Technologies d accès (M3103) Boucle locale en France

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1 Automne 2015 version 0.1b Technologies d accès (M3103) Boucle locale en France Paul HONEINE Université de Rouen IUT, site Elbeuf

2 Préface 2/80

3 Module M3103 Technologies d accès Objectif principal : Comprendre les principales architectures de boucle locale cuivre, optique et radio, et en particulier les technologies xdsl, FTTH et WiMAX. Compétences visées : Analyser les enjeux de la boucle locale pour accéder au réseau d opérateur. Appréhender la complexité de déploiement d une boucle locale (par ex. ingénierie FTTH). Être capable d intervenir dans le déploiement et la maintenance de boucles locales. Configurer un équipement d accès au réseau cœur d un opérateur. Mots clés et contenus : Topologie de boucle locale filaire; notion de NRA/NRO; point de mutualisation; connexion au réseau de collecte. 3/80

4 Support du cours Le présent document, en version draft, repose sur des informations et des images des références suivantes Les livres d Andrew Tanenbaum, notamment Computer Network Les supports de cours de L. Sassatelli, A. Rachedi, P. Ciblat, et C. Pham Point d Appui National - Aménagement Numérique des Territoires Internet : Wikipedia, lafibre.info, Orange, l Internet Rapide et Permanent,... 4/80

5 Les règles d évaluation 5/80

6 Outline 6/80

7 Réseau Téléphonique Commuté Le Réseau Téléphonique Commuté (RTC) 7/80

8 Réseau Téléphonique Commuté Le téléphone figures/telephoneschematic.eps 8/80

9 Réseau Téléphonique Commuté Le téléphone figures/telephoneschematic.eps Même principe de fonctionnement depuis son invention par Charles Bourseul, Antonio Meucci, Johann Philipp Reis, Alexander Graham Bell (brevet en 1876),... 9/80

10 Réseau Téléphonique Commuté Le téléphone Les opérateurs téléphoniques ou la commutation manuelle 1877 figures/telephone_commut_1877.eps 1951 figures/telephone_commut_1951.eps 10/80

11 Réseau Téléphonique Commuté Le téléphone figures/telephone.eps Le bon vieux téléphone (téléphone analogique) = Plain Old Telephone Service (POTS) Communications vocales bi-directionnelles, dites en full duplex, permettant d échanger des sons dont la fréquence est comprise entre 300 et 3400 Hz, ce qui représente le spectre de la voix humaine; Utilisation de diverses tonalités de contrôle, comme le signal occupé, les tonalités de numérotation et la sonnerie; d appareils téléphoniques normalisés analogiques, munis à l origine d un cadran rotatif de numérotation puis de touches. 11/80

12 Réseau Téléphonique Commuté Le téléphone Du pulse dialing au DTMF Les tonalités de contrôle : le code DTMF (dual-tone multi-frequency) est une superposition de deux fréquences lors de la pression sur une touche du clavier téléphonique Hz Hz Hz Hz 697 Hz A 770 Hz B 852 Hz C 941 Hz * 0 # D 12/80

13 Réseau Téléphonique Commuté Réseau téléphonique commuté Réseau téléphonique commuté (Public switched telephone network) Utilise la commutation de circuits, c est à dire la réservation d un chemin physique ou logique (par multiplexage temporel) dans le réseau, ce chemin étant dédié à l ensemble des informations de parole (ou données (plus tard)) de cette même et seule communication entre émetteur et récepteur. Les 3 générations des réseaux téléphoniques : 1 Réseau téléphonique commuté entièrement analogique 2 Numérisation de la voix à l entrée du réseau de l opérateur, en utilisant toujours une ligne analogique (c est à dire la commutation de circuits). 3 Téléphone sur IP (ou VoIP pour Voice over IP), où les terminaux émettent les informations sous la forme de paquets. (mais nécessite un traitement en temps réel en < 150 ms) 13/80

