Les systèmes optiques à Accès multiple par répartition de code

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Techniques de multiplexages optique

En télécommunications, les techniques de multiplexage représentent l’une des fonctions essentielles des réseaux d’accès où plusieurs signaux sont combinés en un signal sur un seul médium de communication (sur fibre ou en espace libre). Pour profiter de la large bande passante des fibres optiques, des nombreuses techniques de multiplexage adaptées aux transmissions optiques ont été développées à l‟origine pour les communications filaires ou radiofréquences.

Les techniques de multiplexage permettent d‟augmenter le débit et d‟utiliser N signaux de débit D au départ à atteindre un signal à très haut débit N ×D sur fibre optique.

Ces techniques seront complexes à réaliser à cause de limitations fréquentielles des composants optoélectroniques et de pouvoir restituer les données propres à chaque utilisateur après leur transmission sans créer d‟interférences entre les données des différents utilisateurs. Pour conserver l‟intégrité de chaque signal sur le canal, le multiplexage introduit entre les signaux une séparation temporelle, spatiale ou fréquentielle[1, 2]. Donc, le signal physique représentant les données de chaque utilisateur se diffère des autres signaux par sa propre fenêtre temporelle sa bande spectrale, ou par son propre code. On peut distinguer plusieurs techniques de multiplexage appliquées aux systèmes optiques qui sont :

• Accès Multiple Par Répartition dans les longueurs d‟onde (WDMA),

• Accès multiple par répartition dans le temps optiques (OTDMA)

• Accès multiple par répartition de codes optiques (OCDMA).

Technique WDMA: Wavelength Division Multiple Access

L’idée de la technique de répartition en longueur d’onde WDM a été mise pour la première fois en 1970 et en 1978, des systèmes WDM étaient en cours de réalisation dans le laboratoire de recherche. Les premiers systèmes WDM ne combinaient que deux signaux.

Cette technique de multiplexage à répartition en longueur d’onde ou WDMA est développée dans les années 1980, l‟équivalent des systèmes de multiplexage par répartition de fréquence (FDMA) dans le domaine des radiofréquences. La principale différence entre les systèmes FDMA et WDMA réside dans le fait qu‟en WDMA les porteuses optiques sont identiques et que les longueurs d‟ondes sont séparées par un filtre optique. A chaque utilisateur est attribuée une longueur d’onde propre émise par une source optique et ces différentes longueurs d’onde sont appliquées à l’entrée de modulateurs optiques. Ces longueurs d‟ondes seront ensuite multiplexées à l’aide de coupleurs et transiter vers la fibre optique qui permet l‟utilisation optimale de sa large bande passante optique.

Au récepteur, les données de chaque utilisateur seront extraites à partir des signaux multiplexés à l‟aide des filtres optiques adaptés à la longueur d‟onde correspondant à l‟utilisateur souhaité. Ensuite ces données vont être détectées pour le traitement dans le domaine électrique comme montre la figure (1.1).

Nous citons plusieurs techniques d‟extraction de longueur d‟onde qui ont été développées dans ce sens:

– Les réseaux de Bragg sur fibres et des circulateurs montés en cascade[3].

– Les Phasars (Phased-Array Demultiplexer) [4, 5].

Le WDMA est caractérisé par la séparation minimum entre les longueurs d’onde qui peut porter différentes appellations comme:

 Le multiplexage dense (DWDM): La capacité de WDMA peut être augmentée en utilisant Dense WDM (DWDM) avec un espacement de canal réduit inférieur à 1.6nm, et donc à un plus grand nombre de longueur d‟onde accessibles dans une fibre optique. Par conséquent, (jusqu‟à 32 canaux sur la bande C et 128 sur l‟ensemble des bandes C, S et L (voir Tableau 1.1). L’inconvénient de cette technologie est nécessite d’avoir un laser régulé en température pour éviter les dérives spectrales, un filtre optique sélectif et des composants multiplexeurs/démultiplexeurs aussi stables que possible à cause du faible espacement entre canaux et aussi, donc un coût assez élevé. Ce système est essentiellement utilisé pour le déploiement de réseau très longue distance [7]. Les systèmes DWDM figure (1.2) commerciaux espacent les longueurs d’onde d’environ 0,8 nm (100 GHz), 0,4 nm (50GHz) voire 0,1 nm (12.5GHz) pour les systèmes dit UDWM (U pour Ultra).

