DATASHADE

Eléments clé pour une convergdes technologies optique et radio-f

pour les réseaux fixes et mob

Rédacteur Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye Contributeurs Daniel Bourreau, Jean-Christophe Cousin, Didier Erasme, Philippe Gravey, Frédéric Lucarz, Michel Morvan, Michel Ney, Patrice Pajusco, Georges Rodriguez

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DATASHADE

Eléments clé pour une convergence des technologies optique et radio-fréquence pour les réseaux fixes et mobiles

RESUME : La multiplication des points d’accès radio liée aux besoins croissants en connectivité à haut débit et en mobilité, ainsi que l’offre de services multimédia diversifiés à des terminaux mobiles à grande échelle impliquent une ingénierie de raccordement au réseau d’accès coûteuse et rarement optimale en terme de performance, mettant en évidence l’intérêt d’une intégration des fonctions de traitement à la transition des couches physiques optique et radio. Dans ce contexte, l’objectif de DataShade, compte tenu du grand nombre de solutions techniques, elles-mêmes conditionnées par la grande variété des services offerts, est d’évaluer l’apport de solutions « Radio-sur-Fibre » en intégrant différentes approches, des plus simples utilisant une conversion directe optique-radio aux plus complexes nécessitant un étage de traitement numérique, en vue d’offrir des solutions d’ingénierie de raccordement et de couverture rationnelles répondant à des impératifs d’ordre économique, de santé publique et de développement durable, sans pour autant réduire l’offre de services. La prise en compte de ces critères constitue une véritable rupture par rapport à l’ingénierie actuelle dans ce domaine. Nous tenterons d’identifier les éventuels verrous technologiques de cette approche, en les illustrant par des cas concrets représentatifs. Une des retombées de cette étude visant à mettre en évidence les éventuels outils et/ou moyens complémentaires nécessaires à développer au sein de l’Institut Télécom pour renforcer sa position d’acteur majeur national de cette nouvelle forme d’ingénierie des réseaux d’accès hybrides.

SOMMAIRE :

1) Introduction et objectif du document ............................................................................... 5

2) Environnement réseau et état de l’art .............................................................................. 5

2-1) Positionnement du réseau DataShade..................................................................... 5 2-1-1) Fréquences et protocoles radio......................................................................... 6 2-1-2) Traitement de la mobilité ................................................................................. 7 2-1-3) Adéquation du débit par cellule....................................................................... 7

2-2) Répartition de l’«intelligence» dans la couche physique du réseau DataShade . 8

2-3) Répartition de l’ «intelligence» dans les couches réseaux..................................... 9 2-3-1) Intelligence centralisée au niveau du SC....................................................... 10 2-3-2) Intelligence répartie SC lampadaire..................................................... 11

2-4) La problématique du multistandards ................................................................... 12

2-5) Allocation dynamique des ressources ................................................................... 13

3) Analyse des configurations de convergence .................................................................. 14

3-1) Scénarios caractéristiques...................................................................................... 14

Réseau de type parc d’attraction, site touristique (ex : place de la Concorde) ........ 16

3-2) Analyse des besoins en convergence...................................................................... 20

4) État de l’art et problématique des technologies support disponibles ............................ 21

4-1) RoF : approche numérique versus approche analogique ................................... 21

4-2) Les architectures de base en Radio-sur-Fibre ..................................................... 22

4-3) Analyse de l’approche analogique (RoF).............................................................. 23 4-3-1) Topologie des cellules ...................................................................................... 24 4-3-2) Recouvrement des cellules .............................................................................. 25 4-3-3) Impact des performances d’une liaison RoF ................................................ 25 4-3-4) L’impact des formats de modulation............................................................. 27

4-3-4-1) Modulation des porteuses RF ................................................................. 27 4-3-4-2) Modulation de la porteuse optique......................................................... 28

5) Verrous par couches physiques ...................................................................................... 31

5-1) Structure des équipements radio........................................................................... 31 5-1-1) Le point d’accès (AP) ...................................................................................... 31 5-1-2) La station centrale (SC) .................................................................................. 32

5-2) Contraintes pour la transmission hyperfréquence .............................................. 33 5-2-1) Pour la partie TxRF ........................................................................................ 33 5-2-2) Pour la partie RxRF........................................................................................ 34 5-2-3) Conversion Radio Rx ⇒ Optique .................................................................. 34

5-3) Impact de la transmission optique ........................................................................ 34 5-3-1) SNR de transmission au sens de la liaison RF en transmission RoF .......... 34 5-3-2) Limitation de la transmission optique pour cause de dispersion................ 35

5-4) Technologies d’interaction optique-hyperfréquence........................................... 36

5-5) Rayonnement hyperfréquence et propagation..................................................... 44 5-5-1) Caractéristiques des antennes ........................................................................ 44 5-5-2) Antennes millimétriques ................................................................................. 45

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5-5-3) Verrous théoriques et technologiques ........................................................... 45 5-5-4) Propagation...................................................................................................... 46

5-6) Développement durable ......................................................................................... 46 5-6-1) Meilleure couverture cellulaire ...................................................................... 47 5-6-2) Télé-alimentation optique............................................................................... 49 5-6-3) Intégration des composants hybrides ............................................................ 50

5-7) Conclusions sur les principaux verrous de la couche physique : ....................... 52

6) Enjeux pour l’Institut, points forts, recommandations ................................................. 53

6-1) Enjeux et principaux acteurs nationaux............................................................... 53 6-1-1) Exemples de projets structurants et de plates-formes ................................. 54 6-1-2) Positionnement ................................................................................................ 57

6-2) Thèmes de recherche à développer au sein de l’Institut ..................................... 58

Annexe 1 : Etude de cas : Aéroport d’ATLANTA et Site olympique d’Athènes............... 62

Annexe 2: Glossaire des principaux acronymes utilisés.................................................... 64

Annexe 3 : Quelques définitions usuelles .......................................................................... 65

Annexe 4: Résumé des performances des normes Wi-Fi, WiMAX et UWB..................... 66

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1) Introduction et objectif du document

Le développement des réseaux fixes et mobiles, la croissance soutenue du trafic avec l’augmentation des débits et l’exigence de mobilité ont engendré un besoin croissant en capacité et en flexibilité. Un large consensus est apparu en faveur d’une intégration accrue des réseaux fixes et mobiles sur une même architecture, tout en s’interrogeant sur les conditions d’une telle convergence et en identifiant les éventuels verrous technologiques qui s’y opposeraient à différents niveaux. Ceci sera illustré notamment au niveau de la couche physique par une montée en puissance des activités de recherche liées au déploiement des technologies hybrides (optique-radiofréquence) pour le réseau d’accès et qui s’est accentuée au cours des dernières années. Le contexte de la présente étude se situe donc résolument dans le périmètre du réseau d’accès (voir ci-dessous). Parmi les éléments clé caractéristiques de cette problématique, il convient de citer: • La multiplication des cellules élémentaires de communication, pour permettre une

couverture sans fil à haut débit la plus élevée possible et/ou pour pouvoir accommoder un maximum d’utilisateurs.

• La diminution des puissances d’émission radio, donc corrélativement de la dimension des cellules de couverture, sous la double contrainte d’une diminution des risques potentiels liés aux rayonnements électromagnétiques et de la compatibilité inter-cellules.

• L’utilisation de fréquences radio dans le spectre millimétrique, pour améliorer l’intégration des antennes et diminuer les brouillages inter-cellules (en raison de la plus forte atténuation des parois).

• La compatibilité des objets communicants aux différentes normes et protocoles. • La miniaturisation et la portabilité des objets communicants. • La nécessité de diminuer la consommation énergétique des objets communicants. Dans ce contexte, notre objectif est d’identifier les cas d’utilisation qui exigent une convergence des technologies optique et radiofréquence [1] (par opposition à un traitement séparé et interfacé de ces technologies). Nous clarifierons les éventuels verrous technologiques associés, en les illustrant sur des cas concrets représentatifs. 2) Environnement réseau et état de l’art Dans cette partie, nous indiquerons comment se positionne le projet DataShade par rapport à l’offre existante et nous discuterons plus particulièrement de la localisation des dispositifs actifs et de leur niveau d’intelligence qui conditionneront certains choix technologiques. 2-1) Positionnement du réseau DataShade Le réseau de type DataShade repose sur une infrastructure d’accès hybride combinant des liaisons sur fibres optiques et des liaisons radio sans fil, communément baptisée radio-sur- fibre (RoF : « Radio-over-Fibre »).

[1] Par la suite, le terme « radio-fréquence » sera utilisé pour préciser une propagation hyperfréquence en espace libre.

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Cette approche se distingue d’une solution standard, selon laquelle un point d’accès ayant des fonctions de niveau 2 est relié en point-à-point [2] à une tête de réseau qui assure l'interfaçage entre le réseau métropolitain et le réseau d'accès, ainsi que la gestion du « roaming » à l'intérieur de la zone de couverture radio. La borne radio DataShade (ou « lampadaire communiquant ») n’est pas un point d’accès standard, dans la mesure où ses fonctions restent limitées à la couche physique. A terme, l’approche DataShade peut s’avérer plus intéressante que l’approche standard actuelle, si les avantages qu’elle procure en termes de coût de déploiement et d’exploitation, de consommation d’énergie ne s’accompagnent pas d’une réduction des fonctionnalités disponibles dans chaque borne radio, et offrent aux utilisateurs finaux un service au moins équivalent. Dans le présent document, nous n’aborderons pas les analyses technico-économiques nécessaires à cette comparaison, notre but principal étant, dans un premier temps, d’évaluer au mieux les enjeux et les principaux verrous technologiques associés à l’approche DataShade. 2-1-1) Fréquences et protocoles radio Le choix du spectre utilisé pour la partie radio du réseau DataShade est déterminant. On a grossièrement le choix entre deux gammes de fréquence : • Selon une première approche, les fréquences sont choisies dans le domaine des micro-

ondes par exemple, au sein des bandes 2-5 GHz, voire 2-10 GHz. De nombreux protocoles tels que Wi-Fi, WiMAX, UWB utilisent ces bandes de fréquence. Dans cette liste, nous n’avons pas pris en compte des protocoles orientés très courte portée et assez bas débit, tels que Bluetooth, ZigBee. Pour confirmer ce choix, une analyse plus détaillée de l’existant est nécessaire. Toutefois, il faudrait une très bonne raison pour ne pas utiliser, dans cette même gamme de fréquences, un ou plusieurs protocoles existants.

• Une deuxième approche, davantage en rupture avec la première approche, consiste à

retenir, pour la partie radio, de très hautes fréquences dans le domaine des ondes millimétriques (e.g. utilisation du protocole IEEE 802.15.3c à 60 GHz actuellement en cours de normalisation). Cette approche implique nécessairement une structuration en pico-cellules (voire femto-cellules) qui est particulièrement bien adaptée à un déploiement dans un environnement confiné de type « indoor » [3].

On notera qu’une structuration en pico-cellules est bien sûr envisageable dans le cadre de la première approche, de façon à concilier de faibles puissances d’émission et des débits élevés par client. Différents standards de communication sans fil tels que Wi-Fi, WiMAX, UMTS, GSM, UWB, ont été étudiés dans le cadre de transmissions radio-sur-fibre [4]. La coexistence de plusieurs protocoles sans fil sur des liens radio-sur-fibre a déjà fait l’objet de démonstrations

[2] ou en point-à-multipoints dans certains cas particuliers [3] J. E. Mitchell, “Techniques for Radio over Fiber Networks”, Lasers and Electro-Optics Society, LEOS, Proceedings of 19th Annual Meeting of the IEEE, Oct. 2006. [4] Projet ISIS : Deliverable D1.1 : http://www.ist-isis.org/index/deliverables1.html

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de principe [5]-[6]. A cet égard, il conviendra de déterminer clairement s’il existe un réel intérêt à faire supporter simultanément plusieurs protocoles radio par le réseau DataShade et d’évaluer les contraintes associées. 2-1-2) Traitement de la mobilité Différents scénarios de mobilité seront approfondis par la suite. Toutefois, il ressort des premières réflexions, que l’usager devrait bénéficier d’un confort au moins équivalent à celui que fournit un réseau mobile classique. La gestion du « handover » est donc capitale. Si des solutions propriétaires non entièrement satisfaisantes existent à ce sujet en technologie Wi-Fi, seule la norme WiMAX (IEEE 802.16.e) prend en compte ce besoin [7].

2-1-3) Adéquation du débit par cellule Au vu des services déjà proposés dans les réseaux d’accès fixe de type xDSL ou FTTH et dans les réseaux mobiles de type 3G (accès à Internet à haut débit, vidéo simple et/ou haute définition), nous considérons qu’il est nécessaire d’assurer un débit crête pouvant atteindre plusieurs Mbit/s, voire quelques dizaines de Mbit/s par connexion. Selon la dimension des cellules de couverture et la densité d’usagers, la capacité des liens radio peut atteindre 1 Gbit/s. A titre illustratif, la transmission de données radio-sur-fibre à un débit record de 12,5 Gbits/s (10GbE IEEE 802.3ae) a été récemment réalisée [8] sur une porteuse RF à 60 GHz sur de courtes portées (20 m) en espace libre, avec la possibilité d’atteindre le même débit sur de plus longues portées (1100 m) [9]. Certes, des services intéressant des utilisateurs en mobilité à plus bas débit pourraient être envisagés, mais dans ce cas, la valeur ajoutée porterait essentiellement sur la conception du service notamment sa personnalisation, autrement dit des expertises hors du cadre de la présente étude. Un réseau de type DataShade devra opérer dans un environnement où différents standards et réseaux concurrents seront présents. Ceci implique la réception de nombreux signaux non désirables dont les niveaux de puissance peuvent être significatifs. Afin d’éviter une interférence forte du signal utile par saturation de l’étage radio, il existe deux solutions extrêmes :

• Utilisation d’une transposition radio-optique présentant une excellente linéarité et une dynamique importante. Cette solution offre une réelle transparence de

[5] H. Frommer, M. Piqueras, V. Polo, J. Herrera, A. Martinez, J. Marti, “RoF Architecture for Simultaneous Feeding of 5.5 and 41GHz Wi-Fi or WiMAX Access Networks”, Nanophotonics Technology Center, Universidad Politecnica de Valencia, Spain. 11-16 June 2006, pp 301–303. [6] Ming-Li Yee, Yong-Xin Guo, Viet Hung Pham, Ling Chuen Ong, "Performance evaluation of multiband Radio-over-Fiber for WLAN, gigabit ethernet and UWB," International Microwave Symposium Digest - 2008 IEEE MTT-S, pp.491-494, 15-20 June 2008. [7] A. Powell, H. Al-Raweshidy, and S. Komaki, "Radio over Fibre Technologies for Mobile Communications Networks”, edition Artech House, Inc, USA, 2002. [8] Weiss, M.; Huchard, M.; Stohr, A.; Charbonnier, B.; Fedderwitz, S.; Jager, D.S., "60-GHz Photonic Millimeter-Wave Link for Short- to Medium-Range Wireless Transmission Up to 12.5 Gb/s," Journal of Lightwave Technology, vol.26, no.15, pp.2424-2429, Aug.1, 2008. [9] N.J. Gomes, M. Morant, A. Alphonse, B. Cabon, J. E. Mitchell, C. Lethien, M. Csörnyei, A. Stör, and S. Iezekiel. “Radio-over-Fiber transport for the support of wireless broadband services”, Journal of Optical Networking, Vol. 8, No. 2, Feb. 2009.

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standards et permet de gérer plusieurs canaux simultanément. Par contre, celle-ci nécessite d’utiliser des composants optique coûteux.

• Utilisation d’une transposition optique-radio dédiée à un canal d’un standard.

Comme pour un récepteur traditionnel, le signal utile est isolé au moyen de filtres dédiés et le niveau de réception ajusté au mélangeur. Dans ce cas, les transducteurs optique-radio peuvent être bas coût, mais la transparence radio-optique est considérablement réduite.

Afin d’offrir une transparence suffisante, un réseau de type DataShade devra trouver un compromis acceptable entre la qualité des composants optiques utilisés et la complexité du filtrage de l’interface radio ainsi que la simplicité du mode de déploiement. 2-2) Répartition de l’«intelligence» dans la couche physique du réseau DataShade L’architecture physique du réseau DataShade peut se résumer à une station centrale (appelée switch controller ou SC dans la littérature des technologies radio-sur-fibre) reliée à un ensemble de bornes radio via un réseau de fibres optiques, chaque borne radio étant intégrée dans un lampadaire communicant [10]. L’idée est de centraliser le maximum de fonctions dans la station centrale et de déporter les interfaces radio (aussi simples que possible) où bon nous semble, grâce aux faibles pertes de la fibre optique. Les techniques RoF avec un transport des signaux en haute fréquence (RF) ou en fréquence intermédiaire (FI) constituent une famille de solutions privilégiées. Toutefois, un transport classique en bande de base peut être également envisagé pour une mise en œuvre plus simple du filtrage par rapport à une approche IF ou RF sur fibre. Dans tous les cas, la complexité de la borne radio est à étudier. Il est donc nécessaire de définir le nombre et la nature des fonctions assurées par les bornes radio, et par extension leur degré d’intelligence. Dans l’exemple du Wi-Fi, la borne radio (appelée point d’accès) remplit un nombre de fonctions cruciales qui vont au-delà de la couche physique. La première d’entre elles est bien évidemment la fonction de pont (au sens pont Ethernet) entre le réseau filaire et le réseau sans fil. Le point d’accès stocke les trames dans des mémoires tampons et dispose de tables d’adresse MAC (« Medium Access Control »). Il peut intégrer des tables de VLAN sur l’interface filaire, servir de passerelle Internet avec attribution d’adresses par DHCP (« Dynamic Host Configuration Protocol ») et authentification, commuter et router le trafic. Dans le cadre de DataShade, une telle complexité de la borne radio n’est évidemment pas envisagée. La borne DataShade assure avant tout la fonction d’adaptation de couche physique fibre-radio et vice versa. C’est un répéteur/transducteur et non un point d’accès au sens habituel. A ce niveau, ce que l’on peut appeler intelligence est le degré de souplesse et de flexibilité de cette fonction globale d’adaptation de couche physique. Cette fonction globale peut être mise en œuvre notamment par les sous-fonctions suivantes :

• ajustement de la puissance d’émission côté optique et côté radio, • agilité en fréquence côté radio dans les bandes choisies (éventuellement côté optique), • sélectivité en fréquence côté radio, choix de(s) bande(s) de fréquences,

[10] On utilise le terme de « lampadaire communiquant » par analogie à un lampadaire classique pour exprimer la notion d’illumination (couverture RF) et de distribution répétée à travers l’espace.

