Réseaux publics de télécommunication

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1 Réseaux publics de télécommunication (Ed Révision : 9/01) 1. Introduction et vue d'ensemble. 2. Le réseau public téléphonique commuté. 3. La transmission. 4. La commutation de circuits. 5. La signalisation. 6. La commutation de paquets. 7. Le RNIS à bande étroite. 8. Les communications avec les mobiles. 9. Le RNIS à large bande. 10. La hiérarchie numérique synchrone (SDH) et le WDM. 11. La commutation ATM. 12. L évolution du réseau d accès et les techniques xdsl. 13. Le réseau de gestion des télécommunications. 14. L intelligence du réseau et concept de "réseau intelligent" (IN). 15. Les aspects réglementaires. Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 1

2 Introduction et vue d'ensemble 1. Définition 1.1. Réseaux de télécommunication 1.2. Réseaux publics et privés 2. Classification des réseaux de télécommunication 2.1. Architecture 2.2. Transport et services 2.3. Les services 3. Le réseau de transmission 3.1. Signal et transmission : l'analogique et le numérique Signal analogique et numérique Exemple : capacité requise par une communication téléphonique Transmission analogique et numérique Le multiplexage Principes FDM et TDM Exemple : le multiplex à 2 Mbit/s (E1) FDM et TDM combinés WDM/DWDM Autres types 4. Les systèmes de transmission. 5. Les systèmes de commutation 6. Signalisation et gestion. 7. La normalisation. ANNEXE 1 : Commissions d études de l'uit-ts ANNEXE 2 : Recommandations de l ITU-TS. ANNEXE 3 : ETSI. Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 2

3 1. Définitions Le terme "réseau public de télécommunications" recouvre 2 concepts: "réseau de télécommunications" d'une part et "public" d'autre part Réseau de Télécommunications Le terme "réseau de télécommunication" concerne l'aspect technique. La télécommunication implique la communication à distance entre 2 (au moins) "usagers" (homme/machine) d'un service (ex: téléphonie/télécopie/internet) échangeant des informations (voix, données, images,...) via un terminal (ex: téléphone à touche, fax). - Cette communication entre usagers est établie via une ressource de transmission qui les relie et supporte le transfert d'information. Ces ressources de transmission, lorsqu'elles traversent le domaine public, sont la composante de base de l'infrastructure. Depuis la libéralisation des infrastructures inscrite dans les directives de la CE (Commission Européenne) (application : 1/1/98), l infrastructure qui était auparavant sous monopole d un opérateur public (l ex-rtt) est octroyée dans le contexte de licence à d'autres opérateurs. - Affecter de manière permanente une ressource dédiée sous forme d'une liaison point à point entre 2 usagers n'est concevable que si ces 2 usagers ont une forte affinité et un trafic important : c'est le cas des liaisons spécialisées (appelées aussi circuits loués) entre installations privées (voir réseau privé au point 1.2.).Par exemple, l opérateur public fournit une liaison de N x 2 Mbit/s entre 2 sites distants d une entreprise ; celle-ci dispose de cette liaison et de ce débit d une manière permanente et l utilise à sa convenance pour transporter de l information. Par contre, entre chaque paire d'usagers potentiels, c'est illusoire pour des raisons évidentes : - le nombre de liaisons deviendrait astronomique (ex : abonnés téléphoniques en Belgique, quelques centaines de millions dans le monde) - certains usagers n'ont aucune affinité et ne communiquent jamais - les communications ont une durée limitée et n'occupent les ressources de transmission que partiellement. Le seul moyen de permettre économiquement à tout usager d être mis en communication avec un autre est d'attacher le terminal à un réseau de télécommunications. Le rôle du réseau sera alors d établir une liaison à la demande d un usager connecté au réseau. Chaque usager accède au réseau via un point d accès défini par une interface usager/réseau: UNI ( User Network Interface ) [voir fig. 1] entre le réseau et les terminaux d abonnés (CPE : «Customer s Premises Equipment ). Par ex. pour le réseau téléphonique, l'interface concerne l'ensemble des spécifications électriques,mécaniques et fonctionnelles telles qu'une paire de fils rattachant le poste téléphonique au réseau téléphonique, la signalisation par multi-fréquences, les niveaux pour le signal téléphonique,...; physiquement, l interface se présente généralement sous la forme d une prise appelée NT ( Network Termination ). Pour atteindre tout autre usager connecté au réseau et établir la liaison souhaitée, un élément d information essentiel est l "adresse" qui identifie l accès au réseau.(par exemple, le numéro téléphonique). Le réseau est lui-même constitué de noeuds de transfert (ou commutateurs, switch, exchange, routeurs, ) qui aiguillent les communications sur base de l adresse demandée. Les noeuds sont reliés entre eux par des liaisons et systèmes de transmission et les communications suivent une série de noeuds et de liaisons entre l origine et la destination qui constituent des routes Réseaux publics et privés. Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 3

