. Par opposition, la deuxième considère que les paramètres dépendent de la longueur d onde. Cette différence est mise en œuvre par les paramètres DS et S qui servent à calculer respectivement la dispersion chromatique et l atténuation en pondérant l effet de la longueur d onde. On voit que pour le premier cas, ces deux paramètres sont nuls, donc on multiplie la longueur d onde par zéro pour annuler son effet. Ce cas est noté typ. La troisième est de faire varier les paramètres aléatoirement dans un intervalle de confiance. LinRand dénote la distribution aléatoire uniforme et GaussRand la distribution aléatoire gaussienne. Ce cas est noté alea. Pour la quatrième manière, on lit les valeurs à partir d un fichier. Elles représentent des valeurs empiriques. Ce cas est noté file. La dernière englobe les quatre premières. C est le cas file_alea. λ est la différence entre la longueur d onde et 1550 nm. La longueur de la fibre : Deux cas se présentent suivant le type de la fibre. Si la fibre à construire est une fibre de ligne (i.e SMF) alors la longueur de la fibre correspond à la longueur du pas d amplification. Si la fibre à construire est une fibre DCF alors la longueur doit être calculée en fonction de la dispersion chromatique à compenser. La méthode de calcul est la suivante : on donne à la fibre comme constructeur la dispersion chromatique causée par la fibre SMF. Ensuite, on cherche le multiple de DCgran (granularité de la fibre DCF égale à 17 ps/nm) le plus proche de cette quantité de dispersion chromatique à compenser et on stocke cette valeur dans la variable intermédiaire Disp. La longueur de la fibre DCF sera alors le rapport entre Disp et la dispersion D introduite par un kilomètre de fibre DCF (D = -90 ps/nm.km). 23