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• égalisation de canal côté radio et éventuellement côté optique, • modulation et démodulation côté radio, choix du format.

La liste ci-dessous n’est bien entendue pas exhaustive. Il va de soi que toutes ces sous-fonctions (qui dans les systèmes RoF actuels sont centralisées au niveau du SC) nécessiteraient une gestion à distance et devraient être supervisées. 2-3) Répartition de l’ «intelligence» dans les couches réseaux Dans l’architecture du réseau DataShade, on distingue essentiellement trois segments successifs : 1. un segment « réseau cœur-SC » assurant la connexion du SC par l’intermédiaire d’un

réseau optique de type métropolitain (dont l’étude est clairement extérieure au cadre de DataShade);

2. un segment « SC-lampadaire » assurant le transport optique entre le SC et les

lampadaires; 3. un segment « lampadaire-terminal » assurant la connexion radio entre les lampadaires

communicants et les terminaux mobiles des utilisateurs. Ce segment assure la conversion optique-radio (et inversement radio-optique) du signal sous forme radiofréquence apte à être diffusé dans un environnement de type cellulaire comprenant une pluralité de cellules. La taille de ces dernières varie selon le scénario considéré.

L’interaction entre ces trois segments donne matière à l’étude de la convergence des technologies. Chaque segment assure une fonctionnalité dans l’établissement, la gestion et le maintien des connexions entre le réseau cœur et les terminaux mobiles. La combinatoire du partage des tâches sur ces trois segments est très vaste et constitue de fait une problématique majeure de l’étude. Ce partage impactera de façon directe les solutions technologiques à envisager pour la réalisation de ces nouveaux réseaux. Les fonctionnalités (ou le degré d’intelligence) attribuées à chaque segment conditionnent ainsi la structure globale du réseau. Le recours à un tronçon optique de distribution permet notamment : • l’éloignement de l’interface radio des lampadaires communicants par rapport au réseau

cœur, • la mutualisation dans une entité de supervision des fonctions de gestion de la

communication, de routage et de contrôle, • la desserte du plus grand nombre de lampadaires à partir d’une entité commune. L’architecture du segment « SC-lampadaires » peut se décliner sous la forme :

de multiples liaisons point-à-point ; ou d’un système de distribution point-à-multipoints en étoile ou en anneau avec un

multiplexage en : o répartition temporelle (TDMA) comme pour les réseaux PON actuels ; o répartition en sous-porteuses (SCMA) souvent envisagée et étudiée en RoF ; o répartition en longueur d’onde (WDMA) [11] ; ou o répartition en code (OCDMA).

[11] A. T. Koonen, K. Steenbergen, F. Janssen, and J.Wellen, “Flexibly reconfigurable fiber-wireless network using wavelength routing techniques: the ACTS project AC349 PRISMA”, Photonic Network Communications, 3(3), pp. 297 – 306, 2001.

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Les applications visées déterminent fortement le type de protocole radio utilisé. Typiquement, on fera appel à des protocoles normalisés pour les réseaux radio cellulaires, les réseaux locaux, les réseaux larges ou les réseaux personnels (e.g. GSM, UMTS, Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth, ZigBee, etc.). Tous ces protocoles sont globalement conçus pour gérer la ressource radio (accès multiple, gestion de la mobilité, de l’interférence, etc.). L’utilisation de fréquences porteuses plus élevées est également envisageable. Ceci amène un premier choix quant à la répartition de l’intelligence sur les trois segments. Par la suite, on analysera deux approches parmi les plus vraisemblables pour l’architecture d’un tel réseau. 2-3-1) Intelligence centralisée au niveau du SC L’option que nous privilégions pour le projet DataShade consiste à centraliser l’intelligence au niveau du SC, en confiant à celui-ci l’intégralité des fonctions réseau (couche 3), gestion d’accès (couche 2) et une partie de celles de la couche physique (Figure 1). Le SC gère le réseau et chaque lien de communication, comme le fait l’ensemble des organes de gestion de la ressource radio dans un réseau de type cellulaire terrestre (i.e. le triplet MSC/BSC/BTS pour le mode circuit du réseau GSM). Dans ce cas, aucune opération d’interprétation des messages envoyés n’est réalisée au niveau optique ou radio. Ceci correspond à la conception des segments optique et radio la plus simple, et la moins coûteuse, vu le grand nombre de lampadaires à déployer.

Figure 1. Schéma illustrant une intelligence concentrée au niveau du SC avec indication des couches OSI sollicitées dans chaque unité de traitement (MS: Master Station ; BSC: Base Switch Controller ; BS – Opt:

Station – Convertisseur Optique ; FO: fibre optique ; Opt/RF: Convertisseur Optique/Radio Fréquence)

Pour la liaison descendante, la transmission optique entre le SC et chaque lampadaire (nécessitant des composants d’extrémité de conversion optique/radio) a pour rôle de transférer le signal analogique radio depuis le SC jusqu’à l’antenne du lampadaire, avec une éventuelle transposition de fréquence radio, et inversement pour la liaison montante. A cet égard, il convient de noter que certaines solutions récentes proposent de numériser « globalement » le signal radio-fréquence analogique de manière à le transmettre via la liaison optique numérique et le convertir sous forme analogique à la réception. Les verrous à débloquer se situent principalement au niveau du lampadaire, c’est-à-dire à l’articulation des segments optique et radio. Les techniques de transmissions RoF jouent ici un rôle clé. La simplicité des opérations de traitement rend l’interface fibre optique/radio très

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attractive du point de vue du coût. Cet argument devra notamment être reconsidéré pour l’usage de fréquences porteuses très élevées (de 40 à 60 GHz). Dans l’architecture illustrée à la Figure 1, le lampadaire ne peut en aucun cas participer à la gestion du trafic puisque le signal n’est jamais démodulé. En particulier, le partage des ressources entre voie montante et voie descendante au niveau de l’antenne (ou des antennes) doit être géré en amont. Au niveau optique, on notera que ce problème est réglé traditionnellement dans les réseaux PON par l’utilisation de deux longueurs d’onde distinctes. 2-3-2) Intelligence répartie SC lampadaire Le transfert d’une partie de l’intelligence des couches 2 ou 3 au niveau du lampadaire aboutit à une conception du réseau totalement différente. Le déploiement de réseaux d’accès mixte, basés sur une architecture PON utilisant des terminaisons WiMAX est un exemple de cette approche. La nécessité d’accéder à l’information numérique au niveau du lampadaire empêche la préservation du signal sous forme analogique entre les différents supports. Les segments se trouvent alors dissociés complètement au niveau de la couche physique. Ceci implique : • le développement des réseaux d’accès à fibre optique (FTTx) de type PON. La

transmission entre le SC et un lampadaire est alors une réplique directe de la transmission entre un OLT et un ONU dans un réseau PON [12] ;

• l’inclusion pour le segment « lampadaire-terminal » des fonctions semblables à la conjonction d’un SC, de stations de base BSC et BTS.

La Figure 2 ci-dessous illustre une telle alternative. La liaison optique y est assurée par un système de distribution avec multiplexage en longueurs d’onde. Un point d’accès du type IEEE 802.11 gère l’interface radio locale au niveau du lampadaire. Les capacités de gestion de la mobilité étant très restreintes dans le cadre du Wi-Fi, cette fonctionnalité devrait être assurée par le SC. L’avantage de cette solution est que chaque segment dispose de sa propre technologie, choisie selon les besoins.

Figure 2. Schéma illustrant une intelligence répartie entre SC et lampadaires avec indication des couches OSI

sollicitées dans chaque unité de traitement (MS : Master Station ; PON : Passive Optical Network Switch Controller ; 802.11 – MODEM Wi-Fi 802.11x avec adaptateur optique)

[12] Une appréciation de l’état de l’art se trouve dans le paragraphe 4.

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La problématique de mise en œuvre se réduit à la conception des protocoles de gestion pour les interfaces PON en gestion radio selon IEEE 802.11. Le SC gère la couche réseau 3 et coordonne l’ensemble des lampadaires. Cette solution qui ne constitue en aucun cas une solution arrêtée est un exemple de la diversité des solutions possibles, lorsque la gestion de la communication est confiée aux entités terminales. Il est envisageable de remplacer les modems terminaux radio IEEE 802.11 par des modems IEEE 802.16 (WiMAX). On peut imaginer un réseau hybride, sur lequel cohabitent des terminaux de nature et de prestations totalement différentes, en fonction du scénario considéré. Cette flexibilité rend ce type de conception très intéressante. Comme nous l’avons noté dans le paragraphe 2-1) ci-avant, la comparaison des deux approches présentées aux paragraphes 2-3-2) et 2-3-1) concernant la répartition de l’intelligence, se traduira par une évaluation des gains apportés par la première approche (intelligence centralisée) en termes de coût et consommation avec le surplus de fonctionnalités des bornes radio dans la deuxième approche (intelligence répartie). Bien évidemment, cette comparaison est réalisée pour un service au moins équivalent en termes d’accessibilité et de débit pour l’utilisateur final. L’exemple de l’aéroport d’Atlanta (présenté dans l’Annexe 1) montre que cet objectif peut être atteint sous réserve d’un dimensionnement approprié. Le Tableau 1 ci-dessous synthétise les principaux avantages (+) et désavantages (-) des deux approches envisagées pour la répartition de l’intelligence.

Intelligence centralisée

Intelligence répartie

Simplicité de contrôle du réseau (+) Simplicité de gestion de chaque entité (+)Faible coût (+) Coût important (-)

Lampadaires passifs (+) Lampadaires actifs (-) Risque de perte de fonctionnalités (-) Flexibilité de l’interface radio (+)

Rigidité dans l’évolutivité du réseau (-) Réseau simplement reconfigurable (+) Tableau 1. Comparaison des deux approches envisagées pour la répartition de l’intelligence

2-4) La problématique du multistandards

Dans le paragraphe 2-1), nous avons rappelé l’importance du choix du protocole du réseau sans fil utilisé dans DataShade. Ce choix peut a priori ne pas se limiter à un protocole unique (approche «multistandards»). Nous verrons que, dans certains cas de déploiement de réseaux hybrides, l’aspect « multistandards » est mis en avant (cf. Annexe 1). Il est nécessaire de préciser ce qu’on entend par multistandards. En particulier :

Souhaite-t-on utiliser simultanément plusieurs standards ou simplement pouvoir facilement remplacer un standard par un autre (i.e. sans intervenir sur les matériels situés au niveau des lampadaires, à part une éventuelle reconfiguration à distance) ?

•

• Les différents standards correspondent-ils à des gammes de fréquence disjointes ? La prise en compte de standards correspondant à des gammes de fréquence disjointes est compatible avec tous les schémas de transmission entre le SC et le lampadaire, sous réserve de disposer de suffisamment de bande passante. Elle implique une plus grande largeur de bande de l’antenne et des circuits électroniques au niveau du lampadaire (cf. Figure 3).

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Figure 3. Système d’antennes distribuées par radio-sur-fibre à bandes de fréquences multiples [13].

Si les différents standards utilisent (simultanément) les mêmes fréquences radio, une structure de multiplexage doit être définie afin d’assurer leur transport entre le SC et le lampadaire et des antennes distinctes sont nécessaires. Enfin, il faut s’assurer que les deux types d’accès radio peuvent coexister. Dans ces deux cas précédents, la réalisation des fonctions d’adaptation de la couche physique listées au paragraphe 2-2 devient plus délicate. Le cas du remplacement d’un standard par un autre standard est plus simple à traiter, à condition que les fréquences et les puissances utilisées dans ces deux standards soient suffisamment proches. La reconfiguration à distance peut être vue comme un cas limite d’adaptation de la couche physique. Les avantages d’une approche multistandards (infrastructure plus ouverte ou plus évolutive) seront à évaluer au regard de cette plus grande complexité. 2-5) Allocation dynamique des ressources La stratégie d’une allocation dynamique des ressources est connue. Il s’agit d’une approche générique applicable également aux réseaux RoF que nous ne ferons qu’aborder succinctement dans DataShade. L’aptitude à reconfigurer les ressources réseaux de manière dynamique permettrait d’optimiser en temps réel la capacité de couverture du réseau sans fil. Toutefois, la conception d’un réseau sans fil micro/pico/femto-cellulaire pouvant être dynamiquement reconfiguré en fonction des besoins instantanés implique un compromis entre coût et complexité. Dans le cadre des systèmes radio-sur-fibre différentes techniques s’appuyant sur un réseau de distribution optique de type PON ont été considérées [14], [15], de manière à distribuer les ressources par voie optique aux différentes stations de base.

[13] K. Utsumi, H. Sasai, T. Niiho, M. Nakaso, H. Yamamoto, "Multiband wireless LAN distributed antenna system using radio-over-fiber", International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP) 2003 Proceedings, pp. 363-366, 10-12 Sept. 2003 [14] Projet ISIS : Deliverable D1.12 § 2.2 : http://www.ist-isis.org/index/deliverables1.html

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Parmi ces techniques figurent :

• l’allocation statique ou dynamique de longueurs d’ondes dans des liaisons point-à-point ou point-à-multipoints entre la station centrale et les stations de base ;

• l’utilisation de sous-porteuses pour l’allocation de plusieurs canaux RF sur une

même porteuse optique ; • le procédé de « simulcast » selon lequel plusieurs stations de base peuvent être

regroupées dynamiquement au sein d’une même cellule de couverture, un même signal radio étant alors diffusé simultanément à l’ensemble de ces stations de base.

3) Analyse des configurations de convergence A la lumière de l’analyse précédente, nous présentons maintenant quelques scénarios types mettant en évidence les besoins en technologie hybride et permettant d’évaluer les verrous technologiques éventuels dans des cas réels. Une telle classification est toujours difficile, étant donnée la grande variété des configurations envisageables, aussi bien en matière de services que de répartition géographique. Pour tenter de les classer et d’évaluer l’impact d’une convergence technologique optique-hyperfréquence, nous avons retenu principalement des critères techniques courants tels que le débit, le nombre de raccordements, la vitesse de déplacement et le degré de mobilité de l’objet communicant, ainsi que la portée et la valeur de la fréquence de la porteuse radio. Ces critères doivent être rapportés aux problématiques d’usage identifiées dans le paragraphe 2. On notera que les réseaux domestiques ne seront pas abordés dans le cadre de DataShade. 3-1) Scénarios caractéristiques

• Environnement clos de type gare, centre commercial, aéroport

Ce type d’environnement se caractérise par des besoins en mobilité et en nomadisme importants (et variables selon les cas, gare différente d’un aéroport), pour des vitesses faibles. A priori les contenus véhiculés sont de nature informative (peu de vidéo mis à part le cas des salles d’attente). Ce type de configuration couvre différents lieux avec des services différents. Nous illustrerons ce cas par l’exemple de la Gare Montparnasse. Cette configuration a fait l’objet d’une étude particulière dont on trouvera les détails dans le rapport [16] d’un projet d’élève en 2007/2008 et présentée ci-dessous. Un autre cas intéressant concerne l’aéroport d’Atlanta (détaillé en annexe 1). Ces configurations sont par nature closes.

[15] S. Pato, J. Santos, J. Pedro, P. Monteiro, H. Silva, "On supporting radio over fiber and passive optical network systems with a common fiber plant: Compatibility aspects," 10th Anniversary International Conference on Transparent Optical Networks, 2008 ( ICTON 2008), vol.2, pp.203-206, 22-26 June 2008. [16] M. Kachani, S. Ma, A. Othmani, R. Rollin, « Radio-sur-Fibre : Réseau architecture et dimensionnement matériel de la Gare Montparnasse », Télécom Bretagne, 2007-2008.

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Réseau de type Gare SNCF (exemple de la Gare Montparnasse) [16] Objectif : Distribuer sur un même support, différents types de signaux radio, sans affecter le dimensionnemendu réseau.