4 - Les réseaux publics, comme le nom l'indique, fournissent des services et des accès accessibles à tous. - Le terme public apparaît par ailleurs explicitement dans les acronymes permettant de distinguer les réseaux selon les services qu'ils supportent : PSTN : «Public Switched Telecom Network» (i.e. le réseau téléphonique) PDN : «Public Data Network» PLMM : «Public Land Mobile Network» (e.g. le réseau GSM). - Les réseaux privés utilisent certaines ressources de transmission (i.e. circuits loués) des opérateurs publics pour connecter entre eux les sites de l'entreprise (sauf certaines entreprises qui disposent déjà des sites ou une infrastructure propres :SNCB, ELECTRABEL,... - Par exemple, pour le service téléphonique, chaque site est desservi par un commutateur téléphonique privé, le PABX ["Private Automatic Branch Exchange"]. De même, le réseau privé peut disposer de ces propres commutateurs de paquets ou ATM,... (voir exemple fig. 2) - Les réseaux privés substituent donc des éléments de réseau privés à des éléments publics. L'usage de tel réseau est limité en principe à des usagers de l'entreprise ; ils sont cependant connectés aux réseaux publics pour permettre évidemment à l entreprise d accéder au monde extérieur et donc techniquement «accessibles» à tous les usagers Aspects règlementaires. - Au plan réglementaire, un réseau de télécommunications est défini comme suit (Art. 68, 5 loi du 21/3/91) : Réseau de télécommunications : les systèmes de transmission et, le cas échéant l équipement de commutation et autres ressources permettant le transport de signaux entre des points de terminaison définis, par fils, par faisceaux hertziens, par moyens optiques ou par d autres moyens électromagnétiques. Un réseau de télécommunications est qualifié de public dès qu il est utilisé en tout ou en partie en vue de la fourniture au public de services de télécommunications. N est donc pas public un réseau utilisé par une personne pour son usage propre ou servant à la fourniture de services à un ou plusieurs groupes fermés d utilisateurs. - Pour pouvoir exploiter un réseau public, il est nécessaire de se voir accorder une licence par le régulateur (en Belgique, l'ibpt, Institut Belge des Postes et Télécommunications,. Site : qui spécifie les droits et impose des obligations en terme de services offerts par le réseau : accès, couverture géographique, qualité, performances, prix, Les conditions d accès sont spécifiées dans des réglementations à élaborer par le régulateur, par ex. et en conformité avec des normes européennes imposées par la CE dans le contexte de l ONP ("Open Network Provision"). - Plusieurs types de licence sont octroyées par l IBPT pour les réseaux publics: 1) une licence réseau pour des opérateurs disposant d infrastructure 2) une licence voix pour des opérateurs ne disposant d infrastructure Dans le cas (1), il s agit d opérateurs investissant dans des réseaux de transmission : câble, fibre optique,... avec une couverture géographique relativement importante : e.g. entre plusieurs villes (e.g. GTS(SNCB) et/ou avec des accès jusqu au client i.e. des réseaux d accès fixes : par exemple réseau de F.O. (fibre optique) (e.g. Colt, Worldcom), réseau de cuivre ou de F.O. (e.g. Belgacom), HFC (Hybrid Fibre Coax) (e.g. cablo-opérateur comme Telenet), WLL («Wireless Local Loop»), Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 4

5 Dans le cas (2), il s agit d opérateurs investissant dans un noeud (une plate-forme) de services vocaux qui sera connecté sur le réseau mis en place par l opérateur de type (1). (e.g. un service Calling Card ) 3) une licence de type réseau radio-mobile comme le GSM : Proximus, Mobistar, KPN-Orange. Comme ces opérateurs investissent aussi dans de l'infrastructure, ils peuvent aussi bénéficier d'une licence de type (1). - Les usagers connectés à un réseau devant pouvoir accéder à ceux d un autre réseau, les réseaux sont interconnectés ce qui donne lieu à des règles d interconnexion entre opérateurs pour lesquelles le régulateur fixe les exigences minimales, les autres conditions faisant généralement l objet d accords commerciaux entre opérateurs. Les interfaces techniques sont appelées NNI («Network to Node Interface») (voir fig. 1) et en terme de régulation, POI ( Point Of Interconnect ou Point of Interface ). - Ces aspects seront développés dans le module Classification des réseaux de télécommunication 2.1. Architecture technique. - La classification peut se faire selon l'architecture et la technique utilisée pour transférer l'information. C est une classification traditionnelle ; en pratique, les réseaux actuels combinent plusieurs architectures. - On distingue généralement : - les réseaux commutés ("switched networks") - les réseaux de diffusion ("broadcast networks"). - les réseaux cellulaires («cellular networks») Réseaux commutés [voir fig. 3] - Les réseaux commutés sont subdivisés en : - réseau à commutation de circuits ("circuit switched network") - " " " " paquets ("packet switched network") - " " " " messages ("message switched network"). - Dans ces réseaux, l'information est transmise depuis le terminal de départ jusqu'au terminal d arrivée au travers d'une série de noeuds connectés entre eux par des liaisons de transmission ; chaque nœud agit comme un aiguillage actionné sur base de l'adresse du destinataire. - Dans la commutation de circuits, un chemin dit commuté est établi au début de la communication depuis la source (l'appelant) jusqu à la destination (l appelé) et une capacité de transmission [par ex. un canal de 3,1 khz ou de 64 kbits/s pour une communication téléphonique: voir point 3.1.2], est allouée pendant toute la durée de la communication. A la fin de la communication, le chemin est libéré. La capacité ainsi attribuée a diverses appellations : voie, canal ou circuit. [A noter que ces appellations, en particulier circuits, sont souvent employées avec des significations différentes].les noeuds par lesquels passent la communication sont appelés «commutateurs» (de circuits) (en anglais : «switch», «exchange») (e.g. commutateur téléphonique). - Dans la commutation par paquets, l'information à transmettre (en l'occurrence des données: bits, octets) est envoyée sous forme de messages de taille limitée appelé paquet. Chaque paquet est Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 5