Le multiplexage de canaux largement espacés (Coarse WDM) : Le CWDM(C pour Coarse) figure (1.3) est un standard utilisé lorsque l‟espacement entre les canaux est important, soit 10 nm ou 20nm pour une fenêtre comprise entre 1271nm et 1611nm soit 18 canaux (norme ITUT G.695).
En effet, grâce à l‟espacement relativement important entre les canaux, la régulation en température des lasers d‟émission n‟est pas nécessaire. Ceci réduit considérablement le coût. Ce système est adapté aux réseaux d‟accès métropolitain qui nécessitent un grand nombre de composants et relativement peu de bande [7].

Technique TDMA (Time Division Multiple Access) en optique

L’accès multiple par répartition dans le temps occupe le premier rang parmi les techniques employées dans les télécommunications optiques. Le TDMA fait appel au principe de division d’une période de temps en N intervalles, appelés «time slots» figure (1.4). Elle consiste à attribuer à chaque utilisateur toute la bande de fréquence, non pas en permanence, mais de manière cyclique. Ainsi, la trame est constituée de la répétition cyclique d’une suite d’intervalles.

Le récepteur est en mesure de réaliser le démultiplexage pour extraire les données transmises. La synchronisation des données que suppose une telle technique implique une gestion des périodes d’émission de chaque utilisateur. En termes pratiques, une séquence de synchronisation est envoyée au début de chaque transmission pour permettre à l’émetteur et au récepteur d’identifier le numéro et la durée du time slot consacrée à l’échange d’information.

Le multiplexage TDMA offre l’avantage de regrouper plusieurs canaux de communication à débits réduits sur un seul canal à débit plus élevé. Ainsi, avec N canaux de débit D, le multiplexage donne la possibilité de transmettre un débit de données R=N*D sur un seul canal. Cela permet, par exemple, de transformer une liaison sur 4 canaux de 10Gbps en une liaison à 40Gbps. Cette technique de multiplexage fait partie des hiérarchies de multiplexage numériques des infrastructures des opérateurs de télécoms employées dans les réseaux de transport des données de téléphonie tels que le MIC (modulation par impulsion codage) dont le débit de 2Mb/s résulte du regroupement de 30 voies de 64Kb/s. D’autres hiérarchies recourent à cette technique notamment la hiérarchie plésiochrone ou PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) et Synchronous digital Hierarchy (SDH).

En optique, la technique TDMA est envisagée de deux façons:

Nous avons l’ETDMA (Electrical Time Division Multiplexing) qui repose sur un multiplexage et un démultiplexage électronique, et l’OTDMA (Optical Time Division Multiplexing) dans laquelle les deux étapes sont effectuées dans le domaine optique.

ETDMA (Electrical Time Division Multiple Access)

Le multiplexage des signaux de chaque utilisateur du support optique est effectué de manière électronique. Le signal qui en résulte est employé dans la modulation d’une source laser figure (1.5). L’inconvénient du multiplexage électronique est que la fréquence maximum du signal résultant est limitée à quelque dizaines de gigahertz. A cela il faut ajouter une seconde contrainte qu’est le nombre de canaux dont la fréquence individuelle sera encore plus réduite [8].

Dans cette technique, la génération d’impulsions très courtes, la transmission correcte des données et la récupération du signal de synchronisation sont difficiles à réaliser.

La difficulté qui en résulte pour la synchronisation est liée au fait que les canaux doivent être soit contrôlés par une horloge commune ou soumises à des systèmes de synchronisation complexes. Par ailleurs, il faut tenir compte d’autres facteurs qui limitent les performances globales, notamment la latence nécessaire à l’attribution des slots par le nœud central du réseau, les marges de sécurité à prévoir et les dispositifs compensateurs pour prévenir un chevauchement des signaux [8].

A la réception, les données optiques subissent d’abord une conversion dans le domaine électrique grâce à un photodétecteur, ensuite un démultiplexage pour restituer les données aux destinataires.

OTDMA (Optical Time Division Multiple Access)

Le progrès réalisé par l’OTDMA au début des années 90 a rendu possible le dépassement des limites de l’ETDMA imposées par les composants électroniques et d’atteindre des débits avoisinant le Tb/s[5].

Un train d‟impulsions de durée TP et de période de répétition T (correspondant à une fréquence F= 1/T) est produit par une source optique comme illustré sur la figure (1.6). Dans un système comportant N utilisateurs, Tp et T sont alors liées par la relation: T=N × TP.

Les signaux de données sous forme de signaux électriques à codage sans retour à zéro (Non Return to Zero: NRZ) avec un débit D=1/T, sont codés par un système de multiplexage sur le train d‟impulsions optiques injecté à son entrée. A la sortie du multiplexage, le signal optique constitué d’une succession d‟impulsions optiques à un débit global Dr=NxD est transmis via la fibre optique. A la réception, les impulsions optiques représentant les données de chaque utilisateur sont isolées et restituées par un système de démultiplexage [9].