La gare Montparnasse à Paris gère un trafic d’environ 115 000 trains/an soit 315 trains/jour. Le flux de voyageurs est en moyenne de 175 000/jour et jusqu’à 400 000/jour en période de pointe. Le nombre de voyageurs par train est de 11 100 par heure (555 fois 20 trains) et jusqu’à 25397/heure en en période de pointe. La population en salle d’attente est composée de voyageurs en attente d’affichage et de ceux qui viennent de descendre de trains. Sur les quais, on suppose que les usagers n’entrent pas tout de suite dans leur train mais restent sur les quais jusqu’au dernier moment. Soit un nombre d’utilisateurs de 472 en salle d’attente et de 629 sur les quais. On suppose que ces utilisateurs se connectent simultanément au moyen de leurs terminaux au maximum de débit (streaming vidéo : ~320 Kbit/s, streaming radio ; ~64 Kbit/s, données emails ~quelques Kbit/s) soit au total ~400 Kbit/s par utilisateur. En salle d’attente, un débit de 400 Kbit/s est assuré, pour fournir un service à une trentaine d’utilisateurs par cellule (soit une vingtaine de cellules). Pour une surface de 21400 m2, la portée d’une cellule doit être dans la limite de 25~30 m

d’un environnement clos. Sur les quais, on utilise des antennes directives pointant en direction d’un quai, permettant d’augmente le gain, mais pour respecter les contraintes de PIRE, il faut réduire la puissance d’émission. Un point d’accès par quai est suffisant pour couvrir celui-ci. Portée plus longue car espace demi-clos (pertes ~ 38 dB) ou ouvert (pertes ~ 29,5 dB). Nombre d’utilisateurs par cellule : 65. Technologie usuelle: Radio : 8 cellules en salle d’attente + 1 antenne directive par quai. La norme IEEE 802.11g comporte trois canaux avec 3 fréquences réparties sur les cellules du réseau en salle d’attente. Deux cellules adjacentes à des fréquences différentes (comme pour le GSM) - idem pour les quais. Le réseau est transparent pour les utilisateurs et comporte une fonction de « hand-over » (e.g. LWAPP de Cisco), en optique un réseau pour les quais, l’autre pour la salle d’attente (architecture en anneau afin d’augmenter la fiabilité en cas de panne). Fibres optiques monomodes pour prévoir un déploiement en plus haute fréquence soit : • 36 stations de bases, dont 9 avec antenne omnidirectionnelle et 24 avec antenne directive. • Station centrale, avec mise en forme des signaux, traitement et la fonction de hand-over. • Pour le réseau cœur: 2 fibres optiques monomodes, une pour le lien montant, une pour le lien descendant. Il faut prévoir pour chaque fibre une longueur d’environ 1 km, Pour le réseau 2: deux fibres monomodes également, d’une longueur approximative de 900 m. • Environnement ouvert à forte densité de type parc de loisirs, site touristique

Ce cas est assez proche du cas précédent, si ce n’est que le besoin en matière de contenus et en nombre de connexions simultanées peut varier dans de très fortes proportions. Un cas asymptotique est illustré par le site à forte fréquentation touristique. Ce cas est intéressant par le nombre de raccordements possibles. Il pose la problématique d’une classification liée à la taille des cellules et aux porteuses. Ce cas est illustré par une zone touristique du type monuments historiques avec des contenus en accès simultané, asynchrone, que nous baptiserons «Environnement type place de la Concorde» tel que décrit ci-dessous. Ce cas impose une approche RoF du type couverture d’immeuble, les portées géographiques étant limitées, mais avec du très haut débit (supérieur à 50 Mb/s) et de la mobilité.

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Réseau de type parc d’attraction, site touristique (ex : place de la Concorde) Objectif : Offrir des contenus audio et vidéo ludiques, culturels et historiques sur les monuments et sites touristiques accessibles en mobilité (13 millions de touristes par an devant Notre-Dame ; 6,5 à la Tour Eiffel). Il faut croiser les critères de fréquentation touristiques des sites “officiels“, avec la taille et le type d’axes. Par exemple, il n’y a pas de recensement touristique du nombre de visiteurs devant la place de la Concorde. La ville de Paris pourrait être couverte dans différentes configurations (antennes omnidirectionnelles sur place de la Concorde, antennes directionnelles au musée Picasso, c.f. liste des contenus multimédia déjà disponibles par zone sur la figure ci-dessous). Les portées seront définies zone par zone, quartier par quartier en fonction de l’intérêt et de la variété des sujets/points. Les cibles sont détectées par GPS et on leur signale la proximité de sites à visiter en proposant l’accès à des supports audio ou vidéo d’introduction.

Les gares SNCF (vues comme lieux de passage de touristes) peuvent être des points de départ avec une approche par niveaux. Niveau 1: Histoire du quartier, de la gare, avec anecdotes amusantes sur les transports vers l’Ouest avant la gare et au début du chemin de fer. Niveau 2 sur le quai : Histoire de la ligne. Combien fallait-il de temps pour aller à Brest avant le chemin de fer? Anecdotes sur villes étapes. Contenus adaptés à la condition d’écoute, du général au particulier. Formats vidéo disponibles avec de l’ordre de 4 Mo/minute en format MP4. Existant pour l’instant en basse définition, mais il faut envisager la diffusion de vidéo de haute qualité. Plusieurs touristes peuvent se connecter simultanément en particulier sur les sites très visités (Tour Eiffel). L’étude du nombre de connections par site reste à faire. Les bornes d’accès doivent permettre l’accès à Internet (pas d’informations résidentes sur bornes fixes non raccordées).

Technologies : très haut débit en environnement « indoor » pour assurer la mobilité et minimiser le nombre de SC. Ce système est en général multistandards (e.g. coexistence de Wi-Fi à 2.5 GHz et à 5 GHz) et c’est donc la station centrale qui gère. Couverture du type « hot spot » pour obtenir de courtes distances de liaison et garantir du haut débit (le Wi-Fi a un débit adaptatif). La technique retenue comme dans le cas précédent est une structure optique "transparente" par rapport à la radio entre la station centrale (CS) et la pico-cellule.

Source : http://www.geodio.com/pages/urbain.htm

• Environnement ouvert de type réseau routier ou ferroviaire

C’est le besoin de mobilité qui prime ici, avec des vitesses pouvant être élevées (besoin de nomadisme dans les taxis ou bus), avec différentes configurations : circulation urbaine ou autoroutière. Un cas asymptotique existe avec le réseau TGV (vitesse très élevée) ou problématique de l’Eurostar (tunnels).

Dans ce cas, les portées doivent être adaptées aux contraintes de la grande vitesse, pour garantir aux usagers une connexion continue pendant toute la durée du trajet. Le système doit commuter automatiquement vers les bornes Wi-Fi installées partout où l'antenne n'a pas de visibilité directe avec le satellite. Il est indispensable disposer d'une connexion continue, sécurisée et performante qui permet d'accélérer les transmissions IP, par ailleurs ralenties par le délai de transmission par satellite. Cet équipement doit s’adapter aux

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protocoles TCP, HTTP pour optimiser la bande passante et tenir compte de la vitesse d'envoi des fichiers.

Technologie : Eutelsat a conçu une antenne à pointage mécanique spécifique aux contraintes ferroviaires pour l'émission et la réception des données à bord de la rame (45 cm de haut, installée sous un radôme de 50 cm de hauteur). Compacte, cette antenne évite de générer des perturbations aérodynamiques. Elle est conçue pour fonctionner dans des conditions extrêmes (e.g. prise au vent, faible hauteur disponible, acoustique, fortes accélérations/décélérations, vibrations, températures, environnement électromagnétique, etc.). Réseau ouvert de type axe autoroutier ou ferroviaire Objectif : Offrir une infrastructure de communication auto-routière (e.g. demande ITS) avec une couverture de type « hot spot » pour assurer le débit et la mobilité (il faut cependant redéfinir les trames). La technique retenue est basée sur une structure optique "transparente" par rapport à la transmission radio entre la station centrale (CS) et chaque pico-cellule, l’ensemble étant connecté à un réseau optique en amont de type réseau métropolitain (voir Figures ci-dessous [17]).

Exemple du système IRIS (Intelligent Radio-fibre telematIcs System) [18] Objectif : offrir une infrastructure de communication auto-routière similaire, mais le service proposé concerne la télématique (prédiction et analyse du trafic routier) avec une couverture de type « hot spot » sur de courtes distances. La technique employée est une structure optique "transparente" par rapport à la transmission radio entre la station centrale (CS) et chaque pico-cellule. Un exemple d’architecture est présenté sur la figure ci-dessous [19].

[17] Hong Bong Kin et al., “A Radio over Fiber Network Architecture for Road Vehicule Communication Systems”, Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference -VTC 2005 Spring, 2005. [18] Source : http://atkinstransportsystems.com/iris.html [19] J.M.H. Elmirghani1, B. Badic1, Y. Li, R. Liu, R. Mehmood, C. Wang1, W. Xing, I.J. Garcia Zuazola and S. Jones, “IRIS : an intelligent radio-fibre telematics system”, http://www.atkinsglobal.com/Images/IRIS_telematics_system_tcm12-2447.pdf

17

Technologies : Pour fournir du haut débit le long d’un axe autoroutier, la technologie RoF peut être avantageusement couplée à différents standards sans fils tels que Wi-Fi (IEEE 802.11a/b/g), WiMAX (IEEE 802.16e) ou UWB. Chacun de ces standards semble très viable. • Environnement « indoor » Réseau d’entreprise à l’intérieur d’un immeuble Scénario de type « réseaux d’entreprises », caractérisé par un besoin d’établir de multiples connexions simultanées sans fil, dont certaines nécessitent d’atteindre des débits très élevés (transferts de vidéos HD), avec une mobilité réduite dans un environnement clos pouvant présenter de multiples obstacles. L’environnement associé à ce scénario est typiquement constitué par des bureaux de type « open-space » ou des bureaux cloisonnés.

Exemple d’architecture schématique Déploiement pico-cellulaire sur un étage système considéré dans un immeuble [20]

[20] M. Sauer et al., “Radio Over Fiber for Picocellular Network Architectures”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 25, No. 11, pp. 3301-3320, November 2007.

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Objectif : Offrir une connectivité à très haut débit excédant 50 Mbit/s par cellule, de manière uniforme à l’intérieur d’un immeuble (indoor) en assurant une mobilité (relativement réduite) et minimisant le coût d’installation et de maintenance du système global. Architecturalement, le nombre de SC est optimisé (e.g., une station centrale par étage, comme illustré ci-dessus). Chaque SC assure une gestion centralisée d’un ensemble d’antennes distribuées et inter-connectées par une ou plusieurs fibres optiques. En raison de la diversité des services existants, le système doit être multistandards (e.g., coexistence de Wi-Fi à 2,5 GHz et à 5 GHz). Technologie : couverture de l’espace par un ensemble de pico-cellules (voire femto-cellules) à faible coût de type Plug & Play, optimisant le débit par terminal utilisateur sur de courtes distances, tout en minimisant les puissances d’émission radio, de manière à répondre à des impératifs d’ordre sociétal (santé publique, développement durable) et économique. Afin de relier une CS à un ensemble de pico-cellules, une infrastructure optique "transparente" par rapport aux techniques de transmission radio est requise. Pour cela, une modulation directe de lasers de type VCSEL (850 nm ou 1300 nm) par des signaux RF dans les bandes à 2,5 GHz et/ou à 5 GHz selon le protocole IEEE 802.11 et une photo-détection directe sont utilisées sur des liens optiques à base de fibre optique multi-modes de longueur maximale d’environ 100 m. Déploiement pico-cellulaire au niveau d’un étage, comme illustré ci-dessus. A chaque étage, l’espace est couvert par 14 cellules uniformes avec un même rayon de 4 m. Un canal RF est alloué à chaque terminaison au centre des pico-cellules. Un ensemble de 12 canaux radio disjoints peut être utilisé dans la bande à 5 GHz (protocole IEEE 802.11), réduisant les interférences inter-canaux (la réutilisation de fréquence étant limitée aux cellules suffisamment éloignées les unes des autres pour éviter les interférences inter-canaux). • Environnement hétérogène (indoor-outdoor) de type urbain ou portuaire Cet environnement est le plus classique. Il est caractérisé par une grande variété de besoin de services avec une couverture du terrain plus complexe (réseau terrestre, zone portuaire etc.) qui entraîne une grande variété de systèmes de couverture et de protocoles. Nous avons choisi pour l’illustrer le cas d’une zone portuaire avec l’exemple de la rade de Brest. Infrastructure de type portuaire (exemple de la Rade de Brest) (exemple tiré de la proposition de projet Imagin’Lab pilotée par le pôle Images & Réseaux) Les équipements radio fixes constituent le cœur de la plaque avec 3 sites radio WiMAX à 3,5 GHz ainsi qu’une plaque radio FTTA complétée par des services IP réseau et IP TV. Des équipements front de mer et le long d’une artère urbaine principale avec déploiement d’un backbone radio, permettant de diffuser sur différents types de terminaux, fixes ou mobiles, en WiMAX ou en Wi-Fi, des images en captation directe (bateaux à quai ou en mer) ou images différées (images de la veille). Pour une couverture de zones à plus longue distance, ou sur une surface de mer plus importante, pour un suivi de positionnement de bateaux et de remontée d’images, par exemple, un matériel FTTA sera déployé. L’infrastructure est complétée d'équipements pouvant être déployés pour des besoins spécifiques (accès radio, terminaux fixes ou mobiles, ou équipements de mesures). La station de base raccorde la station abonnée à un réseau backhaul/backbone équivalent sans fil d’un hub MAN. Il comprend un réseau WiMAX connecté à un réseau backhaul/backbone avec plusieurs BS permettant à des équipements nomades de passer d’une BS à l’autre. Le site radio (où il est possible de co-localiser plusieurs BS) est bâti autour d’un concept LAN. Technologies : Le déploiement physique concentre toutes les fonctions dans une base centrale qui diffuse les contenus au travers du relais répéteur vers les abonnés, ce même relais collecte en Ethernet les retours des abonnés et les commute vers la station centrale. La station centrale dispose de la fonction accès dans sa zone de visibilité. Dans le cas du pilote, les nappes de couverture se recoupent assurant une meilleure couverture

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adaptée au relief local et aux masques divers. La station centrale dispose d’une émission omni-directionnelle et le relais dispose d’une émission sectorielle. Les équipements type sont les suivants : 3 sites radio tri-sectoriel comprenant chacun :

3 Stations de base compacte (4 Tx/Rx) 3 Antennes de synchronisation GPS et jarretière coaxiale 5m (par secteur) 3 Antennes 120° de type « Array » (4 éléments d’antenne 3,3-3,8 GHz) pour AAS à 3,5 GHz.

Une station centrale possède les fonctionnalités suivantes :

Interface IP et chaîne de l’image (connectivité IP et contenus multimédia par opérateur) Authentification des abonnés et leur affiliation pour les sessions Internet Trafic abonnés: distribution de contenus et collecte de requêtes et de fichiers émis par les abonnés

On constate la grande variété de cas de figures avec, au sein même de chacun d’entre eux, une variété de besoins qui peuvent engendrer des points chauds technologiques. Certains justifient une convergence optique-hyperfréquence. Nous allons tenter de résumer ceci dans le paragraphe, suivant la nature de ces besoins en termes de ressources techniques. 3-2) Analyse des besoins en convergence Les scénarios présentés plus haut illustrent l’intérêt d’une convergence technologique optique-hyperfréquence, fil conducteur de notre étude. Bien entendu dans beaucoup de cas, des solutions utilisant des fréquences de 2,5 à 5 GHz peuvent notamment être envisagées de manière satisfaisante à partir d’options conservatrices, de type Wi-Fi, par opposition aux solutions en rupture qui concernent a priori davantage la gamme de 20 à 60 GHz. Outre les considérations liées aux débits, nous avons également vu que certains paramètres de dimensionnement physique avaient un impact technologique direct sur la couche physique sous-jacente, comme la taille des cellules, le nombre d’accès simultanés, etc.. Le Tableau 2 ci-dessous reprend ces paramètres en mettant en évidence dans les scénarios évoqués l’émergence de points chauds potentiels, amenant à s’interroger sur les capacités technologiques permettant de les résoudre, ou tout au moins propices à des alternatives technologiques pour lesquelles le coût va également entrer en ligne de compte.

Scenario Pico-cellule* Nombre d’utilisateurs

Nombre de cellules Macro-cellule*

Bureaux ouverts

(open-space) 3 m dépend de la norme

considérée 1 par poste (bureau) taille du bâtiment

Zone urbaine portuaire 50 m 10 50 500 m à 1000 m

Gare, centre commercial,

aéroport 10 m 10 100 200 m

Site touristique, parc loisir

50 m à 100 m de quelques

unités à plus de 50

10 (place de la Concorde)

100 (Euro-Disney)

200 m (place de la Concorde)

3000 m (Euro-Disney)

Axe routier, axe ferré 100m à 200 m 50

dépend du trafic

dépend de la vitesse des terminaux mobiles (effet Doppler) et du

débit

dépend de la vitesse des terminaux mobiles (effet Doppler) et du

débit Tableau 2. Analyse des besoins en convergence avec identification des points chauds pour divers scénarios

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* NB : La pico-cellule (voire femto-cellule) est la zone couverte par un lampadaire, tandis que la macro-cellule regroupe l’ensemble des pico-cellules desservies par un même SC. Les parties grisées (plus ou moins fortement) dans le Tableau 2 signalent les éventuels points chauds qui pourraient poser problème sur le plan de leur mise en œuvre technologique et pour lesquelles la question d’une convergence optique-hyperfréquence est pertinente (hors considération de coût). Les cas les plus exigeants, correspondant à des densités d’accès élevées (associés à un débit élevé), posent un certain nombre de problèmes (notamment en termes de consommation énergétique et de maintenance logicielle) et renvoient à la problématique du placement de l’intelligence réseau au niveau de la couche physique, déjà évoqué dans le paragraphe 2. Nous allons donc aborder maintenant la problématique liée aux technologies support disponibles pour résoudre ces points chauds, en analysant ceux-ci par rapport à la nature de la couche physique qui est en jeu : optique, radio, propagation, etc. et en identifiant si possible les différents verrous technologiques susceptibles de motiver des recherches pertinentes. 4) État de l’art et problématique des technologies support disponibles Le paragraphe 2 a montré les alternatives en termes de structure «réseau» pour la distribution des signaux entre le SC et les lampadaires numériques. Celles-ci, associées à des considérations de coût, déterminent le choix des architectures purement matérielles. Comme indiqué précédemment, le problème est de faire transiter par voie optique le signal radio entre le réseau fixe et l’antenne du lampadaire (et inversement). Les solutions sont multiples et réparties entre deux options extrêmes : • Une première solution consiste à décoder intégralement les données du signal

radiofréquence entrant pour le transmettre sous forme numérique par voie optique, puis transformer le signal sous forme optique en signal radio à l’extrémité du réseau.