6 transmis de noeud en noeud selon un mode "store and forward" en utilisant une capacité de transmission entre 2 noeuds qui est disponible à ce moment. Cette capacité de transmission n'est donc pas assignée à une communication spécifique mais est utilisée par les paquets de plusieurs communications simultanément en cours. On parle dans ce cas de circuits «virtuels» : pour l usager, un circuit est établi dans le réseau à sa demande au début de la communication, comme dans le cas de la commutation de circuits mais il est virtuel puisque certaines ressources du réseau sont partagées avec d autres utilisateurs. Le temps de stockage dans chaque noeud est très court. Lorsqu un paquet est erroné et suivant le type de réseau, ce paquet peut éventuellement être retransmis. Les noeuds par lesquels transitent les paquets sont appelés «commutateurs» (e.g. commutateur X25, commutateur ATM).) Une autre approche pour les paquets consiste à ne pas établir de «circuit» et à envoyer les paquets individuellement dans le réseau ; les noeuds analysent chaque fois pour chaque paquet l adresse destinataire et l envoient vers le noeud suivant ; c est le principe du «datagramme» et le chemin suivi par les paquets peut varier dynamiquement au cours d une communication. Dans ce cas, les noeuds sont appelés «routeurs» (e.g. routeur IP). - Mode avec ou sans connexion. Une communication entre des terminaux connectés sur un réseau peut se faire fondamentalement de 2 manières : avec (= orienté connexion) ou sans connexion : Connection Oriented = CO ou Connection-less = CL. Les réseaux basés sur la commutation de circuits sont orientés connexion, les réseaux de paquets supportent selon le cas, l un ou les 2 modes. La commutation de messages utilise les mêmes principes que la commutation par paquets mais le temps de stockage est plus long [plusieurs minutes ou davantage]. Si un message est erronné, il faut retransmettre tout le message, ce qui est un inconvénient par rapport à la commutation de paquets. Cette technique a été utilisée pour le télex et la télégraphie avec des procédures et protocoles rudimentaires comparés à la commutation par paquets. Réseaux de diffusion [voir fig. 4A] - Les réseaux de diffusion (pouvant établir des communications bidirectionnelles) les plus connus sont : - réseaux radios par paquets (ex : ALOHA) - réseaux satellite (ex : VSAT) - réseaux locaux (LAN) et métropolitains (MAN) - réseau de TV-distribution, adaptés dans certains cas pour les communications bidirectionnelles (téléphonie, Internet) - Dans ces réseaux, l'information (paquet, message) est transmise depuis le terminal de départ sur un milieu de transmission accessible à tous les terminaux. - A la réception, chaque terminal qui reçoit le message émis examine l'adresse du message et détermine si celui-ci lui est destiné ou non (auquel cas il l écarte). - Il n'y a pas de commutation opérée par le réseau ( dans ce type de réseau, on peut considérer qu'il s'agit d'une auto-commutation distribuée). - A l émission, la ressource de transmission étant partagée par tous les terminaux, un mécanisme d accès est nécessaire [ALOHA, CSMA, Token, MAC,...]. Réseaux cellulaires. Les réseaux cellulaires (e.g. GSM) peuvent être rangés dans la catégorie précédente (le milieu étant accessible à tous les terminaux ) pour la partie accès des mobiles via l interface radio dans les cellules. Pour la partie «fixe» qui écoule les communications, ils utilisent des réseaux commutés (circuits et/ou paquets).ils seront décrits dans le Module 8. Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 6

7 2.2. Transport et service. - Une vue plus courante chez les opérateurs télécom consiste à découper le réseau en couches : un réseau de transport physique (= réseau de transmission, à ne pas confondre avec la notion de transport dans le modèle OSI) et des réseaux fonctionnels (ou logiques) affectés à des services (téléphonie, télex, données, radiotéléphonie) qui utilisent le réseau de transport. Ces réseaux fonctionnels peuvent eux-mêmes être découpés en couches : une couche commutation et/ou routage, une couche service proprement dite, une couche service à valeurs ajoutées, Ces réseaux ont été pendant longtemps différenciés en réseaux voix et données ; le RNIS et les concepts plus récents de Voix sur ATM, VoIP («Voice over IP»),. ont pour objectif de fusionner ces 2 aspects en un réseau unique. - Le réseau de transport ou de transmission relie entre eux les noeuds des réseaux de service [i.e. les commutateurs, les routeurs, les serveurs,...] et assure aussi la connexion des équipements terminaux qui permettent aux clients d accéder et d'utiliser les services. - Ces équipements sont situés chez le client [CPE : "Customer Premises Equipment"] ; exemple : téléphone, PABX ("Private Automatic Branch Exchange"), modem, FAX, LAN,...ou sont mobiles ( e.g. portable GSM) Les services QOS Topologiquement, le réseau de transmission est habituellement scindé entre réseau local, la partie qui relie des CPE aux noeuds d accès des réseaux (dans la plupart des cas, une unité de commutation téléphonique) situés dans un bâtiment appelé BCT (Bureau Central Téléphonique), en abrégé central ou CO ( Central Office ) (note : par abus de langage, on confond souvent le central et le bâtiment, alors que le bâtiment héberge bien d autres équipements ) et le réseau dorsal ("Backbone", "core") reliant les noeuds du réseau. Les liaisons entre les sites des clients où se trouvent les CPE s et le réseau sont appelées communément «local loop». Le réseau local, longtemps perçu comme un réseau de paires de cuivres pour téléphonie subit, avec les perspectives des services large-bande et la mise en oeuvre de nouvelles technologies ( FO, radio, équipements électroniques, xdsl...), d importants changements et est désormais conçu comme un réseau d accès ("access network") multi-services. La fig. 4C reflète cette architecture des réseaux. Cette importante évolution sera décrite dans le module 15. Les services sont caractérisés par une série de caractéristiques qui constituent la QOS («Quality Of Service»). Des paramètres types sont affectés à la QOS et doivent pouvoir être supportés par des réseaux qui assurent ces services. Les principales caractéristiques à prendre en compte sont les suivantes : -1. pour les services interactifs en temps réel, voix/données, qui sont les plus exigeants en terme de contraintes temporelles (e.g. la téléphonie, la visiophonie) : -le délai de transfert ou délai de «transmission» ( on parle parfois de «latency») du signal par le réseau, de la source à la destination, qui comporte temps de traitements + temps de transmission et de propagation. Pour la téléphonie par exemple, ce temps est limité à msec et à msec, soit msec A-R ( Aller- Retour, «round-trip delay») lorsqu il y a des systèmes analogiques dans la connexion sauf si on place des équipements pour compenser les échos (ce point sera traité dans le module transmission). -la variation dans le délai de transfert («delay variation»), appelée aussi gigue («jitter»). Le signal transmis pour ce type de service est en effet par nature isochrone. De telles contraintes sont difficiles à satisfaire pour des réseaux de type paquets pour lesquels le temps de traversée du réseau est par nature flottant (e.g. IP). Une approche consiste à récupérer le synchronisme dans les terminaux d extrémité, pour autant qu il soit assez intelligents et puissants (! impact sur le délai). On notera que les services en temps réel, non-interactifs (e.g. diffusion d un programme vidéo) sont nettement moins exigeants en termes de contraintes temporelles ( on peut diffuser les images d un événement avec quelques secondes de retard pour autant qu on conserve l isochronisme sans que cela porte à conséquence). Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 7