14 Réseau Téléphonique Commuté Réseau téléphonique commuté Les (premiers) réseaux ont une structure d interconnexion maillée Si deux nœuds voisins ont des échanges intenses, on y a installation d un lien direct. Il s agit de commutateurs d abonnés ou NRA (Nœud de Raccordement d Abonnés) Des NRA, on passe à un niveau plus élevé, entre des NRA proches, puis à un niveau plus élevé,... régional,... national puis international. Les réseaux téléphoniques commutés sont construits sur 3 ou 4 niveaux de commutateurs, comme illustré par le numéro téléphonique : Boucle locale Le réseau d accès, dit boucle locale, correspond au dernier kilomètre pour raccorder l abonné final à un NRA, avec une paire de fils de cuivre. figures/telephone_loop.eps 14/80

15 Réseau Téléphonique Commuté Technologie d accès à Internet par le réseau téléphonique figures/teleph2internet_loop.eps figures/teleph2internet_loop_zoom.eps 15/80

16 Réseau Téléphonique Commuté Technologie d accès à Internet par le réseau téléphonique MoDem : échange full duplex analogique émission large bande, avec une porteuse (1-2 khz) et un nombre de modulations par seconde (2400 bauds) modulation d amplitude (AM, Amplitude Modulation), modulation de phase (PSK, Phase Shift Keying), modulation de fréquence (FSK, Frequency Shift Keying), et toutes combinaisons (modulation avec codage en treillis)... Technologie d accès à Internet par le Réseau Téléphonique Commuté optimisé par pour la voix, avec un filtrage dès le commutateur local selon une bande passante Hz accès très bas débit sur la ligne téléphonique par Modem, limité à 56 Kbps en débit descendant vers l abonné. 16/80

17 Réseau Téléphonique Commuté Technologie d accès à Internet : vers l xdsl Technologie d accès par DSL (Digital Subscriber Line) Le principe consiste à investir des fréquences non utilisées par la voix, ce qui permet de monter en débit jusqu à plusieurs Mbps sur la ligne téléphonique. Plusieurs technologies xdsl : ADSL, SDSL, VDSL,... Remarque : Le débit maximal diminue avec la distance entre le client et le commutateur. La portée est limitée à quelques kilomètres autour du commutateur d abonnés. 17/80

18 Outline 18/80

19 Une vue d ensemble de la boucle locale 19/80

20 Vue d ensemble Boucle locale Sommaire : Modems xdsl fibre optique... 20/80

21 Vue d ensemble Schéma d une boucle locale 21/80

22 Vue d ensemble Schéma d une boucle locale 22/80

23 Vue d ensemble Schéma d une boucle locale figures/reseau001.eps Schéma de la boucle locale, avec les principaux composants. 23/80

24 Vue d ensemble Schéma d une boucle locale figures/reseau001.eps figures/sra_armoire_de_rue.eps figures/jarretiere_telephonie.eps figures/point-concentration-aerien-poteau.eps Les principaux composants : point de concentration, sous-répartiteur et répartiteur. 24/80

25 Vue d ensemble Schéma d une boucle locale figures/reseau001.eps figures/sra_armoire_de_rue.eps figures/jarretiere_telephonie.eps figures/point-concentration-aerien-poteau.eps Les principaux composants : point de concentration, sous-répartiteur et répartiteur. 25/80

26 Vue d ensemble Constitution figures/reseau001.eps La boucle locale peut être découpée en trois parties : 1 Transport : du Nœuds de Raccordement d Abonnés (NRA) jusqu au Sous-Répartiteurs (SR), avec des cables de 112, 224, 448, ou 996 paires. 2 Distribution : du SR jusqu au Points de Concentration (PC), avec des câbles de moins de 56 paires (7 8). 3 Branchement : du PC jusqu à l abonné, avec une paire de fils torsadées. 26/80