• Une deuxième solution (RoF) consiste à transférer l’information analogique utile du

signal RF sur la porteuse optique pour la délivrer telle qu’elle à l’antenne après détection optoélectronique (avec éventuelle transposition de fréquence de la porteuse RF).

4-1) RoF : approche numérique versus approche analogique Pour ce qui est du traitement optique, l’approche numérique relève des solutions disponibles pour l’accès optique en particulier des PON pour le FTTH. Dans ce cas, le récepteur optique est une ONU qui doit générer la porteuse RF et sa modulation par les données numériques en bande de base avant transmission à l’antenne. Cette opération coûteuse est envisageable techniquement pour les systèmes ISM (quelques GHz, Wi-Fi), mais elle devient prohibitive pour les porteuses RF dont la fréquence est comprise entre 20 et 60 GHz. Dans la mesure où cette approche découple fortement les technologies optique et radiofréquence, elle ne relève pas directement de DataShade et l’analyse des verrous est plus fragmentée. Nous ne la développerons donc pas ici. Inversement, l’approche analogique RoF cherche à tirer un bénéfice maximum de la centralisation des équipements au niveau du SC pouvant entraîner des réductions de coût et de consommation importantes et des structures optimisées. Il faut garder à l’esprit que la version RoF intégrale ne permet pas de positionner la moindre parcelle d’intelligence au

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niveau du lampadaire, puisque le signal porté par l’optique est transféré sous forme analogique (sans décodage) sur le circuit RF. Comme nous l’avons précisé au paragraphe 2, une telle solution peut être trop restrictive. Il faudra probablement envisager un transfert d’information de gestion entre les 2 entités (SC-lampadaire) soit sur un canal optique dédié soit en décodant une fraction du signal analogique lui-même. En vertu de ce qui précède, nous nous concentrerons sur l’approche analogique RoF. Celle-ci comporte néanmoins plusieurs variantes technologiques liées à certaines considérations signalées au paragraphe 2 qu’il convient d’aborder via un état de l’art succinct des développements actuels. 4-2) Les architectures de base en Radio-sur-Fibre Selon la technologie RoF, des signaux RF (de 1 à 60 GHz) sont distribués optiquement entre une station centrale et un ensemble de stations de base ou points d’accès radio. Pour les fréquences inférieures à 2 GHz, des technologies similaires (dites HFC : « Hybrid Fibre-Coax ») ont donné lieu à des développements industriels (réseaux CATV dans les années 1990 et systèmes de déport pour le réseau mobile à partir des années 1990). De manière avantageuse, la technologie RoF permet de centraliser les fonctions de traitement des signaux RF au sein des stations centrales et de distribuer ces signaux directement aux points d’accès, par l’intermédiaire de liens par fibre optique offrant de très faibles atténuations (0,2 dB/km à 1550 nm, 0,5 dB/km à 1310 nm). Ainsi, cette technologie permet de réduire la complexité et le coût des points d’accès, dans la mesure où ceux-ci n’ont plus qu’à effectuer des opérations de conversion optoélectronique et d’amplification de signal. On distingue ci-dessous trois architectures principales, dont seules les deux dernières sont véritablement des cas de RoF illustrés schématiquement sur la Figure 4 ci-après.

• Selon une première architecture dite « Bande de Base sur Fibre » (Baseband-over-Fibre), un signal en bande de base est généré et transmis à travers la fibre optique depuis la station centrale jusqu’aux stations de base. Cette technique nécessite un traitement du signal important au niveau de chaque station de base, ce qui va rendre leur coût important (voir remarque ci-dessus). Toutefois, le principal avantage de cette architecture est la relative simplicité du passage par la fibre optique du fait des faibles fréquences utilisées en bande de base.

• Selon une deuxième architecture dite « Fréquence Intermédiaire sur Fibre » (IF-over-Fibre), un signal à une fréquence intermédiaire (FI) est généré et transmis à travers la fibre depuis la station centrale jusqu’aux stations de base. Les stations de base sont plus simples, mais elles doivent inclure un traitement de transposition de fréquence pour passer de la fréquence FI à la fréquence RF souhaitée. Le principal avantage de cette architecture est la simplification des stations de base (au profit de la station centrale) et donc la diminution du coût de celles-ci. Cette architecture a été identifiée [21] comme étant la plus prometteuse (dans le cadre du projet ISIS décrit dans le

[21] Projet ISIS : Delivrable D4.7 §2.2 : http://www.ist-isis.org/index/deliverables1.html.

22

paragraphe 6-1-1) pour réaliser un déploiement à faible coût en privilégiant l’utilisation de fibres optiques multi-modes [22].

• Selon une troisième architecture dite « Fréquence Radio sur Fibre » (RF-over-Fibre), le signal à une fréquence RF (haute fréquence) est directement généré et distribué à travers la fibre optique depuis la station centrale jusqu’aux stations de base. On obtient alors des stations de base très simples et donc très peu coûteuses car tout le traitement RF se situe dans la station centrale.

Cependant, on notera que le transport d’un signal radio à travers une fibre optique est d’autant plus difficile que sa fréquence est élevée. Ceci est notamment le cas pour les fibres multi-modes.

Figure 4. Les 3 architectures de base pour la RoF

4-3) Analyse de l’approche analogique (RoF) Cette approche est au cœur de l’analyse de la convergence technologique et réseau visée directement par DataShade. Ses avantages principaux consistent à déporter le coût et la complexité RF au niveau du SC et ainsi de minimiser la charge des terminaisons. Ses inconvénients sont une technologie plus délicate à mettre en œuvre au niveau optique mais aussi hyperfréquence. Il est donc nécessaire d’identifier la nature des verrous technologiques, en adoptant une analyse descendante liée à la sollicitation par le service, c’est-à-dire de la partie RF vers la fibre. On cherche donc une solution de distribution de données combinant une transmission sur fibre optique et une diffusion radio en espace libre. Le lien RoF est la partie physique entre un SC et plusieurs points d’accès (AP) : la partie optique doit être transparente entre un SC et un AP. Dans le cas 1 vers 1 (point-à-point) on parle de « déport radio ». Les interfaces du SC sont données d’un côté (vers le réseau métropolitain par exemple) et radio de l’autre. L’objectif est que chaque lien RoF puisse transporter un ou plusieurs normes

[22] D. Wake, S. Dupont, C. Lethien, J.P. Vilcot and D. Decoster: "Radio frequency transmission of 32-QAM signals over multimode fibre for distributed antenna system applications", Electronics Letters, vol. 37(17), pp. 1087-1089, 2001.

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/formats/protocoles radios (i.e. « radio 1, 2, etc » sur la Figure 5 ci-dessous.) Au sein de la bande ISM autour de 2,5 GHz sont prévus différents protocoles qui présentent un recouvrement de spectre et qui ne peuvent donc pas coexister simultanément (collision, parasites, interférences).

SC

Radio 1 canal 1

Radio 2 canal 1

… Com

bine

ur

Div

iseu

r+

élec

troni

que Laser

Det

data

AP AP

AP

Lase

r

Det

Lase

r

Det

Det

Lase

r

Figure 5. Liaison RoF 1 vers N pour le canal n°1 du réseau cellulaire.

Afin de couvrir plusieurs zones ou cellules, un même SC peut gérer plusieurs liaisons RoF, (Figure 5). La réalisation d’un système cellulaire implique que chaque radio ait au moins trois canaux disjoints (Figure 6 ci-dessous). Chaque liaison RoF n’a qu’un seul canal RF par norme. Par exemple, pour le Wi-Fi dans la bande à 2,5 GHz en Europe, seules des combinaisons de trois canaux (1, 6, 11) ; (2, 7, 12) ou (3, 8, 13) ne présentent aucun recouvrement. Par contre, au sein d’un même SC, il peut y avoir plusieurs bornes numériques (BN) sur le même canal RF comme illustré sur la Figure 6.

1 6 11 1 6

11 1 6 11 1

6 11 1 6 11Liaisons RoF_1 RoF_6 RoF_11 1 6 11 1 6

1 1

1 1

1

1 1 BN

BN

SC

Figure 6. Exemple de possibles implantations d’un réseau cellulaire (canaux 1, 6 et 11) à partir d’un SC et

exemple d’une liaison 1 vers 7.

Ce type d’implantation soulève les problématiques suivantes. 4-3-1) Topologie des cellules Il est nécessaire en effet de déterminer le nombre de cellules et leurs tailles respectives en fonction de la zone couverte. Pour une norme donnée : • le débit par AP (ou pico-cellule) versus le nombre de SC dimensionne la surface

couverte par un AP, le nombre de pico-cellules ayant le même numéro de canal augmente la surface couverte mais garde le même débit total;

• le nombre de canaux utilisables pour chaque SC définit la capacité du réseau cellulaire (i.e. débit total/nombre d’utilisateurs sur un même SC) et dimensionne la surface totale ;

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• la surface totale à couvrir et donc le nombre de SC définit le réseau à mettre en œuvre (débit, distance, gestion, etc.);

• définir la position géographique des points d’accès (à proximité des utilisateurs) et celle des SC devant accéder aux ressources (données, alimentation).

4-3-2) Recouvrement des cellules A chaque SC est associée une notion de surface de couverture pour un débit total donné et/ou un nombre maximal d’utilisateurs. Chaque SC repasse donc en données numériques (data). La mise en réseau de l’ensemble des SC (Figure 7 ci-dessous) se fera par un réseau classique (par faisceau hertzien ou par liaison optique à haut débit), si la distance entre SC est grande. Si la distance entre SC est faible, on peut centraliser cette mise en réseau à partir de matériel spécifique sur étagère.

SC_1 SC_2

SC_3SC_4

SC_5

Figure 7. Mise en réseau des stations centrales et zones de couverture.

Chaque SC peut utiliser les mêmes canaux de fréquences que les SC adjacents comme pour toute allocation de spectre (cf. ensemble des canaux (1, 6, 11) en WiFi, par exemple), mais il faut prendre les précautions nécessaires de non recouvrement des cellules élémentaires entre les AP en termes de canaux. Le nomadisme est possible au vu de la couverture d’un SC mais pas entre 2 SC. 4-3-3) Impact des performances d’une liaison RoF L’insertion d’une liaison RoF dans un système de répartition de signaux radio-fréquences entre un SC et les différents points d’accès (et inversement) doit nécessairement respecter les critères de qualité de transmission imposés par les normes des technologies utilisées (Wi-Fi, WiMAX, etc.) qui ont été établis a priori pour des transports uniquement RF. C’est à ce niveau que se situe le challenge de l’utilisation des technologies RoF et donc une partie de la problématique de DataShade. Les paramètres à respecter sont de plusieurs ordres et doivent être déclinés sur les différents points de la liaison : concentration RF, transfert RF sur porteuse optique, transmission du signal optique, réception et accès à l’antenne, SFDR (SDR voir Figure 8). Les paramètres de la liaison à respecter sont les suivants :

• La préservation de la « linéarité du signal » qui se décline à plusieurs niveaux : Adaptation du signal RF à la zone linéaire du laser ou du modulateur optique

(requiert un contrôle automatique de gain en cas de multiplexage de bande radio). Linéarité de la modulation électro-optique prenant en compte d’éventuels modules

de prédistorsion capables de compenser la non-linéarité du modulateur lui-même. Absence de distorsion du signal lors de la propagation sur la fibre optique. Linéarité de l’émission et de la réception RF.

• Le rapport signal sur bruit (SNR).

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• La préservation de la bande passante de bout en bout qui impose des contraintes sur la

bande passante des composants individuels mais aussi sur les stratégies de transport optique pour les porteuses millimétriques.

• Le SFDR (« Spurious Free Dynamic Range ») est utilisé pour caractériser la

performance d’une chaîne de réception. Sa valeur est identique en entrée et sortie de la chaîne. Le SDR s’applique davantage au calcul d’un système radio, puisqu’il prend en compte le SNR ainsi que les puissance minimale et maximale d’un récepteur normalisé.

Figure 8. SFDR donné par : SFDR=2/3×{174 + OIP3 – G – NF - 10log(BW)} avec OIP3 : point

d’interception d’ordre 3 en bout de chaîne, G : gain de la chaîne, NF : facteur de bruit, BW : la bande passante d’un canal. [23]

Son utilité est importante en cas d’une norme unique avec des interférences entres canaux. Dans un cas multistandards avec des débits totalement différents, le SNR et les niveaux maximum et minimum de réception seront différents d’une norme à l’autre, idem pour la bande passante liée au débit et à la complexité de modulation (e.g. le WiMAX).

Si on calcule le SNR dans 1 Hz de bande cela conduit au calcul de probabilité de fausse alarme d’un radar, si on le calcule dans la bande de canal on détermine le niveau d’interférence qui ne doit pas dépasser le niveau de bruit (c’est le C/(N+I) que doit respecter la norme). Le tableau en annexe 4 indique quelques ordres de grandeur caractéristiques des paramètres évoqués ci-dessus. Chaque circuit des récepteurs des AP sera dimensionné en puissance, de telle sorte que la totalité des signaux reçus (i.e. signaux non filtrés) n'aient pas d'interférences entre eux. Dans le cas mono-norme, il s'agira des différents canaux prévus dans la norme considérée. Dans le cas multistandards, il faudra prendre en compte la capacité totale de chaque norme (c’est-à-dire tous les canaux des différentes normes gérées par le SC). Afin d'éviter toute interférence avec des systèmes extérieurs existants (exemple GSM, UMTS), il conviendra soit de mesurer le spectre radio reçu dans les zones à couvrir, soit de dimensionner les circuits en conséquence.

[23] M. Sauer et al., “Radio Over Fiber for Picocellular Network Architectures”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 25, No. 11, pp. 3301-3320, November 2007.

26

4-3-4) L’impact des formats de modulation Le partage des tâches entre voies radio et optique pour ce qui concerne la transmission des données entre le SC et l’utilisateur final laisse une grande flexibilité sur le schéma de modulation global des porteuses à travers le système. Même en se concentrant sur les schémas RoF, la modulation de la ou des porteuses RF et la modulation de la porteuse optique qui doit transmettre le signal RF modulé comme un ensemble analogique ne sont pas indépendantes à 100% bien que relativement décorrélées. Il est assez probable que le format de modulation de la ou des porteuses RF soit imposé par la norme du signal transporté (GSM, Wi-Fi, WiMAX etc.). De ce choix, dont les alternatives sont décrites dans le paragraphe suivant, découlent les caractéristiques du signal RF qui devra être transposé sur la porteuse optique. Cette problématique ainsi que les différents formats de modulation disponible pour la voie optique sont décrits au paragraphe 4-3-4-2 ci-après. 4-3-4-1) Modulation des porteuses RF Les modulations RF sont liées à la norme et aux protocoles internes, à la norme de transmission (préambules, burst, temps de garde, CSMA/CA, etc.). Ces paramètres ne sont pas modifiables puisqu’il faudrait alors modifier aussi la partie mobile.

Figure 9. Exemple de couches MAC et PHY pour la famille de normes 802.11

Ci-dessous sont précisés des formats modulations RF utilisés dans des standards sans fil:

Wi-Fi b CCK ou DSSS (adaptation en fonction des niveaux reçus et du nombre d’utilisateurs : accès CSMA/CA)

Wi-Fi a,g OFDM (48 sous-porteuses données, 4 sous-porteuses pilotes (BPSK) et 12

de garde). Bande de canal fixe : 20MHz Pour le débit adaptatif, les 48 sous-porteuses sont modulées BPSK, QPSK

16QAM et 64QAM suivant des scénarios (niveau, TEB, perturbations, etc.) qui dépendent du fabricant.

WiMAX OFDM (de 48 à 1024 sous-porteuses au total) ; même chose pour le débit

adaptatif lié aux modulations, mais en plus on adapte la bande de canal (3.5MHz, 40 MHz) pour optimiser la distance versus la bande de canal

UWB 3-11 GHz OFDM (canal de 528 MHz) 4 bandes de 3 canaux et 1 bande de 2

canaux 60 GHz OFDM ou OOK.