8 2. pour les services de données, les contraintes portent sur : - les débits le débit minimal à garantir, débit de crête, débit moyen, - les erreurs : BER, perte de paquets, duplication ou insertion de paquets, ordre des paquets, 3. pour les services de type multimedia : Dans ce cas, le réseau est amené à supporter plusieurs types de services, comme les précédents. 4. les aspects multipoint ou multi-cast (plus facile pour un réseau de type sans connexion qu avec connexion dès que le nombre de participants est important). Impact sur les réseaux. Pour pouvoir supporter la QOS et surtout si le réseau ambitionne d être multi-services, des mécanismes spécifiques doivent être disponibles : mécanismes de prioritisation des ressources du réseau ( et donc d allocation de coûts aux utilisateurs ), contrôles de flux et de congestion, contrôle d accès,... Tous les paramètres de QOS ci-dessus doivent en principe pouvoir être supportés «end-to-end» ; on entrevoit dès lors 2 types de problèmes liés aux réseaux actuels : - l aspect multi-opérateurs (gestion, responsabilité, ) - l aspect muti-technologies (différentes technologies ou couches de réseau interviennent pour contrôler la QOS) COS Pour pouvoir satisfaire la QOS, sans rendre la spécification de tous les paramètres trop flexible et et impossible à gérer, les réseaux (ou couches de réseau) proposent quelques «classes de services «(COS) types (e.g. : ATM, UMTS). 3. Les réseaux de transmission. Le réseau de transmission est caractérisé par : - les milieux de transmission utilisés (paire de cuivre, coaxial, fibre optique, faisceau hertzien,...) - les systèmes de transmission qui sont mis en oeuvre sur ces milieux ; les systèmes de transmission sont composés d équipements de transmission : terminaux de transmission, aux extrémités, modulateur, multiplexeurs, répéteurs,... - la topologie : arborescence, étoile, anneau(boucle), Signal et transmission : l'analogique et le numérique. [voir fig. 5A] Signal analogique et signal numérique. 1. L'information émise par la source (voix, texte, image) est, via un terminal, présentée sous une forme analogique (e.g. signal électrique produit par un téléphone) ou sur une forme numérique (e.g. une série de bits produit par un PC). 2. Cette information, pour être émise, est convertie en 1 signal d entrée (ou message) qui peut être numérique ou analogique. Fondamentalement, un signal est toujours une grandeur physique analogique et cette discrimination réfère donc au contenu de l'information qu'il transporte. Un signal analogique prend des valeurs continues et varie en amplitude, fréquence et phase ; un signal numérique prend 1 série de valeurs discrètes représentées par un signal élémentaire appelé moment (par exemple :amplitude avec 2 valeurs discrètes 0 ou +V pour un moment binaire, amplitudes -V,O,+V pour un moment ternaire, Le débit de moments s exprime en Bauds. Chaque moment qui dispose de M valeurs discrètes peut transporter log 2 M éléments binaires, ce qui permet de convertir un débit de Bauds en débit de bits/s ). Les signaux analogiques peuvent être convertis en signaux numériques et inversément par des équipements appelés codeur/décodeur (CODEC) ou modems (modulateur/démodulateurs) Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 8

9 Note: la différence entre ces 2 équipements est la suivante: - Le CODEC est un équipement qui est destiné à convertir le signal de source analogique, en l occurrence la voix, en signal numérique. Le codage sera donc conçu pour que le signal vocal original puisse être transmis et reconstitué à l arrivée le plus fidèlement possible. - Le modem est un équipement qui est destiné à convertir un signal de source numérique (en l occurrence un train de bits) en un signal analogique. Si le signal doit passer à travers le réseau téléphonique (PSTN), le codage sera donc conçu pour que le signal numérique original puisse être transmis à travers un tel réseau (conçu pour transporter des signaux analogiques avec une bande passante limitée) et reconstitué à l arrivée le plus fidèlement possible (i.e. avec le moins de bits erronés) c) Le signal d entrée n'est généralement pas adapté au milieu de transmission ; il devra être mis en forme par l émetteur pour constituer le signal émis. (Cette mise en forme peut mettre en oeuvre diverses techniques de codage et de modulation). Il en de même à la réception Exemple : capacité requise par une communication téléphonique. La voix est un signal analogique dont les caractéristiques spectrales (énergie, intelligibilité ) sont représentées sur la figure 5B. Pratiquement, une bande passante de 3,1 khz (de 300 Hz à 3,4 khz ) est suffisante et doit être respectée par les noeuds et les ressources de transmission du réseau téléphonique qui vont supporter la communication. Ce signal est dans la plupart des cas numérisé et donc converti en signal numérique. Ce point sera développé en détail dans le module consacré à la transmission mais le principe est relativement simple : un signal analogique peut sans perte d information être converti en un signal échantillonné pour autant que la fréquence d échantillonnage soit au moins 2 fois la fréquence maximum du signal (théorème de Shannon). Pour le signal vocal, on part d une fréquence maximum de 4 khz et on échantillonne donc à 8 khz, soit toutes les 125 s. Les échantillons sont ensuite quantifiés par un code à 8 bits (Pulse Code Modulation = PCM) ce qui génère donc un débit de 64 kbit/s. [note : bien entendu des méthodes plus performantes de codage et de compression, e.g. voix Half Rate GSM = 6,5 kbit/s, ont été développées mais l interconnexion avec le PSTN demande de travailler sur cette base]. Une conséquence importante de la mise en oeuvre des ces méthodes (dès les années 60) dans le réseau téléphonique est que fondamentalement, le PSTN (et son successeur l ISDN) offfrent des circuits avec une BP de 3,4 khz (partie analogique) ou 64 kbit/s (partie numérique) Transmission analogique et numérique. La transmission de la source à la destination met en oeuvre des systèmes de transmission. On distingue grosso-modo les systèmes de transmission numériques et les systèmes de transmission analogiques. - Un système de transmission analogique transmet les signaux analogiques sans se préoccuper de leur contenu (ex : voix, fréquences de modem) et essaie de les restituer le plus fidèlement possible à l extrémité distante. Les signaux étant atténués avec la distance, il faut réamplifier les signaux après une certaine distance, ce qui introduit de la distorsion dans le signal, le bruit étant aussi amplifié ; cette distorsion s'accumule avec le nombre d'amplificateurs selon la distance parcourue. Le signal subit encore d'autres perturbations le long du trajet de transmission : interférences, diaphonie («crosstalk»),. - Le système de transmission numérique transmet des signaux numériques en se préoccupant de leur contenu (! non pas la signification de l information, mais la valeur discrète de chaque moment). Lorsqu après une certaine distance, le signal numérique est atténué et distordu et que la distinction de la valeur du moment risque d être ambiguë, le signal numérique est reconstitué via Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 9