27 Vue d ensemble La boucle locale en France, en chiffre 39 millions de lignes et 18 millions de poteaux dont 5 millions gérés par ERDF; à sous-répartiteurs, soit environ 230 lignes par sous-répartiteur, en moyenne; environ répartiteurs téléphoniques (NRA), soit environ à lignes par répartiteur en moyenne 20 répartiteurs de plus de lignes 300 répartiteurs de plus de lignes 700 répartiteurs de plus de lignes 1200 répartiteurs de plus de 5000 lignes 5600 répartiteurs de plus de 1000 lignes environ 40 km 2 superficie moyenne des zones arrières; kilomètres d artères de génie civil; 110 millions de paires.kilomètres de câble. Le coût de reconstruction (s il fallait reconstruire la boucle locale cuivre) est estimé par l ARCEP 1 à 28 milliards d euros. 1. ARCEP : Autorité de Régulation des Communications Électroniques et des Postes. 27/80

28 Vue d ensemble La longueur des lignes Longueur moyenne de la boucle locale cuivre : m Longueur moyenne entre le NRA et le SRA : m Longueur moyenne de la sous-boucle locale cuivre : 700 à 800 m figures/longueur-france-france_cle eps Répartition des lignes en fonction de la longueur. figures/affaiblissement-france-france_cle05bdb8.eps Répartition des lignes en fonction de l affaiblissement. 28/80

29 Nœuds de raccordement d abonnés Nœuds de raccordement d abonnés (NRA) 29/80

30 Nœuds de raccordement d abonnés NRA-MeD (Montée en Débit) NRA-MeD sur Bourguignon (10) figures/201309_bourguignon_nra_med_2.eps figures/201309_bourguignon_nra_med_6.eps 30/80

31 Nœuds de raccordement d abonnés??? 31/80

32 Nœuds de raccordement d abonnés??? 32/80

33 Nœuds de raccordement d abonnés??? 33/80

34 Nœuds de raccordement d abonnés??? 34/80

35 Outline 35/80

36 DSL 36/80

37 Introduction Modem figures/modem_schema.eps La paire de fils torsadés est optimisée pour la voix. Elle est limitée artificiellement dès le commutateur local avec un filtre passe-bande 300 Hz Hz. Les modems sont forcément lents (jusqu à 56 kbps)! Solution : utiliser la paire de fils torsadées à sa limite physique DSL 37/80

38 Introduction Le concept xdsl figures/dsl_v0.eps DSL (Digital Subscriber Line) ou encore xdsl (ou en français ligne numérique d abonné ) est une classe de techniques mises en place pour la transmission de données numériques sur les lignes téléphoniques. Motivation : les lignes téléphoniques existantes, en cuivre, peuvent véhiculer des ondes comprises dans une certaine plage (dite bande passante) de fréquences; seule une petite partie (côté basse fréquence) de la bande passante est utilisée par la voix, de 300 à 3400 Hz. L idée réside dans l exploitation de la partie non utilisée du spectre (côté fréquences hautes) pour transporter des données. Le débit est habituellement entre 256 kbit/s et 100 Mbit/s dans la direction de l utilisateur final (en débit descendant dit downstream) Intérêt : utiliser les lignes téléphoniques en cuivre, moins cher comparé à un déploiement de la fibre optique qui coûte jusqu à 10 fois plus Outils : méthodes de traitement du signal et de codage de l information Difficultés : attenuation en fonction de la distance, diaphonie,... 38/80

39 La diaphonie La diaphonie Diaphonie : Diaphonie locale ou paradiaphonie (Near-End CrossTalk ou NEXT) Diaphonie distante ou télédiaphonie (Far-End CrossTalk ou FEXT) figures/diaphonie.eps 39/80

40 La diaphonie La diaphonie dans les câbles Mesure de l effet cumulé : Diaphonie locale totale (Power-sum near-end cross talk ou PSNEXT) Diaphonie distante totale (Power-sum far-end cross talk ou PSFEXT) Référence : câble de 50 paires figures/crosstalk_93.eps Evolution de l atténuation NEXT en fonction de la fréquence pour des câbles de 2, 11, 25 et 50 paires de fils torsadés. 40/80