27

4-3-4-2) Modulation de la porteuse optique Les éléments constitutifs de l’onde radio qui vont influencer le type de modulation du signal optique sont de plusieurs ordres. D’une part, la répartition fréquentielle du signal RF est capitale car elle déterminera directement l’occupation spectrale du signal optique et donc son immunité à la dispersion dans la transmission sur la fibre optique. D’autre part, les contraintes de linéarité et de facteurs de bruit de la liaison RF de bout en bout, imposées par les normes utilisées, détermineront le choix des composants optoélectroniques mais aussi schéma de la modulation.

a) Occupation de la bande spectrale L’occupation spectrale du signal RF (tel qu’il doit être transmis ou reçu par l’antenne du lampadaire communicant) sera, dans la très grande majorité des cas, un signal à bande étroite (quelques MHz ou centaines de MHz sur une porteuse de fréquence de 1 à 10 GHz voire 40 ou 60 GHz). Dans ces cas, la modulation analogique directe de la porteuse optique par le signal RF complet conduit à une largeur spectrale pour l’onde optique modulée de l’ordre de 2 fois la fréquence de la porteuse RF (2× fRF, Figure 10). Cette solution est clairement sous-optimale pour ce qui concerne les dégradations liées à la dispersion dans la fibre optique, puisque la largeur spectrale optique excède d’un ou plusieurs ordres de grandeur celle du signal utile.

Figure 10. Méthodes de contrôle du spectre optique pour combattre les effets de la dispersion dans le cas de

signaux RF à bande étroite et porteuse de fréquence élevée.

28

Dans un premier cas où la fréquence (fRF) de la porteuse RF est inférieure à quelques GHz, on peut considérer que les limites de distance de propagation (quelques km) ne sont pas trop critiques pour une distribution de type accès comme celle envisagée dans la présente étude. La simplicité de l’approche la rend particulièrement intéressante pour ce premier cas. Dans un deuxième cas où la fréquence (fRF) de la porteuse RF est au-delà de 5 à 10 GHz, la dispersion n’est plus tolérable. Etant donné que seule la bande du signal numérique est importante, il est recommandé d’utiliser une technique de modulation adaptée. Il peut s’agir d’une modulation supprimant la porteuse optique (fopt) dite « carrier-suppressed » (Figure 10 au centre), ou d’une modulation à bande latérale unique (fopt+fRF, Figure 10, à gauche), ou encore une modulation avec un transfert sur une fréquence intermédiaire (fTransposée) plus faible que la fréquence (fRF) du signal RF d’origine (Figure 10, à droite) ce qui permet de réduire ou d’annuler les effets de la dispersion. Pour la modulation à bande latérale unique ou la modulation avec transfert de fréquence, la réception requiert de recréer la fréquence porteuse RF, par exemple par hétérodynage (Figure 10). Le signal optique CW (Continuous Wave) servant à recréer par battement la porteuse hyperfréquence peut être soit généré localement à la réception soit transmis en parallèle au signal. Ce point est le plus critique car difficile à mettre en œuvre (récupération de porteuse). La différence de fréquence entre le « laser signal » et « laser local » (ou déporté) doit être suffisamment bien contrôlée pour générer une porteuse hyper-fréquence stable. Les nouvelles techniques de détection cohérentes fortement développées dans les transmissions optiques pour le 100 Gbit/s apporteront des solutions à moyen terme. Par ailleurs, on notera qu’une autre technique de transposition du spectre vers des hautes fréquences porteuses RF après détection dénommée « multiplication de fréquences porteuses » a été proposée par T. Koonen [24]. Dans certains cas particuliers, le signal radio peut être à bande étendue comme dans les normes UWB. Ces normes sont choisies de manière à supporter les effets de multi-trajets rencontrées dans des systèmes radio. D’une façon simpliste, on peut considérer qu’ils correspondent à l’association de plusieurs signaux à bandes étroites décorrélées pour ce qui concerne la transmission (la reconstitution du signal global se faisant sous une forme logicielle). Nous revenons ainsi au cas précédent de signaux à bandes étroites, à ceci près que les différentes sous-bandes devant être séparées ne doivent pas être mixées. La linéarité de la réponse du système est donc cruciale.

b) Schéma de modulation

Dans le domaine optique, plusieurs techniques de modulation peuvent être employées. En particulier, on distingue la modulation d’intensité, la modulation de phase et la modulation de fréquence. Celles-ci ne sont pas spécifiques au domaine de la RoF, mais y seront plus ou moins adaptées. La modulation la plus utilisée dans le domaine optique est la modulation d’intensité. La raison de cette prépondérance est simplement liée à la détection quadratique des récepteurs dans le domaine optique. Cette technique est connue sous la dénomination IM-DD (« Intensity Modulation-Direct Detection »). Par nature, la réponse d’un modulateur d’intensité est non-linéaire puisque limitée par zéro d’une part et par une puissance [24] M. Larrodé, A. Koonen, J. Vegas Olmos, I. Monroy, T. Schenk, « RF bandwidth capacity and SCM in RoF link employing optical frequency multiplication », ECOC 2005 Proceedings, Vol. 3, Paper We4.P090.

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maximum de l’autre. Par contre sa réception est très simple puisque le signal hyperfréquence délivré par le photo-détecteur sur lequel l’onde optique est envoyée est proportionnel à cette intensité. La modulation de phase est très facile à réaliser à l’aide d’un modulateur externe électro-optique (Niobate de Lithium). La réponse en modulation de phase est très linéaire. Néanmoins, celle-ci peut être considérée inadaptée à la situation d’une modulation en RoF lorsque l’on veut injecter et récupérer le signal RF sous la même forme. En effet, pour restituer le signal RF analogique contenu dans la modulation de phase optique, la réception ne peut être que cohérente homodyne avec un contrôle de la phase optique. Ceci paraît compliqué à mettre en œuvre pour un système bas coût. En outre, la détection homodyne introduit elle-même une nouvelle non-linéarité qui limite l'exploitation de la modulation de phase. On peut citer une publication récente [25] utilisant une transmission RoF de données sur une porteuse à 5 GHz sachant que dans ce cas la réception consistait à ressortir les signaux numériques de données et non la porteuse RF modulée. Il en va de même pour une modulation de fréquence (par exemple obtenue par modulation directe du laser) qui peut être détectée par hétérodynage (un peu plus simple que l’homodynage précédent) et qui peut bénéficier des développements actuels des systèmes cohérents optiques destinés aux transmissions à haut débit. La modulation de fréquence peut aussi être convertie à la réception en modulation d’intensité par l’utilisation d’un filtre optique (comme pour la modulation de phase suivie d’un circuit intégrateur). Le gain par rapport à une modulation directe d’intensité semble alors discutable. Ces questions demandent probablement un approfondissement.

c) Composants pour la modulation et propriétés associées Un premier mode de modulation de l’onde optique consiste à moduler directement une source laser. Cette modulation directe présente l’avantage de ne pas nécessiter de composant supplémentaire. Toutefois, sa limite vis-à-vis de la RoF tient dans la linéarité médiocre de la fonction de transfert (qui peut être corrigée par une prédistorsion) qui peut dépendre du type de laser utilisé. Par ailleurs, les travaux sur l’utilisation de la fibre optique pour les applications de type CATV ont amené le développement d’amplificateurs adaptés à la compensation de la non-linéarité de la réponse. Le choix du type de laser lui-même va être dicté par l’adéquation entre les paramètres suivant : étendue de la zone linéaire, bruit additionnel (RIN : « Relative Intensity Noise »), puissance de sortie et efficacité quantique. La modulation directe du laser va aussi limiter les performances du système du fait du chirp du laser. L’effet du chirp dans un système analogique est à approfondir. La rapidité de la modulation directe est limitée par le laser. On commence toutefois à trouver des composants modulables entre 1 et 10 GHz (voire 40 GHz). Un deuxième mode de modulation de l’onde optique est une modulation externe pouvant prendre les deux formes suivantes :

• Une première forme de modulation externe très employée est la modulation électro-optique linéaire (effet Pockels, électro-réfraction). Les modulateurs en niobate de lithium sont très courants mais sans doute encore trop coûteux pour être utilisés dans une liaison RoF. Leur caractéristique en modulation d’intensité (interféromètre de Mach-Zehnder) est une fonction « cosinus-carré » dont la linéarité est limitée

[25] J. B. Jensen, Xianbin Yu, I. Tafur, Monroy, C. Peucheret and P. Jeppesen « Combined Transmission of Baseband NRZ-DQPSK and Phase Modulated Radio-over-Fibre », ECOC 2008 Proceedings, Paper TU4F3.

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dans la zone centrale. Des modulateurs de type Mach-Zehnder à semi-conducteur directement intégrés avec le laser existent maintenant et pourront à terme fournir des solutions bas coût. Une publication à ECOC’08 propose une modulation autour du point-zéro d’un modulateur Mach-Zehnder qui en plus de supprimer la porteuse améliore très nettement la linéarité, utilisant la transmission d’une porteuse pour la démodulation [26].

• Une seconde forme de modulation externe est la modulation par électro-absorption.

Cette solution est peu linéaire, mais les modulateurs ont des tensions de commande plus faibles. Le modulateur souffre d’un faible « chirp » qui ne devrait pas être gênant pour les transmissions RoF, compte tenu des faibles distances de propagation considérées. Des composants intégrés existent sur le marché.

5) Verrous par couches physiques Nous allons maintenant revenir plus en détails sur les principaux sous-ensembles mis en œuvre dans la couche physique d’un réseau DataShade. Outre la problématique des dispositifs relevant des technologies optique ou hyperfréquence, il faut ajouter celles des interfaces spécifiques à la conversion optique-hyperfréquence et des extrémités concernant notamment le rayonnement et la propagation radiofréquence. 5-1) Structure des équipements radio 5-1-1) Le point d’accès (AP) Pour une liaison bidirectionnelle TDD, trois architectures sont considérées ci-dessous :

• Avec un circulateur : le circuit très large bande (multi-normes) n’existe pas, même

pour une bande 5 à 10% le coût sera assez important. L’isolation pose problème.

Figure 11. Architecture RoF utilisant un circulateur [27].

• Avec un commutateur RF Tx/Rx (le circulateur est remplacé par un commutateur).

Ceci s’obtient par simple détection et gestion analogique de la priorité sur chaque AP en absence d’intelligence programmable. Un commutateur ne sera gérable en termes de priorité Tx/Rx que dans le cas monostandard étant donné que dans le cas multistandards, les paquets transmis ne sont plus synchrones. Par ailleurs, compte

[26] A. Ferreira, T. Silveira, D. Fonseca, P. Monteiro, R. Ribeiro, « Highly Linear Radio-over-Fiber Transmitter for Subcarrier Multiplexed Systems », ECOC 2008 Proceedings, Paper TU4F5. [27] Source : www.brabantbreedband.nl/publications/BTS01063-BR@H-D61-PUB_design%20RoF%20system%20for%20WLANs.pdf

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tenu de la largeur de bande dans le cas multistandards et du dimensionnement en puissance associé, le commutateur aura un coût relativement élevé. L’augmentation de la taille des cellules de couverture implique une puissance totale émise par l’antenne accrue (>100 mW), le surdimensionnement lié à la limitation des émissions d'interférences fait que l'amplificateur sera soit à bande étroite (mono-norme) soit très onéreux.

Figure 12. Architecture RoF utilisant un commutateur (switch) - adapté de [27].

NB : si on travaille sur une gestion à distance de priorité (les données seront donc transmises en bande de base) il faut un microcontrôleur. On devra réaliser un programme spécifique et la complexité matérielle sera accrue ; on peut rendre prioritaire une norme par rapport à l’autre et gérer les collisions (cf. CSMA/CA)

• Avec une double antenne : l’utilisation de deux antennes distinctes pour l’émission et la réception provoque un couplage inter-antenne induisant des interférences intra-système qu’il convient de modéliser par CAO électromagnétique :

Couplage fort ⇒ surdimensionnement des paramètres (IP3) Couplage faible ⇒ difficulté de conception de l’antenne.

Figure 13. Architecture RoF utilisant deux antennes distinctes (adapté de [27]).

5-1-2) La station centrale (SC) Pour diviser et recombiner les signaux au niveau du SC, il faut utiliser : des combineurs/diviseurs de puissance après vérification de leur compatibilité. un ou plusieurs commutateurs impliquant de gérer à nouveau les priorités.

La gestion de la puissance pour une modulation du laser sans interférences se fera au niveau de la station centrale et du point d’accès. A cet effet, il convient de régler les

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niveaux (pour la conversion RF/optique) en fonction des performances caractéristiques du laser et en effectuant un bilan des puissances. On minimisera ainsi les interférences si le bon dimensionnement des circuits a été réalisé mais avec un risque de perturber le SNR en réception. La puissance RF émise sera liée à la puissance autorisée (PIRE) au niveau de chaque point d’accès. Comme la limite est de ne pas dépasser la norme, la CAG (Contrôle Automatique de Gain) sera réglée à la valeur minimale entre les différentes normes. Dans le cas contraire, il faudra une intelligence sur chaque point d’accès. Signalons également les points durs concernant la conception de circuits liés aux interférences radio des autres bandes RF (en multistandards). Ceci influera sur le dimensionnement des circuits (la modélisation et/ou caractérisation est prévue pour quelques cas particuliers). Etant donné qu’il n’y aura pas la possibilité de filtrer (multistandards) : un gros surdimensionnement des paramètres électriques caractéristiques (OIP3, etc.)

sera nécessaire, impliquant une consommation énergétique accrue ; une identification sur site peut être utile pour identifier les signaux parasites.

Dans le cas de l’utilisation d’une CAG, pour obtenir la dynamique de réception, il convient de rappeler qu’il existe déjà une CAG dans le récepteur de la SC et que suivant le scénario de la détection (sans accès au code), le logiciel de traitement du débit adaptatif travaille : soit à partir du niveau de puissance reçue (il y aura donc un problème) ; soit à partir du taux d’erreurs binaires (on doit simplement respecter la norme).

Une gestion dynamique de la puissance émise (Tx) est prévue. Le fait d’ajouter une CAG risque donc de perturber le fonctionnement de l’ensemble du système. Au niveau du SC, un point dur consiste à récupérer les données numériques, ce qui impose la connexion des voies radios Tx/Rx à un boîtier relatif à une norme. Si deux connecteurs séparés sont prévus pour les antennes Tx/Rx, l’accès au système RoF est très simple. Si un seul connecteur est prévu pour l’accès au système de transmission, on utilisera : un commutateur (avec la question de la gestion de la priorité Rx/Tx), ou un circulateur (en rappelant qu’il n’en existe pas à large bande).

5-2) Contraintes pour la transmission hyperfréquence 5-2-1) Pour la partie TxRF En bande radio unique, il convient de ne pas dépasser les valeurs de la PIRE imposée par la norme considérée. Avec plusieurs bandes radio, cette contrainte est gérable en entrée du laser dans le SC via une première amplification à gain variable/contrôlé et une seconde amplification à CAG pour contrôler la puissance au niveau de l’AP afin d’obtenir un minimum de distorsion. La puissance émise dépendra du nombre de canaux, sauf si l’amplificateur de puissance est surdimensionné. La PIRE sera fixée par le minimum des différentes normes. Le SNR sera dégradé, mais il ne faut pas descendre en-dessous d’un seuil à déterminer.

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5-2-2) Pour la partie RxRF Le point crucial est le facteur de bruit et le respect de la sensibilité (niveau minimum), sans oublier le niveau maximal (dynamique totale) pour une classe de fonctionnement. Il faut aussi respecter la marge de linéarité aussi bien liée aux modulations utilisées (environ 7 à 11dB pour l’OFDM et l’étalement de spectre) qu’au caractère multistandard du lien (recul de 10 dB par rapport à la compression). C’est encore la liaison optique qui est limitative : pour un signal reçu au niveau de l’antenne de –30 dBm, il faut que le gain avant le laser ne dépasse pas quelques dB puisqu’il faut que le signal de sortie de la liaison optique soit au maximum de –25 dBm. Une solution est d’utiliser une amplification à gain contrôlé (CAG) en réception radio (Rx de l’AP). Une telle convergence conduit selon les cas à soulever des verrous à différents niveaux de la couche physique et de son architecture. Nous en avons identifié quelques uns. 5-2-3) Conversion Radio Rx ⇒ Optique En suivant la norme Wi-Fi, il faut minimiser l’EVM (« Error Vector Magnitude ») qui est lié au facteur de bruit (NF: Noise Figure) et donc à la sensibilité (bruit total + SNR) pour les faibles niveaux et aux interférences (IP3) pour les forts niveaux. La CAG doit être très performante en dynamique de gain tout en conservant un bon

facteur de bruit (ce qui n’est pas très compatible en général). La source optique doit être choisie pour minimiser le bruit ajouté pour la

transmission optique afin d’avoir un facteur de bruit (très) inférieur à 20 dB. Il est souhaitable également en même temps d’avoir un OPI3 plus important (cf. TIA).

5-2-4) Conversion Optique ⇒ Radio Tx Aucun problème technique n’a été pour l’instant à cet égard, excepté une régulation au niveau du signal RF émis (CAG) quelle que soit la puissance optique. Cela devra se faire sur le point d’accès. 5-3) Impact de la transmission optique Dans une transmission RoF pure, dans laquelle la partie optique n’est vue que comme un élément de la transmission du signal RF de bout en bout, il est important de caractériser celui-ci en termes de facteur de bruit et de dispersion. 5-3-1) SNR de transmission au sens de la liaison RF en transmission RoF Au cours de sa propagation entre une station centrale et une station de base, le signal RF subit des dégradations dues notamment aux événements suivants : transfert par modulation sur la porteuse optique, perte par transmission, pré-amplification (éventuelle) et détection. Par conséquent, les différentes contributions de bruit à considérer sont: le bruit RF d’entrée, le bruit du laser d’émission transféré jusqu’au détecteur (atténué par la ligne et

amplifié par l’amplificateur), le bruit ajouté par le préamplificateur optique, et le bruit thermique du récepteur.