10 des équipements appelés régénérateurs (ou parfois répéteurs). L erreur qu on peut commettre est évidement de se tromper sur la valeur du moment, ce qui influe sur la qualité de l information transmise en terme de BER ( «Bit Error Rate»). 3.2.Le multiplexage Principes Les liaisons de transmission sont par définition coûteuses et offrent une capacité en B.P. (Hz) ou en débit (kbit/s) supérieure à celle requise par une seule communication ; celle-ci peut donc être utilisée par plusieurs communications simultanément au moyen de techniques dites de multiplexage. Cette notion est souvent associée à celle de méthode d accès, dite d accès multiple, des différents usagers à une ressource commune, par exemple TDM/TDMA ("Time Division Multiplexing") ("Time Division Multiple Access") bien qu il s agisse de notions différentes : le multiplexage concerne la technique de partage des ressources entre plusieurs usagers; l accès multiple concerne les processus de partage des ressources entre ces usagers. L accès multiple nécessite des règles (protocoles, algorithmes) et des systèmes de commande par lesquels un utilisateur peut accéder aux ressources (temps, fréquence) partagées FDM et TDM Deux types de multiplexage de base sont largement utilisés en transmission : le FDM : "Frequency Division Multiplexing" (MRF : multiplexage à répartition en fréquence) mis en oeuvre pour des signaux analogiques et le TDM : "Time Division Multiplexing" (MRT : multiplexage à répartition dans le temps) mis en oeuvre pour des signaux numériques. Principe du FDM [voir fig. 6.A] Les signaux de communication (ex. la voix en téléphonie qui occupe une bande passante de 3,1 khz) sont modulés sur des porteurs différents assignés à chaque communication. Une bande de garde sépare les différentes voies. La méthode d accès est appelée FDMA et consiste très simplement à allouer une voie pendant la durée de la communication. Une communication occupe donc une partie du spectre disponible pendant toute la durée de la communication. Ce système a été utilisé à partir des années 60 pour les "longues distances" (i.e. l'interurbain et pour l international). Principe du TDM [voir fig. 6.A] Les signaux de communication occupent tour à tour pendant un temps bref, appelé intervalle de temps IT ("TS Time-slot") toute la ressource spectrale de la liaison de transmission. Un temps de garde peut dans certains cas séparer les différents IT's. Le système TDM/TDMA se présente sous 2 variantes: 1. TDM/TDMA synchrone [appelé aussi TDM à allocation fixe : "fixed-assignment") 2. TDM/TDMA asynchrone (connu aussi sous les noms de multiplexage TDM statistique, TDM à allocation dynamique, multiplexage intelligent,..). Dans la variante 1, un TS est alloué périodiquement pendant 1 trame ou un cycle à chaque source (voir fig. 6.B.). L ensemble des TS pendant 1 cycle constitue une trame. Ce mode est efficace si le trafic de la source est régulier. La position du TS dans la trame identifie la source. Si le trafic est sporadique, beaucoup de TS sont inutilisés et la capacité du système de transmission est inefficace. Dans le cas d'un multiplexage statistique, les TS disponibles peuvent être alloués à toute source qui a des informations à émettre (voir fig. 6.B). Le prix payé pour cette efficacité est que la position du TS n'identifie plus la source et il faut donc une information supplémentaire d'adressage, ce qui ajoute de l'overhead. L avantage est de disposer d une capacité supplémentaire en terme de débit qui peut être allouée à d autres utilisateurs ( voir (A) fig.5) ou de pouvoir transmettre à un débit plus économique Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 10

