Introduction aux réseaux de fibre optique

Cours mémo sur les reseaux FTTH , tutoriel & guide de travaux pratiques en pdf.

Introduction aux réseaux de fibre optique

Les réseaux FTTx peuvent être classés en deux grandes catégories :
1. Les réseaux de desserte optique jusqu’à un point de distribution : La fibre optique est déployée jusqu’au point de distribution (situé par exemple, à l’entrée d’une Zone d’Activité (ZA), ou au cœur d’un quartier résidentiel), puis la distribution terminale des usagers est réalisée par une autre technologique (câble, ADSL, réseaux hertzien, …).
Le point de distribution peut être situé au niveau :
• D’un NRA2 ou d’une station de base (Wi-Fi, Wi-Max). On parle alors de FTTN (Fiber to the Node),
• D’un sous-répartiteur ou d’une armoire de rue (FTTC pour « Fiber to the Cabinet » ou « Fiber to the Curb »),
• Du dernier amplificateur dans le cas des réseaux des câblo-opérateurs (FTTLA, pour « Fiber to the Last Amplifier ») : On parle alors de réseaux HFC (Hybrid Fiber Coaxial), la fibre optique étant déployée en remplacement du câble jusqu’au dernier amplificateur (situé à quelques centaines de mètres des logements), puis prolongée sur la partie terminale par le câble coaxial.
2 C’est le cas aujourd’hui des réseaux xDSL éligibles aux offres « Triple-play » des FAI.

Les réseaux de desserte optique jusqu’à l’usager, pour lesquels on distingue

• Les réseaux de desserte optique déployés jusqu’au bâtiment d’une entreprise, ou au pied d’un immeuble (FTTO / FTTB, pour Fiber to the Office / Building). La desserte interne de l’entreprise ou des foyers au sein de l’immeuble est ensuite réalisée généralement via un réseau « cuivre ».
• Les réseaux de desserte optique jusqu’au foyer de l’abonné (FTTU / FTTH, pour Fiber to the User / Home).
Ce sont ces réseaux qui font l’objet de la présente note.
Pour en savoir plus sur : La situation du FTTH
Les réseaux FTTH sont aujourd’hui largement déployés en Asie (notamment au Japon et en Corée du Sud) et dans une moindre mesure en Amérique du Nord et quelques pays d’Europe du Nord (Scandinavie).
En France, les principaux acteurs participant au déploiement de réseaux FTTH sont d’une part les collectivités locales (ou leur délégataires) via les Réseaux d’Initiatives Publique (RIP) (Ville de Pau, Département de la Manche), d’autre part les opérateurs nationaux tels que Orange, SFR, Free et Numéricâble, via des programmes de pré-déploiement ou d’expérimentations dans les principales agglomérations.
L’ARCEP recense en France, 20.000 immeubles équipés en fibre optique au 1er trimestre 2009, représentant plus de 500.000 foyers éligibles à la desserte en fibre optique.
Le marché du FTTH en France peut être structuré en trois zones :
– Les zones très denses, où la concurrence se fera par les infrastructures, et pour laquelle l’ARCEP vient de définir les modalités de déploiement et d’accès à la fibre (voir ci-dessous),
– Les zones intermédiaires (e.g. zones pavillonnaires) pour lesquelles un co-investissement privé sera nécessaire, impliquant une étroite collaboration entre les opérateurs,
– Enfin, les zones rurales, non rentables, sur lesquelles un investissement public sera indispensable pour éviter une nouvelle fracture numérique.

Architectures des réseaux FTTH

Ce chapitre présente dans un premier temps les différentes topologies de desserte FTTH, puis décrit le principe de la mutualisation de la partie terminale du réseau.

Topologies de desserte FTTH

Les réseaux FTTH sont structurés en plaques organisées autour d’un Nœud de Raccordement Optique (NRO).
Le NRO a un rôle équivalent dans le réseau de desserte optique à celui réalisé par le NRA dans la boucle locale cuivre.
Il s’agit d’un local technique abritant les équipements actifs de l’opérateur et concentrant les paires de fibres optiques provenant des usagers. Un NRO peut desservir plusieurs milliers, voire dizaines de milliers, de foyers.
Dans la topologie du réseau de l’opérateur, le NRO marque ainsi la frontière entre son réseau de collecte (en amont) et son réseau de desserte (en aval).
On distingue deux principaux types d’architecture FTTH :
¾ L’architecture Ethernet point-à-point (P2P), pour laquelle une fibre optique3 par abonné est déployée du NRO jusqu’au foyer de l’usager.
¾ L’architecture point-multipoint (P2M) ou PON (Passive Optical Network), basée sur différents standards (GPON, EPON) et pour laquelle une fibre optique peut desservir plusieurs abonnés.
Remarque : Il existe un troisième type d’architecture FTTH, l’architecture FTTH active ou AON (Active Optical Network), basée sur la technologie « Ethernet Active ». Il s’agit d’une architecture hiérarchique où des commutateurs Ethernet sont insérés entre le NRO et l’usager. Cette architecture n’ayant pas été adoptée par les opérateurs pour des raisons évidentes de coûts d’investissement et d’exploitation élevés, elle n’est pas décrite ici.
Dans ces deux types d’architecture, les équipements actifs4 du réseau FTTH se retrouvent uniquement au niveau du NRO (typiquement, un commutateur Ethernet) et du logement de l’abonné (CPE5, dont l’appellation commerciale est souvent désignée « Box THD »).
On notera que le terme « PON » est uniquement utilisé pour désigner les architectures Point-Multipoint (EPON, GPON) et les distinguer de l’architecture Ethernet P2P. En toute rigueur, ces deux types d’architecture étant passives, on devrait plutôt parler de PON P2M et de PON P2P.
Les choix retenus par les opérateurs pour leur déploiement FTTH sont les suivants :
¾ Orange utilise le standard GPON.
¾ SFR déploie soit du GPON, soit du P2P, selon les cas.
¾ Free utilise la topologie P2P.
Ces architectures sont décrites ci-après.