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Il est bon de donner quelques ordres de grandeur et quelques voies d’amélioration du SNR de transmission en mettant en évidence certains verrous technologiques.

1) Cas d’une liaison non amplifiée avec un laser d’émission parfait La limite provient du bruit thermique du récepteur. Avec des hypothèses réalistes (puissance laser : 10mW, atténuation : 10 dB (> 20 km fibre+couplage)). Le facteur de bruit électrique résultant est d’environ +30 dB. Cette faible valeur est liée à la dissymétrie entre les conversions électronique/optique et optique/électronique.

2) Prise en compte du bruit du laser et du bruit de l’amplification transférés en

réception La limite du bruit thermique peut être améliorée en amplifiant le signal, à condition que le bruit contenu dans le signal optique (RIN, bruit d’amplification) ne prenne pas le dessus. L’amplification peut être optique (EDFA) ou électrique (APD : Photodiode à avalanche).

Par exemple, en considérant les données ci-dessus et un RIN de laser typique (laser DF Telecom : -150dB/Hz), le SNR ne dépasse pas 40 dB (plus mauvais que la limite thermique). Toute amplification optique (EDFA) ou électrique (APD) ne peut ici que dégrader le SNR.

3) Voies d’amélioration (verrous)

Une amélioration du SNR peut être atteinte en améliorant le taux de conversion électrique/optique. Ceci est rendu possible, par exemple, par l’utilisation de modulateurs à faible tension de commande (e.g. 0,1 Volt, modulateur à électro-absorption) ou de sources laser à forte efficacité de modulation conservant un bon RIN (e.g. VCSEL). Une autre voie consiste à utiliser un laser à cascade quantique (mais peu adapté au domaine Télécom cf. Thèse CIFRE Thalès [28]).

Une autre voie d’amélioration consiste à effectuer la suppression de la porteuse optique et réaliser une détection hétérodyne. En supprimant par filtrage ou modulation, la porteuse optique (ne conservant ainsi que le signal en bande de base, à la fréquence transposée, ou à la fréquence fopt ± fRF où fopt désigne la fréquence de la porteuse optique du laser et fRF désigne la fréquence de la porteuse RF du signal), il est possible d’amplifier le signal utile et de reconstituer le signal RF à la réception par battement avec un oscillateur local optique de faible bruit et non amplifié. Cette solution est complexe mais mérite tout de même d’être étudiée. On notera que cette solution propose une transposition de fréquence porteuse RF facile (exemple signal Wi-Fi transposé autour de 60 GHz). 5-3-2) Limitation de la transmission optique pour cause de dispersion Pour des raisons de coût, nous supposerons une fibre monomode standard (ayant une dispersion chromatique de 17 ps/nm/km), un laser de type Télécom à 1550 nm et une modulation d’intensité standard. Un paramètre clef vis-à-vis de la portée (distance de transmission optique maximale) est la valeur de la fréquence de la porteuse RF comme indiqué dans le Tableau 3 ci-dessous. [28] Frédéric Dross, “Sources laser à cascade bipolaire pour la modulation directe », Thèse ENST 2004.

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Fréquence de la porteuse (GHz)

Distance de transmission maximale (km)

2,5 240 5 60 10 15 40 1 60 0,3

Tableau 3. Distance de transmission optique maximale en fonction de la fréquence de la porteuse RF

La portée ne semble pas être un problème pour des fréquences comprises entre 2,5 et 10 GHz. Toutefois, cette portée reste insuffisante dans beaucoup de situations mais des solutions existent telles que : l’utilisation d’un laser à 1300 nm (au prix d’une augmentation de l’atténuation). la modulation en bande latérale unique ou en suppression de porteuse (obtenue par

filtrage ou polarisation d’un modulateur externe, cf. Figure 10 ci-avant). 5-4) Technologies d’interaction optique-hyperfréquence Dans la perspective de DataShade, un point clé concerne les technologies disponibles ou à faire évoluer pour une conversion optique-hyperfréquence directe. Comme nous l’avons vu dans le chapitre précédent, en technologie RoF, il est important de générer correctement le signal RF sur la fibre. Par ailleurs, un autre point de difficulté concerne la préservation de la qualité du signal analogique, lors de la transmission dans la fibre optique. Nous résumons ci-après les verrous technologiques liés au transit du signal RF par le canal de transmission optique.

a) Modulation de la porteuse optique

Les différentes techniques de modulation ont été résumées précédemment. En modulation directe comme en modulation externe (Figure 14), les caractéristiques-clé au niveau de l’émetteur dans la problématique de DataShade sont : la linéarité de la caractéristique de modulation éventuellement pré-compensée ; la puissance d’émission du laser et les pertes d’insertion si un modulateur externe

est utilisé ; son rendement (seuil et efficacité quantique au-dessus du seuil) ; le bruit d’amplitude du laser (RIN) ; son bruit de phase pour une modulation d’angle ; et le « chirp » du laser (en modulation directe) ou le « chirp » du modulateur (en

modulation externe).

Figure 14. (a) Modulation directe d’une diode laser, (b) Modulation externe d’une diode laser utilisant un

modulateur de type Mach-Zehnder MZM [27]

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La transmission directe de signaux dans le domaine millimétrique pose problème pour ce qui concerne la rapidité des modulateurs. La modulation directe devient inadaptée pour des fréquences supérieures à 10 GHz (bien que quelques publications signalent des modulations directes de lasers jusqu’à 40 GHz). La modulation externe peut aboutir à de très large valeur de bande passante (60 GHz ou plus) aux dépens du coût. La transposition de fréquence est préférable dans ces situations, mais celle-ci est difficile à maîtriser. Différentes combinaisons sont alors envisageables. Selon une première solution, illustrée schématiquement sur la Figure 15, à titre d’exemple illustratif, la voie descendante utilise une modulation à très haute fréquence (RF) et la voie montante une modulation plus lente en fréquence intermédiaire (IF), celle-ci étant obtenue par battement du signal RF reçu par l’antenne et un signal d’oscillateur local (LO/n) transmis depuis la station centrale et multiplié (n) au niveau de la borne radio.

Figure 15. Exemple d’architecture RoF à 60 GHz.

Cet exemple d’architecture telle que proposée dans le cadre du projet Techimage met en avant certaines difficultés rencontrées lors de la conception d’une transmission dans le domaine millimétrique. Dans ce cas, le signal RF est modulé et le signal d’oscillateur local est divisé par n. L’utilisation du diviseur de fréquence permet avantageusement de distribuer optiquement un signal d’oscillateur local de fréquence fLO/n plus faible que fLO à chaque borne radio. Dans ce cas, le signal RF et le signal d’oscillateur local sont séparés par filtrage. Les filtres ne sont pas très sélectifs, ce qui va réduire les coûts. On utilise cette fois-ci un modulateur externe de type Mach-Zehnder pour la modulation, car les fréquences sont très élevées. Le signal RF+LO/n est ensuite distribué par la fibre optique vers les bornes radios. Il y est détecté par un photo-détecteur et amplifié. Le signal est ensuite filtré pour récupérer d’une part le signal RF qui va être transmis par l’antenne vers les utilisateurs, et d’autre part le signal d’oscillateur local LO/n. Ce dernier passe par un multiplicateur de fréquence faible bruit, afin de restituer le signal d’oscillateur local LO d’origine. Le signal de l’utilisateur est ensuite reçu par la borne radio pour être transposé en fréquence (IF) pour des raisons de coût de traitement du signal. En basse fréquence, les composants sont moins chers et plus performants. Le signal IF est amplifié et va moduler directement la source laser. On n’a pas besoin dans ce cas d’un oscillateur externe Mach-Zehnder qui est très cher. Il va ensuite être transporté par une deuxième fibre optique (fibre 2) vers la station centrale et récupéré par détection directe du photo-détecteur. Exemple : On peut prendre comme exemple un signal RF à 30 GHz avec un oscillateur local à 28 GHz que l’on va diviser par 4 dans la station centrale. Le signal transmis sera un signal RF à 30 GHz plus le signal LO/n à 7 GHz, soit une fréquence intermédiaire IF dans la borne radio à 2 GHz.

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Cette architecture plus complexe fait intervenir une fréquence intermédiaire (IF) mieux adaptée à des systèmes à hautes fréquences. La station centrale et les bornes radios auront un coût plus élevé avec l’utilisation d’un modulateur Mach-Zehnder pour la station centrale et le besoin d’un amplificateur allant jusqu’à 60 GHz pour les bornes radios. Le circuit électrique est aussi plus compliqué dans les bornes radios avec la présence de filtres, d’un multiplicateur de fréquence et d’un mélangeur. L’autre problème est lié à la technologie du commutateur très cher pour des hautes fréquences. Un compromis (Figure 16) consiste à envisager une solution à deux antennes, moyennant l’apparition d’un couplage entre elles.

Figure 16. Architecture RoF à 60 GHz où l’utilisation de deux antennes évite l’emploi d’un circulateur.

Une étude complète des composants pour la conversion optique/micro-onde a été menée [29] dans le cadre du projet RNRT OPTIMM auquel on pourra se reporter utilement.

b) Filtrage RF tout optique

Les filtres micro-ondes tout optique peuvent fournir un facteur de qualité (Q-factor) élevé ainsi qu’une accordabilité en longueurs d’ondes accrues difficilement réalisable en utilisant des méthodes électroniques classiques. Par ailleurs, les filtres micro-ondes tout optique peuvent être directement intégrés à d’autres circuits de systèmes radio-sur-fibre, tels que des antennes réseaux commandées en phase optiquement, offrant ainsi la possibilité de traiter les signaux directement dans le domaine optique sans avoir à faire appel à des conversions optique/électrique et électrique/optique. Dans le cadre d’applications radio-sur-fibre [30], les filtres suivants ont été présentés:

filtres micro-ondes passe-bande tout optique utilisant un modulateur de phase électro-optique,

filtres micro-ondes passe-bande tout optique à coefficients négatifs utilisant une conversion PM-IM (« Phase Modulation to Intensity Modulation »),

des filtres micro-ondes/millimétriques à base de FBG (« Fibre Bragg Grating »).

[29] C. Minot, «Optical Microwave interactions in photonic devices», Annales de Télécommunications, Vol. 58, N°9-10, pp.1432-1458, 2003. [30] Projet ISIS : http://www.ist-isis.org/index/deliverables1.html

38

c) Génération optique de signaux RF La génération photonique de signaux RF entre 30 et 300 GHz a fait l’objet de nombreuses études jusqu’à présent. Un des avantages de générer des signaux RF optiquement est de pouvoir bénéficier de la large bande passante des composants optiques. Les lasers DFB à mode dual (DM-DFB) ont l’avantage d’être largement accordables en longueurs d’ondes et constituent de bons candidats pour fournir des générateurs optiques d’ondes millimétriques à bas coût. Les lasers Mode-Locked Quantum Dot (ML-QDL) fournissent une forte corrélation de phase entre les modes optiques longitudinaux ce qui réduire fortement la largeur spectrale RF. De tels lasers ouvrent la possibilité de réaliser des sources compactes et faibles consommatrices d’énergie pour générer optiquement des ondes millimétriques de pureté spectrale élevée.

d) Transmission optique Les difficultés liées à la transmission optique tiennent principalement à la distorsion du signal optique lié à la dispersion. On notera que l’atténuation est faible pour les distances considérées dans le cadre de DataShade, sauf dans le cas d’une distribution en étoile utilisant des coupleurs. Les fibres multi-modes sont essentiellement employées dans la distribution optique dans le cadre des réseaux domestiques (Home Network). Cette solution est permise par les faibles étendues de ce type de réseaux. A priori, cette possibilité n’est pas adaptée aux configurations examinées dans DataShade, hormis pour des cas très particuliers. Pour les fibres monomodes qui sont source de dispersion chromatique, les ordres de grandeur ont été discutés dans le chapitre précédent. Les verrous se situent principalement pour le cas des signaux millimétriques qui nécessitent impérativement la transmission séparée de la porteuse avec reconstitution par détection synchrone ou multiplication de fréquence. Les implications de cette multiplication sur les caractéristiques de bruit et de linéarité restent à étudier.

e) Composants : sources et modulateurs externes De très nombreuses sources optiques sont actuellement disponibles, mais seul un petit nombre sera adapté à notre problème de RoF pour des applications télécoms, essentiellement pour des raisons de coût. Actuellement, le compromis entre la linéarité, l’efficacité de la modulation et le bruit RIN du laser reste critique pour ce qui concerne la transmission de signaux radio normalisés de type Wi-Fi ou WiMAX, quel que soit le type de modulation envisagée (modulation directe ou externe). Une étude complète des composants pour la conversion optique micro-onde a été menée dans le cadre du projet RNRT OPTIMM auquel on pourra se reporter utilement [31]. Le Tableau 4 ci-dessous présente le résultat d’une analyse comparative des technologies d’émission/modulation les plus courantes en termes d’avantages (+) et d’inconvénients (-) vis-à-vis de différents critères.

39

Coût Puissance optique

Puissance électrique

Haute fréquence RIN

Bruit de

phase

Tolérance dispersion

(Chirp)

Minia turisation

YAG/glass lasers + Modulation

Externe -- ++ + ++ + + ++ -

Laser fibre dopée à l’Erbium -- ++ + ++ - - ++ +

Laser à semi-conducteur

+ Modulation Directe

+ + ++ + + ++ - ++

VCSEL + Modulation

Directe ++ = +++ + - - (EA)

+ (MZ) +++

Laser + Modulation

Externe - +/- + ++ ++ ++ idem +

Laser + Modulation Externe (SSB)

- +/- + - ++ ++ + +

Laser + Modulation

Externe (DSB-SC)

- +/- + - ++ ++ + +

Tableau 4. Récapitulatif des technologies d’émission/modulation optiques (réactualisation de [31]) (SSB = Single Side Band, SC = Suppressed Carrier)

L’apparition de VCSEL à 1,55 µm est intéressante en raison de leur faible coût. Ils font actuellement l’objet d’études (e.g. le projet ANR LambdaAccess). L’optimisation de VCSEL à 850 nm et à 1,28 µm en termes de vitesse de modulation, de dépendance à la température et de contrôle de la polarisation est envisagée pour améliorer les performances de transmission dans les liens radio-sur-fibre. Par ailleurs, l’utilisation de VCSEL à 1300 nm semble particulièrement avantageuse pour les futurs systèmes radio-sur-fibre notamment en raison d’un couplage laser-fibre efficace, d’une faible consommation électrique et d’une fabrication rentable. Les VCSEL peuvent être utilisées comme sources optiques directement modulées par des signaux RF de fréquence inférieure à 10 GHz. La modulation externe avec des composants discrets est coûteuse pour cette application. La nouvelle génération de composants intégrés comprenant laser et modulateur pourrait résoudre ce problème. A titre d’exemple, la transmission de signaux WiMAX (IEEE 802.16e) a été effectuée à travers une fibre multi-modes d’une longueur d’environ 400 m par modulation directe d’un laser VCSEL à 850 nm [32].

[31] C. Minot, «Optical Microwave interactions in photonic devices», Annales de Télécommunications, Vol. 58, N°9-10, pp.1432-1458, 2003. [32] Projet ISIS Deliverables : http://www.ist-isis.org/index/deliverables1.html

40

Figure 17. Exemple de réalisation d’émetteur/récepteur pour la transmission de signaux WiMAX sur fibre

multi-modes [33]

Dans le cadre du projet WEIRD, des liens bi-directionnels opérationnels ont été déployés sur le terrain pour la transmission de signaux WiMAX [34].

f) Composants de photo-détection Il y a peu de développements spécifiques dans ce domaine, seulement une adaptation aux longueurs d’onde télécom. On retrouve les solutions habituelles des photodiodes et phototransistors. Le compromis est classiquement entre bande passante et sensibilité de la réponse. En outre, les détecteurs doivent supporter des puissances optiques en réception de plusieurs dizaines de mW. Ceci explique pourquoi les détecteurs sont souvent équipés d’un guide permettant un couplage évanescent (photodiodes à ondes progressives) permettant d’augmenter la bande passante. Plusieurs options sont compatibles avec le haut débit et ont déjà fait l’objet de démonstration avec des bandes passantes au-delà de 60 GHz en utilisant notamment des transistors à hétéro-jonction ou des photo-oscillateurs. Une comparaison des technologies les plus courantes est donnée dans le Tableau 5 ci-dessous présentant les leurs avantages (+) et inconvénients (-).

Réponse Bande passante

Puissance de saturation

Fréquence maximum

Tolérance format de codage

Lumped photodiodes + + + + ++

Traveling-wave photodiodes + ++ ++ ++ ++

Photo-oscillators ++ - + + -

Tableau 5. Récapitulatif des avantages des technologies de détection [35].

En conclusion, aucun verrou technologique insurmontable n’a été identifié de ce côté. Toutefois, on notera que le développement de photo-diodes à ultra-large bande et capables de générer des signaux de sortie de puissance élevée dans le domaine millimétrique reste

[33] Projet ISIS : Deliverables D1.12 §3.2: http://www.ist-isis.org/index/deliverables1.html [34] Projet WEIRD : Deliverable 5.2 : http://www.ist-weird.eu/documents/md_946_d5.2.doc [35] C. Minot, «Optical Microwave interactions in photonic devices», Annales de Télécommunications, Vol. 58, N°9-10, pp.1432-1458, 2003.