11 (voir (b) fig.5). Dans ce cas, le débit brut en sortie d'un multiplexeur statistique est inférieur à la somme des débits bruts des sources à l entrée et doit en principe être plus ou moins égal en moyenne à la somme des débits utiles (i.e. l'information des différentes sources). En cas de trafic de pointe, le débit du multiplexeur peut être insuffisant et il faut donc prévoir des mécanismes de tampon ("buffer") Note : on retrouve le même concept que dans la commutation de paquets Exemple : le multiplex système 2Mbit/s (E1). Un des multiplex TDM les plus utilisés en transmission en Europe est le multiplex synchrone à 32 voies de 64kbit/s appelé «système» à 2Mbits/s ou E1 (E pour European et 1 car il est le système de base de la hiérarchie PDH ; voir point ci-après). Ce système sera examiné plus en détails dans le module 3 ( transmission). En gros, il est constitué de la manière suivante. A l entrée, on a 32 sources de 64 kbit/s comme décrites au point et livrant chacune 8 bits (un TS) toutes les 125 s. Le multiplex produit donc en sortie un signal dont la trame comporte 32 TS de 8 bits et a une durée de 125 s, ce qui donne un débit de +- 2 Mbit/s. Le signal (la trame) est dit isochrone car tous les moments ont une durée constante et se suivent au rythme d'une horloge. Dans le trame, les TS sont numérotés de 0 à 31. Deux TS sont utilisés pour pouvoir synchroniser et gérer le système ce qui fait que le E1 permet de transporter 30 voies utiles, par exemple 30 communications téléphoniques simultanément Multiplexage FDM/TDM combinés [voir fig. 7.A]. Dans ce cas, le signal de chaque source peut, pendant un TS, utiliser une partie du spectre disponible allouée à un groupe de sources. Une source est donc identifiée par une combinaison TS/bande de fréquences. Si la combinaison TS/bande de fréquence assignée à une source peut varier dans le temps pendant la durée de la communication, on parle de techniques d étalement du spectre [SS : "spread spectrum"]. L'avantage de ces techniques est la diversité : résistance aux interférences et au fading, confidentialité. Diverses variantes de ces systèmes sont utilisées dans les radiocommunications et diffèrent par les méthodes d accès. Citons notamment : - CDMA [Code Division Multiple Access] qui peut être réalisé sous 2 manières FH-CDMA [FH = frequency hopping] et DS-CDMA [DS = direct séquence]. (Note : DS-CDMA est utilisé dans des systèmes militaires et pour des systèmes de radiocommunications numériques US). CDMA est aussi retenu pour les systèmes mobiles de 3ième génération (UMTS). - FH-TDMA (utilisé dans le GSM). La fig [7.B] illustre (de manière très simplifiée ) cette technique : à la fin de chaque TS, chaque signal est "réarrangé" en fréquence et en position de TS selon un "code" qui module la fréquence porteuse et saute ("hop") dans une autre bande de fréquence. Le code est pseudo-aléatoire et peut être orthogonal ou quasi-orthogonal ( dans ce cas, il y a des collisions entre les TS des usagers qui apparaissent comme du bruit sur le canal). (Note : une des différences entre le CDMA et le FH-TDMA est que dans le CDMA, le signal de FH n'est pas synchronisé avec les signaux de différentes sources ; chaque signal peut partager la totalité du spectre disponible de manière asynchrone). Ces techniques seront évoquées dans le module 8 (Communications avec les mobiles) WDM ("Wavelength Division Multiplexing")/DWDM («Dense WDM». Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 11

12 Utilisée dans les systèmes de transmission sur FO, il s agit d une évolution récente bénéficiant des progrès de l amplification optique et qui augure de la tendance à aller vers un réseau de transport «tout optique» : dans une même fibre, plusieurs porteuses avec des longueurs d onde différentes véhiculent des flux de bits distincts. Par exemple, au lieu de transporter 10 Gbit/s sur 1 longueur d onde, on transporte 4 systèmes de 2,5 Gbit/s sur 4 longueurs d onde. L avantage dans ce cas est de pouvoir augmenter la distance sans répéteurs. Deux autres applications importantes sont la possibilité d étendre la capacité du réseau de fibre actuel (sans devoir poser de nouvelles fibres) et la possibilité d allouer dans une même fibre une longueur d onde (on parle de «couleur») à des utilisateurs distincts et à des flux de bits structurés différemment Autres techniques SDMA ("Space Division Multiple Access") Des antennes pointent dans différentes directions et donc le même spectre de fréquences peut être réutilisé (exemple : satellite INTELSAT IV A) PDMA ("Polarization Division Multiple Access"). Des polarisations orthogonales permettent de séparer les signaux et donc de réutiliser le même spectre de fréquence (exemple : satellite). 4. Les systèmes de transmission Systèmes analogiques. - Les systèmes, connus sous le nom de systèmes à "courants porteurs", ont été introduits à partir des années 20 (!) pour les "longues distances". Ils ont été appliqués à différents types de support : lignes à paires symétriques ou coaxiales, faisceaux hertziens, satellites,... Ils ont atteint leur apogée au début des années Ces systèmes font usage du FDM et de la modulation BLU. - La fig. 8 représente le principe et la constitution de la hiérarchie qui atteint 900 voies dans les systèmes quaternaires. Hiérarchie FDM Voie téléphonique Groupe primaire Groupe secondaire Groupe tertiaire Nombre de voies Largeur de bande 3,1 khz 48 khz 240 khz 1332 khz Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 12

13 Groupe quaternaire khz - Ces groupes de base sont ensuite utilisés pour constituer des systèmes de transmission normalisés. - Ces systèmes ont été ensuite supplantés par les systèmes numériques basés sur le TDM Systèmes numériques Les systèmes numériques actuellement en usage se répartissent en 2 grandes familles : - PDH : Plesiochronous Digital Hierarchy - SDH : Synchronous Digital Hierarchy NOTE: Le PDH sera traité plus en détail dans le module 3 (Transmission). Le SDH sera traité plus en détail dans le module 10 (SDH) La famille PDH, bâtie sur le système à 2 Mbit/s, en Europe et 1,5 Mbit/s aux E.-U. est encore fortement implantée dans le réseau mondial de transmission des opérateurs de télécommunications. Le système de 2 Mbit/s a été évoqué au point La PDH est construite sur les niveaux de multiplexage «supérieurs» : 8, 34 et 140 Mbit/s et chaque niveau a un débit légèrement supérieur à un multiple exact du débit du niveau précédent de manière à permettre le multiplexage de signaux qui sont chacun synchronisés sur une horloge indépendante et ont donc un débit approximativement égal à 2 Mbit/s i.e. "plésiochrone". A cette fin des bits de bourrage sont introduits dans les niveaux supérieurs Un des inconvénients majeurs de la famille PDH est le manque de flexibilité : par exemple vouloir en 1 point du réseau extraire ("drop") un conduit 2 Mbit/s d'un système 140 Mbit/s et l insérer ("insert") dans un autre 140 Mbit/s nécessite une opération de démultiplexage pour tous les niveaux depuis le niveau supérieur jusqu'au niveau inférieur manipulé puis l opération de multiplexage inverse jusqu'au niveau supérieur. Un autre inconvénient majeur est la faiblesse des informations transmises pour l'exploitation et la maintenance Pour remédier à ceci, un nouveau système a été défini. Initialement conçu sous le nom de SONET (Synchronous Optical Network) aux E.-U., il a été normalisé par l' UIT sous le nom de SDH et est la conséquence normale de l évolution des performances de la micro-électronique et des capacités de transmission des fibres optiques. Le 1er niveau de la SDH s'appelle STM-1 et a un débit de 155 Mbits/s. La SDH est caractérisée par l'utilisation massive de bits de gestion (qui représentent 10 % du débit total) qui permettent de structurer la trame, d'adresser les constituants au moyen de pointeurs de synchronisation et de véhiculer les informations de gestion. Les affluents, y compris les signaux PDH, sont transportés dans des VC ["Virtual Containers"]. Le multiplexage est basé sur l'octet. Il est possible d'extraire ou d'ajouter directement une voie 64 kbit/s d'un STM1. Le niveau standardisé (actuellement) le plus élevé STM16 atteint 2,5 Gbit/s. Les systèmes SDH sont progressivement opérationnels depuis Les systèmes de commutation Commutation par circuits. L évolution est la suivante : A. commutation manuelle ( i.e. avec opératrices). B. commutation analogique, avec : Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 13