41 La diaphonie La diaphonie ) 0.6 f 3 2 ( N Modèle de diaphonie locale (NEXT) : H NEXT (f) 2 = x où x 49 = désigne le coefficient de couplage de 49 perturbateurs NEXT, f est la fréquence en Hz, et N est le nombre de perturbateurs dans le câble. Ce dernier est limité à 49 dans un câble de 50 pairs. Chaque signal, de densité spectrale de puissance PSD signal (f), injecte un niveau de diaphonie locale (NEXT) dans un récepteur à proximité selon PSD NEXT (f) = PSD signal (f) H NEXT (f) 2 Selon ces expressions, la diaphonie est faible à très basses fréquences et le couplage augmente à la vitesse de 15 db par décade de fréquence. Par exemple, à 80 khz, la perte est de 57 db pour 49 perturbateurs. La perte (en db) pour 49 perturbateurs à d autres fréquences peut être calculé selon la formule (en db) : L 49 = 57 db 15 log ( f ( ) N 0.6 Modèle de diaphonie distante (FEXT) : H FEXT (f) 2 = H canal (f) 2 kdf 2 49 où H canal (f) est la fonction de transfert du canal, k = est le coefficient de couplage de 49 perturbateurs FEXT, N est le nombre de perturbateurs, et d est la distance de trajet de couplage. Le couplage est faible aux basses fréquences et plus important à des fréquences plus élevées; la pente augmente selon 20 db / décade. ) 41/80

42 La diaphonie La diaphonie figures/crosstalk_94.eps Si l on compare le coefficient de couplage de NEXT par rapport à celui de FEXT, on voit que le couplage de diaphonie locale (NEXT) est d environ six ordres de grandeur supérieure à celle de la diaphonie distante (FEXT). On remarque que le couplage NEXT augmente à la vitesse de 15 db par décade avec l augmentation de la fréquence, alors que le couplage FEXT a une vitesse d augmentation de 20 db par décade. Une étude approfondie des caractéristiques de la boucle locale DSL de la boucle de câble, dont la dégradation linéaire et la diaphonie est disponible dans : J. J. Werner, The HDSL Environment, IEEE JSAC 9, no. 6, (Aug. 1991) /80

43 Longueur Difficultés : la longueur Les performances de la boucle locale dépendent de la longueur et de l épaisseur des fils, ainsi que de leur qualités/ancienneté/catégorie. figures/dsl_dist.eps Evolution du débit en fonction de la distance, pour un câble UTP de Catégorie 3. figures/longueur-france-france_cle eps Répartition des lignes en fonction de la longueur. Longueur moyenne de la boucle locale cuivre : 2500m Longueur moyenne entre le NRA et le SRA : 1700m Longueur moyenne de la sous-boucle locale cuivre : 700 à 800m 43/ 80

44 xdsl ADSL L ADSL (pour Asymmetric DSL) est la technologie qui a permis une considérable augmentation de la bande passante de l utilisateur, jusqu à un facteur de 50 fois plus de débit. L intérêt principal est l utilisation des paires torsadées des lignes téléphoniques existantes (comparé à HDSL) L ADSL est conçu pour des utilisateurs typiques : une bande passante descendante plus grande que celle de l ascendante L utilisation de la téléphonie classique Le canal ADSL est divisé en 3 sections : Canal de téléphonie, de largeur 4 khz Canal ascendant : 16 kbps - 1 Mbps Canal descendant : Mbps Deux technologies (en concurrence) pour attribuer les bandes spectrales aux canaux non-téléphoniques : Echo Cancellation (duplex, utilisé dans les modems V32 et V34) Frequency Division Multiplexing (FDM) 44/80

45 xdsl xdsl : Les normes les plus connues HDSL (High-bit-rate DSL) max 2km SDSL (Symmetric DSL) max 2km IDSL (ISDN DSL), UDSL (Universal DSL), CDSL (Consumer DSL),... VDSL et VDSL2 (Very-high-bit-rate DSL) max 1km ADSL, ADSL2 et ADSL 2+ (Asymmetric DSL) max 3km READSL 2 (Reach Extended DSL 2) RADSL (Rate Adaptive DSL) max +3km figures/vdsl2.eps Spectre de fréquence utilisé par le VDSL2 45/80