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particulièrement difficile. A cet égard, une photo-diode PIN à guide d’onde présentant une bande passante à 3dB de 100 GHz a été réalisée en optimisant son packaging. Des photodiodes UTC (« Uni-Travelling-Carrier ») ayant des puissances de sortie élevées et des bandes passantes supérieures à 100 GHz ont été développées dans le cadre du projet ISIS. En vue de réduire les coûts de fabrication, l’utilisation de GaNAsSb ou de GaInAsSb dilué a été proposée comme une alternative aux composés à base de InP pour la fabrication de composants tels que des photo-détecteurs et commutateurs photo-conducteurs (principalement car le substrat GaAs a un coût plus faible et les procédés de fabrication de dispositifs à base de GaAs sont plus avancés). A titre d’exemple, un photo-détecteur PIN à base de GaNAsSb/GaAs à 1.3 µm comme illustré à la Figure 18 a été implémenté et testé pour la transmission de données à 5 Gbits/s dans le cadre du projet ISIS [36].

Figure 18. Exemple d’intégration d’un photodétecteur sur GaNAsSb/GaAs [36]

g) Exemples d’intégration monolithique

L’intégration monolithique de photo-détecteurs (et autres dispositifs optoélectroniques) à faible coût reste un élément clé pour le développement de systèmes d’accès sans fil large bande en particulier dans le domaine millimétrique. Toutefois, l’intégration de photo-détecteurs avec des structures d’antennes planaires adaptées en impédance demeure un facteur limitant l’implémentation de composants hybrides intégrés. A cet égard, il serait peut-être possible d’utiliser du verre en tant que substrat pour la co-intégration de dispositifs optique et micro-onde/millimétrique [36]. Toutefois, il reste à savoir d’une part si l’interconnexion des dispositifs optiques intégrés sur semi-conducteur est réalisable sur du verre optique (possibilité d’adapter les modes) et d’autre part si les lignes de propagation micro-ondes/millimétriques peuvent être réalisées sur un tel substrat de manière à assurer l’interconnexion. En France, l'Institut de Microélectronique Electromagnétisme et Photonique et le LAboratoire d'Hyperfréquences et de Caractérisation (IMEP-LAHC [38]) basé à Grenoble

[36] Projet ISIS : Deliverables D1.12 §3.2: http://www.ist-isis.org/index/deliverables1.html

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est actif dans le domaine des réseaux hybrides optique-radio transparents pour assurer la mobilité des terminaux sans fil. En particulier, l’IMEP-LAHC a développé une compétence dans l'intégration monolithique des circuits micro-ondes avec des composants photoniques tels que les photodiodes et les phototransistors à hétérojonction ((O)MMIC : (Optical) Microwave Monolithic Integrated Circuits) pouvant être avantageusement utilisés pour la conception de système radio sur fibre. A ce jour, l’intégration des circuits suivants a été réalisée : circuits 3T-PTH pour la détection optique-microonde, mélangeur opto-microonde [37], mélangeur micro-onde, tripleur de fréquence, modulateur à réjection d'oscillateur local et de bande latérale basse, préamplificateur à très large bande pour photodiode ou à des mélangeurs à large bande, filtre ultra-large bande, générateur de signaux à ultra-large bande, récepteur intégré millimétrique (140 GHz). Un exemple d’intégration monolithique est donné sur la Figure 19 ci-dessous.

Figure 19. Exemple de composants micro-ondes intégrés (MMIC) réalisés par l’IMEP [38]

(mélangeur en bande Ka à réjection de RF basse et OL à 30GHz).

Signalons également l’existence du projet BILBAO (Borne d’Infrastructure Large Bande avec Accès Optique) étudiant la distribution de signaux de communication Ultra Large Bande (UWB) par fibre optique, l’IMEP se propose de concevoir un système hybride optique-radio transparent avec de multiples points d'accès permettant de résoudre les problèmes de nomadisme dans les réseaux sans fil.

h) Antennes photoniques Un prototype de transducteur optique/micro-onde comprenant un AFPM (Asymmetric Fabry-Perot Modulator) et une antenne photonique intégrée de type EBG (Electromagnetic Band Gap) a été implémenté et testé pour transmettre des données selon le protocole IEEE 802.11a sur de courtes distances (réseau domestique). L’AFPM combine un modulateur EAM (Electro-Absorption Modulator [39]) et une photo-diode [40]. De manière avantageuse, l’AFPM est insensible à la polarisation et peut être utilisé aussi bien avec des fibres mono-mode que des fibres multi-modes. Cette solution intégrée permet une amélioration d’adaptation d’impédance (faibles pertes d’insertion) tout en bénéficiant d’un coût de fabrication réduit par rapport aux solutions classiques.

[37] C. Rumelhard, L. Paszkiewicz, “Opto-microwave transducer with suppression of local oscillator signal and system using same”, demande de brevet internationale WO/2003/061113. [38] http://imep-lahc.grenoble-inp.fr/index.jsp. [39] A. Ramdame, F. devaux, N. El Dahdah, G. Aubin, « Fibre applications of MQW electro-absorption modulators » Annales des Télécommunications, Vol. 58, N°9-10, pp. 1459-1484, 2003.

43

Figure 20. Exemple d’intégration d’une antenne et d’un AFPM [40]

5-5) Rayonnement hyperfréquence et propagation L’antenne est un élément incontournable d’un système de télécommunications sans fil. Ses performances peuvent grandement contribuer à la figure de mérite de l’ensemble du système par son gain, son diagramme de rayonnement et la possibilité de reconfiguration de son rayonnement. Son bruit contribue aussi à dégrader les performances (débit) du système global. Dans l’application envisagée, les antennes pourraient fonctionner dans une bande de quelques GHz autour de 60 GHz soit un fonctionnement à relativement bande étroite (~10%). 5-5-1) Caractéristiques des antennes Gain : Le gain d’une antenne exprime sa capacité à rayonner une certaine intensité (ou densité de puissance) dans une direction donnée par rapport au rayonnement d'une antenne à rayonnement isotrope avec la même puissance fournie à leurs bornes. Le gain supérieur à l'unité contribue ainsi à élever la figure de mérite d'un système de télécommunication. Il est proportionnel à la dimension électrique de l'antenne. Par conséquent, il démontre l'impossibilité d'avoir un grand gain avec une antenne de petite taille. D'autre part un grand gain signifie une grande directivité, ce qui élimine l'utilisation de telles antennes pour une application qui nécessite une zone de réception (ou d'émission) sur un grand angle solide, application envisagée ici. Largeur de bande : La définition de la largeur de bande est principalement définie par la tenue de son adaptation par rapport à sa ligne d'alimentation et le générateur en fonction de la fréquence. On adopte en général un TOS ≤ 2 soit environ un maximum de 10% de la puissance perdue par désadaptation, due principalement au changement d'impédance de l'antenne avec la fréquence. Cette définition dépend de l'application. Si celle-ci met l'emphase sur le diagramme de rayonnement, le niveau maximum des lobes secondaires, de la polarisation croisée ou le gain, on définira sa largeur de bande par rapport au paramètre

[40] C-H. Chuang, C-P. Liu, T. Ismail, W. Xiaojing; Hao Yang, C. Parini, P.G. Huggard, A.B. Krysa; J.S. Roberts, A.J. Seeds, "IEEE 802.11a Data Over Fiber Transmission Using Electromagnetic Bandgap Photonic Antenna With Integrated Asymmetric Fabry–PÉrot Modulator/Detector", Journal of Lightwave Technology, vol.26, no.15, pp.2671-2678, Aug.1, 2008.

44

pertinent. Le respect d'une valeur de plusieurs sur une largeur de bande doit faire l'objet de techniques d'optimisations élaborées, ceux-ci n'étant pas indépendants. Bruit : Le bruit additionnel dû à l'antenne est composé de son bruit thermique propre dû aux pertes (conducteurs et/ou substrats) et du bruit environnemental capté par l’antenne. Ce dernier va dépendre de la direction de pointage et de la nature du milieu où l’antenne pointe. L'antenne étant le premier élément de la chaîne de réception, son niveau de bruit est crucial pour la figure de mérite de l'ensemble, selon son gain. 5-5-2) Antennes millimétriques De nombreux travaux portent sur la conception d'antennes millimétriques (f > 20 GHz). Dans la littérature, on trouve diverses catégories d’antenne travaillant dans la bande de fréquences des 60 GHz. Ces antennes peuvent être de type guide d’onde [41], à réflecteur [42], à lentille [43], patch [44-45], ou encore antenne patch sur du multicouche [46]. Dans le cas préconisé, le gain de l'antenne dépendra du choix de la taille des cellules mais en tout état de cause ne sera pas très élevé. De fait on s'orientera certainement vers des solutions de type planaire (patch ou doublet imprimé sur substrat). La mise en réseau d'éléments peut aussi être envisagée pour configurer le rayonnement selon la conception des cellules. Dans tous les cas présentés, le rendement reporté est supérieur à 60% (rapport entre puissance fournie et rayonnée) et des gains sont compris entre 5 et 12 dBi sur la bande de fréquence autour de 60 GHz. 5-5-3) Verrous théoriques et technologiques La conception des antennes requiert de façon générale des outils de simulation efficaces qui soient capables de prendre en compte les hétérogénéités et pertes de la structure et dans une certaine mesure l'environnement proche de l'antenne (support, circuit d'alimentation etc..). En effet, ces aspects deviennent encore plus importants lorsqu'on s'approche de la bande millimétrique. Il existe actuellement des logiciels commerciaux capables de produire des résultats fiables dans la plupart des applications. Si l'antenne requiert l’utilisation de matériaux spéciaux (méta substrat, ferrite, etc.), seuls des logiciels développés dans les laboratoires de recherche peuvent apporter une solution. L'application envisagée ici ne devrait pas faire appel à ce genre de milieux et la largeur de bande relativement faible ne devrait pas non plus apporter de difficulté dans la conception des antennes. Cependant, il faudra que les antennes proposées aient une certaine compacité et s'intègrent dans l'environnement. Cela nécessite des solutions technologiques moins évidentes impliquant une intégration sur le même substrat (Figure 21). Les logiciels d'aide à la conception de circuits RF tels que Agilent ADS–Ansoft Designer permettent l'insertion de modèles d'antenne (au travers leur impédance par exemple et leur bruit). Enfin, la mesure d'antennes [41] M. Ando, « System Integrations Of Planar Slot Array Antennas for Millimeter Wave Wireless Systems », Dep. Electrical & Electronic Eng., Tokyo IT S3-19, 2-12-1 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo 152-8552, Japan, [42] Wolfgang Menzel, « A Common Aperture, Dual Frequency Printed Antenna (900 MHz and 60 GHz) » Electronics Letters, Vol. 37, No. 17, pp. 1059 – 1060, 16th August 2001 [43] F. Gallée, G. Landrac & M. Ney, "Artificial Lens for Third-Generation Automotive Radar Antenna at Millimetre-Wave Frequencies", Proceedings IEE, Microwaves Antennas & Propagation, Vol. 150, pp. 470-476, 2003. [44] D. Cadoret, “Design and measurement of new reflectarray antenna using microstrip patches loaded with slot”, Electronics Letters, Vol. 41 No. 11, 26th May 2005. [45] C. Kärnfelt et al., « High Gain Active Microstrip Antenna for 60-GHz WLAN/WPAN Applications », IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 54, No. 6, pp. 2593-2603, June 2006. [46] J.A.G. Akkermans, « Design of a millimeter-wave balanced-fed aperture-coupled patch antenna ». Proc. EuCAP 2006, ESA SP626, Nice, France, November 2006.

45

plutôt omnidirectionnelles à 60 GHz est aussi un défi quant à l'élimination des rayonnements parasites produits par les supports, ainsi que le positionnement du centre de phase.

Figure 21. Démonstrateur pour conversion opto-mm ((6600 GGHHzz))..

5-5-4) Propagation La propagation du signal radio ne s'effectue pas dans un environnement idéal (espace libre). Les structures environnantes peuvent provoquer des réflexions qui affectent la réception, même si à 60 GHz, l'absorption par l'atmosphère est maximum. Cela dépendra donc de la taille de la structure contenant le système radio. En effet, on peut supposer que dans un grand hall, les réflexions auront un impact négligeable par rapport à une configuration de type petite pièce ou dans un tunnel. Ces réflexions multiples auront alors un effet sur les performances du canal. Il sera donc nécessaire d'inclure un modèle de propagation assez réaliste dans l'évaluation des performances du système. Il existe actuellement des logiciels permettant de caractériser un canal de propagation dans un environnement intra bâtiment ou urbain plus ou moins complexe. Finalement, il est à noter que les réflexions multiples peuvent être utilisées pour améliorer les performances du canal par l’utilisation de plusieurs antennes et des algorithmes de traitement d’antennes (système MIMO, SIMO ou MISO). Cette technique requiert un espace permettant le positionnement de plusieurs antennes sur la station fixe et/ou le mobile. 5-6) Développement durable La conception de nouvelles solutions d’accès hybrides doit désormais prendre en compte des impératifs liés au développement durable. A cet égard, les technologies Radio-sur-Fibre apparaissent comme des solutions particulièrement avantageuses pour réduire la consommation énergétique des terminaisons des réseaux d’accès radio (RAN). De manière générale, les terminaisons doivent assurer un certain nombre de fonctions telles que des conversions optoélectroniques, conversions de fréquences, amplifications, émission et réception radio. Classiquement, les lasers (DFB, VCSEL) assurent la conversion des signaux électriques sous forme optique, les photo-diodes assurent la conversion des signaux optiques sous forme électrique, des mélangeurs RF sont utilisés pour réaliser les conversions de fréquence, des antennes RF assurent les fonctions d’émission/réception radio au sein d’une terminaison hybride, comme illustré schématiquement sur la Figure 22 ci-dessous.

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Terminaison Hybride

O/E: Conversion Opto-électronique CF: Conversion de Fréquences A: Amplification Tx/Rx: Emission/Réception RF

Réseau optique

Lien Montant

Lien Descendant

Rx

Tx

A

A

CF*

CF*

O/E

O/E

Figure 22. Fonctions implémentées au niveau d’une terminaison hybride

* La conversion de fréquences (IF RF ou RF IF) est nécessaire dans une architecture de type « IF-over-Fibre » lorsque la fréquence de la porteuse utilisée pour le lien radio se situe au-delà de 10 GHz ou dans le domaine millimétrique. Selon une approche classique, cette conversion de fréquence nécessite l’utilisation d’un oscillateur local (LO) ce qui est relativement consommateur en énergie. Afin de réduire la consommation énergétique de chaque terminaison des réseaux hybrides, différentes approches vont être décrites brièvement ci-après. Ces approches ne s’excluent pas mutuellement mais peuvent être éventuellement combinées. 5-6-1) Meilleure couverture cellulaire Une première approche consiste à réduire la taille des cellules de couverture dans le cadre d’un déploiement pico-cellulaire (voire femto-cellulaire) tel qu’envisagé dans le cadre de DataShade. A titre illustratif, la Figure 23 ci-dessous illustre un exemple d’architecture d’un système cellulaire d’antennes distribuées. La réduction de la taille des cellules permet de minimiser les puissances d’émission radio au niveau de chaque antenne et par conséquent de réduire considérablement les besoins énergétiques de chaque terminaison. Ceci s’applique également aux terminaux mobiles dont l’autonomie énergétique reste actuellement problématique. En couvrant l’espace par un nombre élevé de cellules de rayon réduit, les systèmes cellulaires à base d’antennes distribuées (DAS) permettent d’atteindre un rendement de puissance amélioré en comparaison avec un système cellulaire classique qui utiliserait des cellules de taille plus élevée. Il a été montré que ce rendement est amélioré d’un facteur η défini selon l’expression suivante [47]:

2

131271

α

πη

−=

où α désigne l’exposant de l’affaiblissement de propagation définit par L=dα, où d désigne la distance de propagation de l’onde radio (correspondant au plus au rayon d’une cellule).

47

[47] Honglin Hu, Yan Zhang, Jijun Luo, “Distributed Antenna Systems: Open Architectures for Future Wireless Communications”, §3.2.3 Power Efficiency of DASs, page 68, Auerbach Publications 2007.

Figure 23. Exemple d’une architecture cellulaire avec antennes distribuées [47].

Les faibles puissances d’émission radio ne nécessitent pas nécessairement l’utilisation d’un étage d’amplification précédant l’antenne de rayonner l’énergie RF dans un rayon de 10 m à 20 m selon le standard utilisé. De ce fait, l’utilisation de sources d’énergie renouvelable (énergie solaire ou éolienne) devient envisageable pour alimenter chaque terminaison dans le cadre de communications radio à courtes distances. Chaque terminaison devient alors autonome énergétiquement et peut être donc installée dans des zones ne bénéficiant ou n’autorisant aucune infrastructure d’alimentation électrique classique. Pour cela, des capteurs photovoltaïques à base de GaAs de dernière génération pouvant atteindre des rendements énergétiques de 50% sont désormais disponibles grâce aux améliorations de fabrication et des matériaux utilisés [48]. Chaque terminaison est ainsi auto-alimentée sans faire appel à une source d’énergie « extérieure » (centralisée ou non). Ensuite, la réduction de la taille des cellules permet un découpage plus fin de l’espace à couvrir. Ceci présente l’intérêt de pouvoir diffuser l’énergie RF de manière optimale, c’est-à-dire en se limitant à des zones restreintes et plus précisément là où les utilisateurs actifs sont présents. L’énergie peut être utilisée d’autant plus efficacement qu’une allocation dynamique des ressources est réalisée en fonction de la présence d’utilisateurs actifs au niveau de chaque terminaison. Ainsi, seulement un nombre limité de terminaisons est activé simultanément, le reste des terminaisons étant inactives. Dans ce cas, il convient d’implanter au niveau de chaque terminaison un processus de mise en veille visant à empêcher toute émission de signaux RF tant qu’aucun terminal mobile n’émet de requêtes de connexion au sein de la zone couverte par ladite terminaison. Ainsi, chaque terminaison reste « muette » mais maintenue en état d’ « écoute », de manière à détecter les éventuelles requêtes des utilisateurs.