14 - commutation électromécanique. - commutation électronique ( SPC :"stored program control"). La commutation analogique est spatiale, i.e. elle connecte physiquement un circuit à l entrée du commutateur avec un circuit à la sortie. C. commutation numérique, associant la commutation spatiale et la commutation synchrone temporelle La commutation numérique connecte un TS d'un multiplex numérique synchrone présent sur un entrée à un TS d'un multiplex numérique synchrone présent sur une sortie. Le délai de commutation est bref (<= 450 microsecondes; CCITT Q507) et le réseau bâti sur ce type de commutateurs assure la transparence temporelle de la communication. On distingue la commutation : - à 64 kbit/s : l'essentiel des commutateurs numériques actuels; - à n x 64 kbit/s (pratiquement limité à un maximum de 2 Mbit/s). Note : la commutation par circuits sera traitée en détail dans le module 4 (Commutation par circuits.) 5.2. Commutation par paquets. L évolution est la suivante : - (1) la commutation par paquets (X25). Introduite dans les années 60, elle est basée sur des paquets de données de longueur variable et pour des réseaux avec une mauvaise qualité de transmission (i.e. un taux élevé d'erreurs BER); les protocoles mis en oeuvre par le réseau opèrent au niveau des couches 1, 2 et 3 du modèle OSl et assurent un transport exempt d'erreurs de bout en bout (ex mécanisme d'arq) ce qui a un effet néfaste sur la rapidité. Le but poursuivi est d'assurer la transparence sémantique de la communication. - (2) le relais de trame et la commutation de trames.("frame Relay" et "Frame Switching"). La qualité du réseau de transmission (i.e. transmission numérique sur coaxiaux et FO's) s étant accrue, il est plus efficace de relaxer les contraintes imposées sur les réseaux pour la correction des erreurs au profit de la vitesse. Les commutateurs opèrent au niveau des couches 1 et 2 du modèle OSI et laissent le soin au terminaux d'assurer la correction des erreurs de bout en bout. La conception des commutateurs devient plus simple et les gains de vitesse substantiels : pratiquement, on estime que 2Mbit/s est la vitesse optimale économique actuellement pour les réseaux X25. Le relais de trame pourrait théoriquement opérer jusqu à 140 Mbit/s. - (3) l'atm ("Asynchronous Transfer Mode"). On prolonge les motivations du relais de trames : le réseau ne s'occupe plus du traitement des erreurs. Les paquets utilisés sont de longueur fixes (appelés cellules, de longueur = 53 octets ; 48 octets d'information et 5 octets d'en tête). La longueur fixe de la cellule et le fait que le réseau n opère plus que sur les couches 1/2 assurent une très grande vitesse. Les vitesses pressenties vont jusqu à plusieurs centaines de Mbit/s. Grâce à sa grande vitesse, l' ATM permet des délais et des variations de délai (gigue) très faibles (quelques centaines de microsecondes) dans le réseau ce qui permet de supporter aussi les services à transparence temporelle. A la différence de la commutation par paquets, il n'y a aucune contrainte temporelle à l intérieur du réseau et la variation de délai minime générée par le réseau est résorbée aux extrémités. Cette caractéristique et la flexibilité des débits supportés sont les raisons du choix de l'atm pour le RNIS large - bande. note : l' appellation FPS ("Fast Packet Swiching") est utilisée parfois pour le relais de trame, parfois pour l'atm Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 14

15 - (4) IP L explosion de l Internet et l avènement du multimédia ont propulsé le protocole IP comme candidat à une plate-forme universelle multiservices. IP, basé sur un mode sans connexion,est surtout utilisé selon le principe du «best effort», càd qu il délivre les paquets sans garanties (délai, pertes, bande passante, ) et laisse le soin aux terminaux d assurer les exigences suivant les services et les applications. Le support de services interactifs comme la téléphonie (VoIP : Voice over IP) ou la visiophonie avec leurs contraintes temporelles, voire d applications Internet commerciales avec une qualité de service garantie, nécessite la prise en compte de critères de QOS. De nouveaux protocoles ont été/sont en développement (e.g. RSVP, RTP, ). Note : la commutation par paquets sera traitée en détail dans le module 6 (Commutation par paquets.) et la commutation ATM sera traitée dans le module 11 (ATM) La notion de mode de transfert. La parenté entre les notions de multiplexage temporel et de commutation temporelle a déjà été soulignée ; le notion de mode de transfert a été introduite par l' UIT pour décrire une technique qui couvre à la fois les aspects transmission, multiplexage et commutation. On distingue donc le STM ("Synchronous Transfer Mode") et l'atm Autres approches : MAN. Ces techniques ont été mises en oeuvre dans le cadre de l'interconnexion à haute vitesse des LAN's. avec des portées de 50 Km. Utilisant un milieu partagé, l'architecture est celle de réseau diffusé à commutation distribuée. Ces réseaux sont publics ou privés. Défini surtout pour les données, les MAN's peuvent théorétiquement aussi supporter la voix. Le MAN ("Metropolitan Area Network") peut fonctionner suivant le principe du DQDB("Distributed Queue Dual Bus") ou du FFDI ("Fiber Distributed Data Interface"). Le DQDB offre la particularité intéressante d'utiliser des cellules de même taille que l'atm et donc d être compatible avec celui-ci pour le futur RNIS large-bande. Les débits peuvent atteindre 140 Mbit/s. Le FFDI est caractérisé par l'utilisation de FO's, une topologie en double-anneau et la technique des jetons. La longueur peut atteindre 100 Km et les débits 100 Mbit/s sur chaque anneau. Les trames sont de longueur variable pouvant aller jusqu à 4500 octets. 6. Signalisation et gestion La signalisation. La signalisation concerne l échange d informations entre les terminaux et les noeuds (commutateurs ) du réseau.. Ces informations servent surtout à l établissement et au contrôle des connexions (I.e. les appels) à travers le réseau On distingue la signalisation entre l usager et le réseau (i.e. User network Signaling ), entre les noeuds du réseau ( Inter -office signaling ) et de bout -en-bout ( end-to-end ) entre les utilisateurs du réseau ( user-to-user signaling ). Si l établissement des connexions a été la raison initiale de la signalisation, l évolution est caractérisée par 2 axes : - outre les informations relatives à la connexion, les informations échangées concernent la gestion du réseau et de ses ressources, la taxation, le contrôle de services supplémentaires ou à valeur ajoutée par rapport à la simple connexion,... - l importance des échanges entre noeuds est telle que le signalisation entre les noeuds du réseau pour le PSTN et l ISDN est supportée par un réseau à part entière extrêmement critique, i.e. le réseau de signalisation CCITT N 7 (encore appelé CCS7 ou SS7) qui fonctionne comme un véritable réseau spécialisé de données. Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 15