L’architecture P2P

Elle est caractérisée par le déploiement d’une fibre optique dédiée par usager, entre le NRO et le foyer raccordé.
Cette architecture nécessite un investissement initial important mais présente l’avantage d’une gestion simplifiée (débit quasi-illimité par abonné, gestion de la qualité de service simplifiée), et d’un coût d’exploitation modéré. Par ailleurs, l’architecture du réseau est neutre vis-à-vis de la technologie employée sur les équipements actifs.
Les promoteurs du P2P (dont l’équipementier Cisco) mettent également en avant l’évolutivité de la solution (un opérateur pouvant « upgrader » plus souplement la liaison de son client, par exemple de 100 Mb/s à 1 Gb/s), à un coût compétitif (dû à la généralisation de l’interface Ethernet).
Mais si en théorie, la technologie P2P permet à chaque usager de bénéficier d’un débit de 100 Mb/s ou plus, dans la pratique ce débit dépendra des capacités des liaisons de l’opérateur en amont du commutateur Ethernet situé dans le NRO.

L’architecture PON

L’architecture PON permet de partager une fibre optique sur une longue portion du réseau, puis de la diviser en plusieurs fibres sur des distances plus courtes pour desservir plusieurs abonnés.
Dans la pratique, les équipements actifs au niveau du NRO (OLT – Optical Line Terminal) disposent de ports PON permettant d’émettre/recevoir des flux à/de plusieurs équipements terminaux d’abonnés (ou ONT – Optical Network Terminal) sur une unique fibre optique.
Des coupleurs optiques (il s’agit équipements passifs de petite taille hébergés dans les boîtiers d’épissurage), déployés le long du parcours, permettent de séparer le signal dans le sens descendant et de le combiner dans le sens montant.
Les architectures PON peuvent être organisées en étoile (un coupleur en sortie de chaque port PON de l’OLT dessert n ONT), en arbre (en cascadant les coupleurs, un coupleur pouvant desservir plusieurs sous-branches) et/ou en bus (sérialisation des coupleurs). C’est l’architecture en arbre qui est la plus souvent déployée, avec deux niveaux de coupleurs optiques (par exemple, un coupleur situé au NRO ou dans un sous-répartiteur optique, et un deuxième coupleur situé au plus près des abonnés, (i.e. dans l’immeuble desservi).
Comparée à une architecture P2P, l’architecture PON permet un investissement plus progressif mais présente des coûts d’exploitation et de maintenance plus élevés (gestion des abonnés plus complexe, interventions au niveau des points de flexibilité accueillant les coupleurs optiques). On notera également que le débit est partagé par l’ensemble des abonnés raccordés au(x) même(s) coupleur(s).
Néanmoins, les défenseurs du PON (parmi lesquels l’équipementier Alcatel) indiquent qu’un OLT desservant plusieurs milliers de clients utilisera moins de cartes qu’un commutateur Ethernet P2P et de ce fait, aura une consommation énergétique bien moins élevée et nécessitera moins de surface au sol dans le NRO.
Deux standards PON P2M dominent le marché :
• Ethernet PON (EPON) – IEEE 802.3ah : Ce standard utilise le protocole Ethernet comme protocole de transport. Il présente un débit symétrique maximal de 1,25 Gb/s par port, partagé pour un maximum de 64 abonnés, et disposant d’une portée d’environ 20 km (la portée dépend du nombre d’abonnés desservis par la fibre6).
• Gigabit capable PON (GPON) – ITU G.984 : Standard plus récent, utilisant l’ATM ou Ethernet comme protocoles de transport. Il offre un débit maximal de 2,5 Gb/s (sens descendant) et 1,25 Gb/s (sens montant) par port, partagé pour un maximum de 64 abonnés, sur une distance de 60 km environ (fonction du nombre d’abonnés par port).
Pour en savoir plus sur : Le partage de la fibre entre usagers
Le mécanisme permettant de séparer/combiner le signal sur la même fibre optique est réalisé :
• Par multiplexage en longueur d’ondes pour séparer le signal montant du signal descendant
• Par la diffusion du signal dans le sens descendant, avec un mécanisme d’adressage de l’équipement terminal destinataire (ONT). Ainsi, tout signal émis par un port de l’OLT est reçu par tous les ONT rattaché à ce port. Le mécanisme d’adressage permet à l’ONT destinataire de sélectionner le trafic qui lui est adressé.
• Par partage de la bande passante dans le sens montant, via une allocation de ressources réalisé par l’OLT (chaque ONT ayant un slot de temps alloué pour émettre des données).