La seule distinction qui existe entre la technique ETDMA de la technique tout optique OTDMA réside dans le fait que le codage et la détection ETDMA sont effectués dans le domaine radio induisant une diminution du débit à la réception. On retrouve ces techniques dans les réseaux métropolitains (MAN) et les réseaux locaux (LAN). Et bien qu’offrant de meilleures performances, l’OTDMA a un coût plus élevé en raison des composants optiques qui y sont intégrés [8]. L’inconvénient de ces techniques est qu’elles augment la complexité de l’émetteur et le récepteur en raison de la parfaite synchronisation nécessaire à la récupération des données des utilisateurs.

Technique CDMA (Code Division Multiples Access)

La technique CDMA est une technique d’étalement de spectre [10, 11] figure (1.7) qui consiste à répartir la puissance du signal émis sur une largeur de bande beaucoup plus grande que celle nécessaire à la transmission des informations. Cette technique trouve son utilisation dans les communications radiofréquences et sans fils. Mais contrairement aux techniques TDMA et FDMA, la technique d’accès multiples permet aux utilisateurs de partager le même espace fréquentiel et de transmettre sur les mêmes intervalles temporels. Ainsi, plusieurs utilisateurs peuvent partager le même canal de transmission sans qu’une gestion de temps ou de fréquence soit nécessaire.

Le CDMA attribue à chaque utilisateur un code d’étalement, appelé aussi «signature» constitué d’une suite de bits rapides (appelés «chips»).

Le débit après codage est celui des données utilisateurs multiplié par la longueur de la séquence de code figure (1.8). Cette technique permet la transmission des données tout en évitant l’interférence avec les messages des autres utilisateurs (désignées interférer accès multiple (IAM). Cette réduction des IAM est conditionnée par l’utilisation exclusive des séquences de codes orthogonaux [12]. Au niveau du récepteur, une opération inversée est effectuée pour « désétaler » le signal en bande de base alors que les autres signaux transmis (interférents) sont identifiés comme étant un bruit.

Le CDMA offre la possibilité de transmettre simultanément des données aux différents utilisateurs sur une même bande de fréquence et en même temps.

Pourquoi étaler le spectre ?

L’étalement de spectre e

*st une technique basée sur l’élargissement de la bande spectrale d’un signal par une multiplication de la largeur de son occupation spectrale par une quantité appelée gain de codage. Théoriquement, pour chaque milieu de transmission, la capacité du canal C en [b/s], exprimée à partir de la bande passante du canal [0, W] et du rapport signal/bruit (SNR) est donné, conformément au théorème de Shannon-Hartley, par :

L’équation (1.1) donne un taux de transfert maximum pour un Taux d’Erreur Binaire (TEB) nul à la condition qu’un procédé de codage adapté soit mis en œuvre. B représente la bande Passante du canal en Hertz et représente le rapport signal/bruit.

Par conséquent, la capacité maximale peut être augmentée en agissant d’une part sur la largeur de bande de manière linéaire et/ou sur le rapport de façon logarithmique [13].

Pour une capacité maximale donnée (souhaitée), il est possible de réduire la bande passante et/ou de diminuer le rapport signal/ bruit en admettant un TEB non nul.

Dans le cas du CDMA le bruit provient principalement des autres utilisateurs dont on cherche toujours à accroître le nombre. Par voie de conséquence, un système CDMA fonctionne avec de faibles rapports signal à bruit. Cela est rendu possible par la large bande passante.

La dépendance de la capacité relativement au rapport signal/ bruit est maintenant linéaire. Les autres signaux étalés sur le même support sont considérés comme du bruit.

Il est facile de voir que, pour une puissance de signal donnée, plus la bande passante utilisée est large, plus la capacité du canal est grande. Donc, si nous élargissons le spectre d’un signal donné, nous obtenons une augmentation de la capacité du canal et/ou une amélioration du rapport signal sur bruit (SNR). Ainsi, plus la bande passante est large, plus la puissance que nous devons utiliser pour une capacité donnée est faible.

CDMA Optique : les utilisateurs sont les codes

Les recherches sur l’adaptation du CDMA à l’optique, appelée Optical Code Division Multiplexing Access: OCDMA ont commencé en 1986. L’OCDMA est fondé sur le même principe de fonctionnement du CDMA utilisé dans les communications radio, sauf que la mise en œuvre est différente en raison de la différence entre les milieux de propagation. Si le canal radio souffre de phénomènes d’atténuation et de multi-trajet, le canal optique, quant à lui est affecté par une dispersion chromatique et effet non linéaire.