16 Note : la signalisation sera traitée dans le module La gestion du réseau. Les équipements (transmission, commutation, signalisation,...) du réseau et les services doivent être gérés (supervision, contrôle, fourniture de services,...). L ensemble des fonctions nécessaires est assuré par les systèmes de gestion réseau, constitué par un ensemble de plate-formes (logiciel et matériel), reliées aux éléments du réseau par un réseau spécifique de gestion et capable de dialoguer au sens le plus large ( i.e. envoyer des commandes et recevoir des informations sur l état du réseau). Afin de pouvoir contrôler de manière automatique un ensemble souvent hétérogène d équipements différents (multi-vendeurs), un effort de normalisation est nécessaire en terme d architecture, d interfaces et de protocoles. Cette activité, très vaste, relève de ce qu on appelle le TMN ( Telecommunication Management Network ). Note : le TMN sera traité dans le module Normalisation Les organismes de normalisation. Pour des raisons économiques et politiques, le processus de normalisation pour les télécommunications est actuellement distribué dans de nombreux organismes dans lesquels interviennent les opérateurs, les constructeurs, les usagers et les régulateurs. On peut grossièrement distinguer : - 1. Les principaux organismes officiels de normalisation qui sont au plan mondial l ISO ( International Standard Organization ) et l UIT ( Union Internationale des Télécommunications ). L UIT (ITU en Anglais) (site : comporte 2 grandes subdivisions : le TS ( Telecommunications Sector ) qui est l ex-ccitt et le RS ( Radiocommunications Sector ) qui est l ex-ccir (on trouvera en annexe 1 la liste des Commissions («Study-Group») et activités de ITU-TS). Les groupes d étude sont animés surtout par les opérateurs et les industriels ; ils sont organisés en domaines fonctionnels classiques et distincts : transmission, commutation, services,.... Les progrès sont lents et les consensus difficiles. L ITU publie des Recommandations (voir annexe2). Au plan régional, on trouve des organismes parallèles : l ETSI(«European Telecommunications Standard Institute») en Europe, l ANSI aux E-U qui contribuent et influencent les travaux de l ITU et publient des recommandations qui sont des variantes régionales ou plus spécifiques et peuvent devenir dans certains cas des normes officielles contraignantes (voir point 7.2 ci après). On peut aussi citer des organismes tels que le CEI, CEN, IEEE,... qui contribuent aussi aux travaux de l ISO et de l ITU ETSI (voir annexe 3) L ETSI (site : est organisée en groupes de travail techniques appelés «Technical Bodies» qui sont les Comités techniques ( approche similaire aux Study-Groups de l ITU), les Projets, les Projets avec d autres partenaires Les tendances plus récentes de libéralisation et de compétition en matière de télécommunications ont généré une nouvelle approche axée davantage sur les nécessités du marché qui devient l élément moteur, sur la participation d autres acteurs comme les utilisateurs, sur une approche projet qui permet de rassembler l expertise dans plusieurs domaines des télécommunications mais aussi dans des domaines convergents : informatique, télévision, électronique,.... Cela a suscité l apparition d autres organismes qui influencent le processus de la normalisation et établissent parfois des normes de fait (e.g. TCP/IP dans le passé). Citons : - des Forums de promotions des normes : par exemple l AF ( ATM Forum ), le NMF ( Network Management Forum ), l «ADSL-Forum», l IETF («Internet Enginering Task Force»), Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 16

17 - des consortiums industriels comme X-OPEN, TINA-C,... - des groupes d usagers comme l EIUF ( European ISDN User Forum ). Dans l approche projet, citons par exemple le DAVIC ( Digital Audio Visual Council ) qui groupe des industriels européens, japonais et nord-américains et a pour but le développement de services audiovisuels en exploitant des normes existantes (ITU, ETSI, ISO, IEEE,...), les PT ( Project Teams ) de l ETSI, le plus connu étant le PT GSM, le «3GPP» (3 rd Generation Partnership Project» qui regroupe tous les acteurs de l UMTS Normalisation et réglementation. Parmi les documents («Deliverables») publiés par l ETSI (voir Annexe 3), certains documents sont informatifs (TR), d autres normatifs (TS). Les TS peuvent acquérir un statut de «Norme Européenne» (EN) par approbation des membres de l ETSI et de leurs NSO s («National Standard Organisation»). Enfin, certains documents établis à l instigation de la Commission Europénne peuvent acquérir le statut de Norme Européenne Harmonisée et ont force de loi au plan européen. Le processus d approbation de ces documents (consultation publique, révisions et amendements, vote pondéré entre pays membres, est évidemment graduellement plus laborieux. Public Networks INTRO Edition 3.4 (09/01) Page 17

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