46 xdsl DSLAM et BAS Le DSLAM ((DSL Access Multiplexer)) agrège les données de plusieurs lignes DSL dans une seule ligne, souvent dite ATM (Asynchronous Transfert Mode). Cette dernière est dirigée à une dorsale Internet (en anglais backbone, avec un débit jusqu à 10 Gbit/s) pour connecter l utilisateur à son fournisseur d accès. Le BAS (Broadband Access Server) est le point de collecte des flux provenant des DSLAM. Il possède des interfaces ATM côté réseau de collecte d accès ADSL et des interfaces Ethernet côté backbone IP. Exemple : le BAS Redback permet le raccordement de 2000 accès. figures/adsl.h16.eps 46/80

47 xdsl??? 47/80

48 xdsl??? 48/80

49 xdsl??? 49/80

50 xdsl??? 50/80

51 xdsl??? 51/80

52 Outline 52/80

53 Transmission sur fibre optique 53/80

54 Objectifs Saisir la spécificité du support : fibre optique Acquérir les notions d optique guidée Connaître les principaux composants optiques Comprendre le fonctionnement d un système de transmission sur fibre optique 54/80

55 Objectifs 55/80

56 FTTX 56/80

57 Outline 57/80

58 Boucle locale radio 58/80

59 WiMAX 59/80

60 Outline 60/80

61 Annexes 61/80

62 Sur la transmission d un signal binaire Annexe : Sur la transmission d un signal binaire Sur la transmission d un signal binaire 62/80

63 Sur la transmission d un signal binaire Détérioration d un signal binaire par un canal F min = 40 Hz figures/img11.eps figures/img12.eps figures/img13.eps figures/img14.eps 63/80

64 Sur la transmission d un signal binaire Détérioration d un signal binaire par un canal F max = 3000 Hz figures/img11.eps figures/img15.eps figures/img13.eps figures/img16.eps 64/80

65 Sur la transmission d un signal binaire Détérioration d un signal binaire par un canal Bande Passate globale : 40 Hz 3000 Hz figures/img11.eps figures/img18.eps figures/img13.eps figures/img17.eps 65/80

66 Sur la transmission d un signal binaire Détérioration d un signal binaire par un canal Elimination des basses fréquences (utiliser un signal de moyenne nulle) figures/img20.eps figures/img23.eps figures/img19.eps figures/img22.eps figures/img21.eps figures/img24.eps 66/80

67 Modulation Annexe : Modulation Modulation 67/80

68 Modulation Modulation d amplitude s(t) = Asin(2πft+φ) figures/img25.eps 68/80

69 Modulation Modulation de fréquence s(t) = Asin(2πft+φ) figures/img26.eps 69/80

70 Modulation Modulation de phase s(t) = Asin(2πft+φ) figures/img27.eps 70/80

71 Multiplexage Annexe : Multiplexage Multiplexage 71/80

72 Multiplexage Multiplexage temporel Exemple 1 : Automobile Avant l ère du multiplexage : L électronique dans l automobile (source PSA et Auto-Volt, 1997) figures/mpx01.eps 72/80

73 Multiplexage Multiplexage temporel Exemple 1 : Automobile figures/multiplex_voiture2.eps figures/bus-can-multiplexage.eps 73/80

74 Multiplexage Multiplexage temporel Exemple 2 : Aéronautique aviation figures/airbus_cables.eps Airbus : km de câbles à bord! figures/avion_avant.eps figures/avion_apres.eps 74/80

75 Multiplexage Multiplexage temporel Exemple 3 : Navy figures/navybus.eps 75/80

76 Multiplexage Multiplexage en fréquence Multiplexage fréquentiel 76/80

77 Mutualisation et dégroupage Annexe : Mutualisation et dégroupage Mutualisation et dégroupage 77/80

78 Mutualisation et dégroupage Fournisseurs d accès à Internet ADSL : Alice Bouygues Telecom Budget Telecom Dartybox Free Magic OnLine Nerim Nordnet Orange OVH SFR Câble : Numéricâble WiMAX/Satellite/WiFi : Nordnet Numéo Vivéole 78/80

79 Mutualisation et dégroupage?? 79/80

80 Mutualisation et dégroupage?? 80/80

81 Mutualisation et dégroupage?? 81/80