Les systèmes CDMA optique ne cesse de conquérir le domaine de la communication optique grâce à leur capacité à donner à plusieurs utilisateurs l’accès au réseau de manière asynchrone et simultanée avec un haut niveau de sécurité [14].

La capacité en bande passante de la fibre optique qui est en THz permet d’envisager son exploitation pour un étalement spectral résultant du codage des séquences de données. L’objectif est de trouver des configurations de codage qui soient applicables aux systèmes optiques et permettent une augmentation de la capacité de multiplexage d’une façon significative. Mais contrairement au domaine de la radio fréquence, l‟’OCDMA ne donne pas la possibilité d’employer des codes bipolaires dû au fait que l’intensité lumineuse ne peut avoir que des valeurs positives ou nulles.

Pourquoi le CDMA optique ?

Pour contourner les limites des systèmes d’accès TDMA et WDMA en termes de capacité de multiplexage, de débit et de flexibilité, il est nécessaire de recourir aux nouvelles techniques de multiplexage OCDMA.

La technique OCDMA appliquée aux réseaux d’accès optique permet de se passer des convertisseurs électrique/optique et optique/électrique qui représentaient jusque-là un obstacle 17

Les systèmes optiques à Accès multiple par répartition de code : Etat de l‟art technologique majeur. Elle vise à minimiser les coûts et réaliser le codage et le décodage dans le domaine optique en utilisant des composants tout-optique. Cela a été rendu possible grâce au progrès dans le domaines des composants optiques passifs [15, 16].

Avantages et limites de la technique OCDMA

• La connexion entre utilisateurs se fait de manière asynchrone.

• Une bande passante flexible, permettant d‟augmente le débit (allant jusqu‟aux Gb/s) et une grande vitesse de transfert des données.

• Augmentation de nombre d‟utilisateurs en fonction des systèmes OCDMA considérés.

• Un haut niveau de sécurité et de confidentialité. La puissance du signal étant étalée sur la bande spectrale disponible, le signal CDMA peut être confondu avec le bruit du canal et sera donc difficile à détecter par un autre utilisateur.

• Utilisation de composants optiques passifs pour le codage et le décodage qui sont faciles à intégrer dans les réseaux PON.

• Coût réduit grâce à l‟utilisation de composants passifs.

• Distribution simultanée et possibilité de l‟encodage de différents services ʺtriple playʺ (données, voix et vidéo) qui peuvent être multiplexés sur la même fibre optique, l‟abonné récupèrera le service qu‟il a choisi après démultiplexage.

En dépit de leurs nombreux avantages, les systèmes CDMA souffrent de quelques limitations inhérentes.

• Cette technique de multiplexage est limitée par la capacité à générer le maximum de codes dont les propriétés de corrélation permettent d‟engendrer le moins d‟interférences d‟accès multiples (MAI : Multiple Access Interference)

• Correction d‟erreur

• Encodage et décodage : l‟intensité lumineuse ne peut avoir que des valeurs positives ou nulles où l‟impossibilité d‟utiliser des codes bipolaires, contrairement au domaine de la radiofréquence.

Table des matières

Introduction Générale
Références Introduction
Chapitre 1 Les systèmes optiques à Accès multiple par répartition de code : Etat de l’art
1.1 Introduction
1.2 Techniques de multiplexages optique
1.2.1 Technique WDMA: Wavelength Division Multiple Access
1.2.2 Technique TDMA (Time Division Multiple Access) en optique
1.2.2.1 ETDMA (Electrical Time Division Multiple Access)
1.2.2.2 OTDMA (Optical Time Division Multiple Access)
1.2.3 Technique CDMA (Code Division Multiples Access)
1.3 CDMA Optique : les utilisateurs sont les codes
1.3.1 Pourquoi le CDMA optique ?
1.3.2 Avantages et limites de la technique OCDMA
1.4 Théorie et Architecture des systèmes OCDMA
1.5 Classification des systèmes OCDMA
1.5.1 Méthode de codage de source optique (Cohérent ou incohérent)
1.5.2 Méthode de codage de l‟information (Dimensionnels)
1.5.3 OCDMA Synchrone (S-OCDMA) ou Asynchrone (A-OCDMA)
1.5.4 OCDMA Holographique
1.5.5 OCDMA chaotique
1.6 Systèmes OCDMA cohérents
1.6.1 Encodage temporel en phase OCDMA (TPE-OCDMA)
1.6.2 Encodage spectral en phase OCDMA (SPE-OCDMA)
1.7 Systèmes OCDMA Incohérents
1.7.1 Encodage à séquence direct DS-OCDMA
1.7.2 Encodage spectral en amplitude SAC-OCDMA
1.7.2.1 OCDMA spectral en amplitude en espace libre (Montage 4F).
1.7.2.2 CDMA spectral en amplitude avec les réseaux de Bragg
1.7.2.3 OCDMA spectral en amplitude en optique intégrée
1.8 Conclusion
Références Chapitre1
Chapitre 2 Familles des codes optiques
2.1 Introduction
2.2 Familles des codes optiques
2.2.1 Propriétés caractéristiques des familles des codes
2.2.2 Définition de certaines familles de code d‟étalement
2.2.2.1 Codes Bipolaires pour OCDMA cohérent
2.2.2.2 Codes Unipolaires pour SAC-OCDMA Incohérent
2.3 Conclusion
Références chapitre2
Chapitre 3 Eléments de base d’une chaine SAC-OCDMA
3.1 Introduction
3.2 Types de sources lumineuses
3.2.1 Diode électroluminescente (DEL)
3.2.2 Laser Fabry-Pérot (FP)
3.2.3 Laser distributed feedback (DFB)
3.2.4 Diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL)
3.2.5 Lumière blanche
3.3 Architectures identifiées pour encodage SAC OCDMA
3.3.1 Encodage avec réseaux de Bragg
3.3.2 Encodage avec démultiplexeur multiplexeur optiques
3.3.2.1 Différents types de filtres optiques utilisés
3.4 Photodétecteur
3.5 Bruit en SAC-OCDMA incohérent
3.5.1 Bruit thermique
3.5.2 Bruit de grenaille (Shot noise)
3.5.3 Bruit d‟intensité (phase induced intensity noise PIIN)
3.5.4 Interférence d‟Accès Multiple (IAM)
3.6 Descriptions de différentes méthodes de détection
3.6.1 La Détection Spectrale Directe (Spectral Direct detection :SDD)
3.6.2 Détection de soustraction complémentaire (Complementary Subtraction Detection :CSD)
3.6.3 Détection de la photodiode unique (Single Photo Diode detection :SPD)
3.7 Conclusion
Références Chapitres 3
Chapitre 4 Filtres Optiques
4.1 Introduction
4.2 Fonction de filtrage
4.3 Spécifications du filtrage optique
4.4 Différents types de filtres utilisés dans les systèmes WDM
4.5 Filtres accordables
4.5.1 Filtres interférentiels de type Fabry-Pérot
4.5.2 Technologies d‟accordabilité
4.5.2.1 Accordabilité par l‟indice
4.5.2.2 Accordabilité par la géométrie de la cavité
4.5.3 Réseau de Bragg (Fiber Bragg Grating – FBG)
4.5.4 Interféromètre de Mach Zehnder (MZ)
4.6 Codage et décodage spectral en optique intégrée
4.6.1 Codeur Multiplexeur
4.6.2 Décodeur
4.7 Multiplexeurs/Démultiplexeurs
4.7.1 Réseaux de Bragg (FBG)
4.7.2 Réseaux de guides déphaseurs AWG (Arrayed Waveguide Grating)
4.8 Domaines d‟application
4.9 Conclusion
Références Chapitre4
Chapitre 5 Simulations et Interprétations des résultats
5.1 Introduction
5.2 Etude de l‟impact de l‟encodeur sur la liaison SAC OCDMA
5.2.1 Description du système simulé
5.2.1.1 Variation de type et ordre de filtre
5.2.1.2 Impact de l’ordre du filtre sur la puissance reçue
5.2.1.3 Variation de la bande passante BP (GHz) de filtre
5.2.1.4 Variation de la longueur de la fibre
5.2.2 Conclusion
5.3 Analyse numérique des performances du code MDW
5.3.1 Analyse analytique
5.3.2 Calcul du photo-courant pour la détection SDD avec le code MDW
5.3.3 Calcul de la variance du bruit
5.4 Etude de l‟impact du décodeur sur la liaison SAC OCDMA
5.4.1 Différentes architectures des décodeurs
5.4.1.1 Détection SDD à base de filtres optiques
5.4.1.2 La détection SPD à base des filtres optiques
5.4.1.3 Impact du changement des types de décodeurs et de filtres optiques 120
5.4.1.4 Variation de la longueur de la fibre
5.4.1.5 Impact du changement de débit
5.4.1.6 Impact de puissance reçue
5.4.1.7 Conclusion
Conclusion Générale
Références Chapitre 5
Liste de Publications