[48] J.-G, Werthen, M. Cohen, "Photonic Power: Delivering Power Over Fiber for Optical Networks," International Conference on Photonics in Switching 2006, pp.1-3, 16-18 Oct. 2006.

48

5-6-2) Télé-alimentation optique Une deuxième approche consiste à télé-alimenter par voie optique des équipements distants dans un réseau optique dans le but de s’affranchir des câbles d’alimentation électrique. Cette approche connue sous le nom de « Power over Fibre » a déjà fait l’objet de nombreuses études [49], [50], [51] et a été récemment considérée pour alimenter des terminaisons distantes d’un réseau d’accès radio-sur-fibre [52], [53]. Le signal de télé-alimentation optique et le signal portant les données peuvent être transmis séparément (lien dédié) ou bien simultanément (lien partagé) sur un même lien optique.

a) Lien dédié La transmission de haute qualité de signaux (64-QAM OFDM à 54 Mb/s selon IEEE 802.11g) entre une station centrale (Central Unit) et une terminaison (Remote Antenna Unit) a été réalisée en utilisant des niveaux de puissance optique relativement modestes au niveau de la station centrale (≤ 250 mW) et une fibre multi-modes dédiée pour la transmission du signal d’alimentation. Dans ce cas, il serait possible d’alimenter optiquement jusqu’à 8 terminaisons [54].

Figure 24. Exemple d’architecture d’un système radio-sur-fibre

avec télé-alimentation optique utilisant un lien optique dédié [54].

[49] Thomas C. Banwell et al., “Powering the Fiber Loop Optically – a Cost Analysis”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 11, No. 3, March 1993. [50] J.-G. Werthen, S. Widjaja, T.-C. Wu, and J. Liu, “Power over fiber: a review of replacing copper by fiber in critical applications”, Proc. SPIE 5871, 58710C (2005), DOI:10.1117/12.619753 [51] Werthen, J.-G., "Powering Next Generation Networks by Laser Light over Fiber," Conference on Optical Fiber communication/National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC) 2008, vol., no., pp.1-3, 24-28 February 2008 [52] Wake, D.; Gomes, N.J.; Lethien, C.; Sion, C.; Vilcot, J.-P., "An optically powered radio over fiber remote unit using wavelength division multiplexing," International Topics Meeting on Microwave Photonics MWP/APMP 2008 jointly held with the 2008 Asia-Pacific Microwave Photonics Conference 2008, vol., no., pp.197-200, Sept. 9 2008-Oct. 3 2008 [53] Wake, D. Webster, M., “Optical Fiber Communications Method without a Remote Electrical Power Supply”, Brevet US 7 469 105, December 23, 2008 [54] Wake, D.; Nkansah, A.; Gomes, N.J.; Lethien, C.; Sion, C.; Vilcot, J.-P., "Optically Powered Remote Units for Radio-Over-Fiber Systems," Journal of Lightwave Technology, vol.26, no.15, pp.2484-2491, August 1, 2008

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Figure 25. Exemple d’architecture d’une terminaison d’un système radio-sur-fibre

avec télé-alimentation optique utilisant un lien optique dédié [54].

b) Lien partagé

L’utilisation d’une même fibre multi-modes pour le transport simultané d’un signal d’alimentation optique et d’un signal de données (64-QAM OFDM à 2.5 GHz) a également été démontrée en utilisant la technique de multiplexage WDM. Dans ce cas, aucune dégradation de performance due à la présence du signal d’alimentation n’a été constatée [52], à l’exception des pertes occasionnées dues à l’introduction des composants WDM.

Figure 26. Transmission simultanée d’un signal d’alimentation optique et d’un signal de données [52].

Une troisième voie consiste à développer des dispositifs hybrides intégrés, en intégrant des composants photoniques, opto-électroniques et radiofréquences (antennes) sur un même substrat (intégration monolithique du type OEIC «Optical Electrical Integrated Circuit») et/ou en combinant différentes fonctions au sein d’un même dispositif intégré. 5-6-3) Intégration des composants hybrides

a) Intégration des antennes Nous avons déjà vu au paragraphe 5-5-2 que différentes options pouvaient être envisagées. Les antennes dipolaires/à fente sont par nature omni-directionnelles et par conséquent présentent un fort couplage avec leur environnement. Ce couplage provoque de sévères dégradations de performances telles qu’une diminution du rendement (due à l’excitation de modes d’ondes de fuite). Par conséquent, ce type d’antenne ne semble pas a priori

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envisageable pour être intégrée au niveau d’une terminaison [55]. Des antennes patch multi-couches à larges bandes passantes, à gains et rendements élevés (>90%) sont désormais disponibles tels que : « hi-lo stacked patch » (rendement >95%) et « aperture coupled stacked patch ». Une solution intéressante pouvant être envisagée est l’intégration d’un modulateur APFM et d’une antenne photonique illustrée sur Figure 27. Un transducteur optique/micro-onde comprenant un AFPM (« Asymmetric Fabry-Perot Modulator ») et une antenne photonique planaire intégrée de type EBG (« Electromagnetic Band Gap ») a été réalisé et testé pour transmettre des données selon le protocole IEEE 802.11a sur de courtes distances. L’AFPM combine un modulateur EAM (Electro-Absorption Modulator) et un photo-détecteur (photo-diode) [56]. L’AFPM permet une amélioration d’adaptation d’impédance (faibles pertes d’insertion) augmentant ainsi son rendement énergétique.

Figure 27. Vue de dessus de l’antenne photonique EBG intégrée avec l’APFM.

Un autre exemple d’intégration consiste à intégrer des fonctions de conversion opto-électronique (un laser, une photodiode) et des fonctions d’émission/réception radio (antenne photonique). A titre d’exemple, un transducteur hybride intégrant un VCSEL une photodiode, une antenne photonique et une interface optique compatible avec des fibres monomode ou multimodes (PhAIA : « Photonic Active Integrated Antenna » a été développé [57] et testé dans une transmission radio-sur-fibre pour la transmission de signaux Wi-Fi (IEEE 802.11g) [58]. Une adaptation d’impédance entre les composants opto-électronique et antennes permet d’optimiser le rendement énergétique du transducteur [58]. Ce transducteur hybride présente l’avantage de ne pas nécessiter d’étage d’amplification électrique pour de faibles [55] Waterhouse, Rod; Novak, Dalma, "Efficient antenna/electro-optic front-ends for fiber radio applications," 21st Annual Meeting of the IEEE Lasers and Electro-Optics Society, 2008. LEOS 2008. vol., no., pp.81-82, 9-13 Nov. 2008 [56] Chin-Hsiu Chuang, Chin-Pang Liu, T. Ismail, Xiaojing Wang, Yang Hao, C. Parini, P.G.Huggard, A.B. Krysa, J.S. Roberts, A.J. Seeds, "IEEE 802.11a Data Over Fiber Transmission Using Electromagnetic Bandgap Photonic Antenna With Integrated Asymmetric Fabry–PÉrot Modulator/Detector," Journal of Lightwave Technology, vol.26, no.15, pp.2671-2678, Aug.1, 2008 [57] Cryan Martin, « Wireless/Optical Transceiver Devices », demande de brevet internationale WO 2005/107106 [58] Sittakul, V.; Cryan, M.J., "Photonic active integrated antennas (PhAIAs) using lossless matching for 2.4-GHz wireless-over-fibre systems," Conference on Lasers and Electro-Optics, 2008 and 2008 Conference on Quantum Electronics and Laser Science. CLEO/QELS 2008., vol., no., pp.1-2, 4-9 May 2008

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portées radio (environ 8m). Toutefois, l’utilisation d’amplificateurs RF peut être utilisée pour augmenter cette portée. Dans ce cas, il est nécessaire d’avoir une source de courant continu au niveau de la terminaison. De toute façon, il est nécessaire d’alimenter le laser VCSEL sur la voie montante. A cet effet, une solution de type « Power over Fibre » peut-être envisagée. Cette solution consiste à transporter un signal d’alimentation sous forme optique qui est converti sous forme d’énergie électrique au niveau de la terminaison puis stockée dans une batterie ou pile.

VCSEL Via hole

PatchGround Plane

Fibre Via hole

ModulatedLight Out

RF in

Figure 28. Architecture schématique d’un transducteur hybride PhAIA [59]

5-7) Conclusions sur les principaux verrous de la couche physique Dans les réseaux identifiés par DataShade, la qualité de la couche physique a un impact crucial sur les couches réseau, compte tenu du choix de privilégier des solutions analogiques du type RoF. Pour ce qui est de la couche physique sur laquelle nous avons concentrés nos efforts, la partie optoélectronique est le principal facteur limitant le bon fonctionnement d’un système RoF. La partie RF peut en partie compenser cette dégradation, mais au détriment d’une complexité accrue et sans doute d’un coût important. Ce point renvoie à la question du report d’une partie de l’intelligence sur la terminaison. Ce report ne doit, si possible, pas se traduire par une réduction des fonctionnalités ou une dégradation de la qualité de service. Toutefois, il est clair que la question économique, non abordée au cours de cette étude, ne peut être ignorée. Nous avons vu notamment dans la partie relative aux technologies optiques, que les fonctions clé de modulation (laser, laser & modulateur) restaient des fonctions sophistiquées d’un point de vue technologique si l’on voulait garantir de bonnes performances et demeurent donc coûteuses. L’aspect économique n’est toutefois pas le seul à prendre en compte aujourd’hui. Il doit s’accompagner de considérations liées à la santé et au développement durable. Nous avons insisté sur le fait que les systèmes mis en place doivent désormais prendre en compte des contraintes relatives à la consommation énergétique et que de ce point de vue, les solutions offrant un maximum d’intégration monolithique présentent un gros intérêt (pour exemple, les nombreuses initiatives européennes pour créer des consortia dans ce sens). De la même manière au niveau des terminaisons RF, la question du rendement de couverture se pose, pouvant être, dans certains cas, doublée de problème de santé publique liée au rayonnement. Ces aspects doivent impérativement rentrer en ligne de compte dans une ingénierie globale, intégrant des critères de développement durable. Il est également impératif d’assurer l’interopérabilité, la réduction des coûts d’infrastructure et de dimensionnement, spécifications clé dans l’ingénierie des réseaux hybrides [59] : PhAIA Low-cost optical Transceivers: www.bris.ac.uk/research/techtransfer/scilicopps/vcselantenna.doc

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d’aujourd’hui. Afin de fixer les idées, nous avons proposé des scénarii types et nous avons constaté que certaines configurations, impliquant une forte densité de connexions avec des débits élevés, étaient ouvertes à discussion quant à leur mise en œuvre. On peut penser que le déploiement irréversible de la fibre optique va permettre de fournir de la ressource en débit également pour des applications de nomadisme et de mobilité. On peut penser que l’utilisateur lambda voudra disposer, dans ces situations, des mêmes services dont il bénéficie déjà chez lui. Ce besoin combiné à l’augmentation de configurations d’accès multiples et multi-standards, à la densité sans cesse croissante du nombre d’usagers (scénarios 2 et 3 notamment) est susceptible de créer des points chauds technologiques dont certains ont été signalés par DataShade. Dans un tel contexte, il est clair que l’optimisation d’un aspect de la couche physique, notamment dans une approche RoF, ne peut se faire sans considération de l’impact de cette optimisation sur les autres parties du réseau et requiert plus que jamais une véritable ingénierie globale (e.g. report sur le nombre d’antennes d’un problème de modulation et d’amplification haut débit). Ceci est une des confirmations majeures de DataShade qui doit conforter l’Institut dans la nécessité de renforcer une telle compétence en interne. Une telle expertise passe par la création indispensable d’outils appropriés au dimensionnement de tels réseaux, les plus réalistes possibles, passant par la réalisation d’une plate-forme logicielle permettant, en modélisant au mieux la couche physique, de pouvoir l’interfacer efficacement aux couches supérieures de modélisation du réseau. Idéalement cette plate-forme logicielle doit être complétée par une plate-forme matérielle permettant d’évaluer, dans des conditions les plus proches de la réalité, des solutions technologiques existantes ou de nouvelles fonctions issues des laboratoires de recherche. 6) Enjeux pour l’Institut, points forts, recommandations 6-1) Enjeux et principaux acteurs nationaux Face aux problématiques évoquées par DataShade, l’Institut Télécom dispose de nombreux atouts. Son atout majeur est la relative complétude de la chaîne de compétences dans un secteur fortement multidisciplinaire. Cela concerne les usages et les protocoles aussi bien que les architectures de réseaux, en passant par la conception de systèmes et de fonctions allant jusqu’à une connaissance approfondie des aspects technologiques. A notre connaissance, cette spécificité et multidisciplinarité sont sans équivalent dans la sphère publique en France. Il nous semble donc crucial de maintenir voire de renforcer une composante liée aux technologies support (sous l’angle des outils de modélisation comme celui des recherches sur la physique) pour tirer pleinement partie de l’originalité de l’approche de tels problèmes. Car pour l’instant seulement quelques équipes françaises et européennes se positionnent sur cette problématique, impliquant la réalisation de fonctions hybrides monolithiques très souvent couplées à des expérimentations de terrain. Nous avons vu toutefois que certains choix technologiques restaient ouverts, notamment en ce qui concerne les interfaces optique-radiofréquence. Pour résumer, la transmission simultanée d’une grande variété de standards sans fil via une infrastructure hybride unifiée apparaît actuellement comme un enjeu majeur pour le développement des futures générations de systèmes de communication sans fil, pour faire face notamment aux évolutions des besoins et assurer leur viabilité économique. En effet, la

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technologie RoF rend possible l’unification des réseaux de communication optiques et radio-fréquences en alliant une centralisation du traitement des signaux radio-fréquences et une distribution optique de ces signaux à un ensemble de points d’accès distribués selon une structure pico-cellulaire. C’est le point de vue suivi par DataShade. Ceci suppose également un gros travail d’ingénierie et d’intégration de composants hybrides à bas coût, tels que photo-détecteurs et lasers en modulation directe, connectés à des liens à base de fibres optiques multi-modes ou plastiques, qui ouvrent désormais la possibilité de fournir des solutions durables et économiquement rentables dans un futur proche. On trouve au niveau national les acteurs historiques, à savoir les grands organismes de recherche comme le LAAS, l’IEMN, l’XLIM, le CEA, ainsi que le CNRS en particulier l’équipe IMEP de l’INPG très active dans ce domaine. Au niveau industriel, on trouve naturellement Orange Labs, Alcatel-Lucent, Mitsubishi, Thalès (Airborne Systems et TCF) mais aussi IFOTEC. 6-1-1) Exemples de projets structurants et de plates-formes • ANR-BILBAO « Borne d'Infrastructure Large Bande avec Accès Optique », 2006-2008 Partenaires académiques : INPG-IMEP-LAHC, CEA-LETI, CNAM & ESIEE-ESYCOM et industriels : Orange Labs, Mitshubishi-Electric ITE-TCL, IFOTEC. Objectifs : Le projet BILBAO vise à développer des solutions hydrides UWB sur fibre multi-mode à bas coût et basées pour les réseaux domestiques. Résultats : Le projet a permis de mettre en place des outils de simulation de systèmes UWB sur fibre et d’étudier l’impact des non-linéarités des transducteurs optoélectroniques sur les formes d’ondes UWB. Des filtres large bande UWB miniaturisés ont été développés. Par ailleurs, un démonstrateur final à faible coût permettant l’émission et la réception de signaux UWB transportés par fibre optique à très haut débit a été implémenté en partenariat. • NoE IST-ISIS : “InfraStructures for Broadband Access in Wireless/Photonics & Integration of Strengths in Europe”, 2006-2008

http://www.ist-isis.org

Partenaires académiques: IMEP-INPG-CNRS (F), Universität Duisburg Essen (D), Universities of Kent & Leeds, University College London (GB), Vrije Universiteit Brussel (BE), Budapest University of Technology & Economics (HU), Instituto de Telecomunicações (PT), Chalmers University of Technology, Kista Photonics Research Center (SE), Université d’Ottawa (CA), Nanyang Technological University (SG), Eindhoven University of Technology (NL), Universidad Politecnica de Valencia (ES). Partenaires industriels: THALES, Alcatel Thales III-V Lab (F), Agilent Technologies (D), SELEX Sistemi Integrati S.p.A. (IT).

Objectifs : ISIS vise le développement des solutions d’accès hydrides à très haut débit et à faible coût, en incluant les technologies optiques/radio-fréquences dans un large éventail de plateformes et en mutualisant les ressources et compétences à l’échelle de l’Europe. ISIS implique la mise en place des plates-formes suivantes :

plateforme «systèmes» regroupant un banc d’essai sur le terrain et plusieurs bancs de test visant à étudier diverses architectures et fonctions pour les transmissions radio-sur-fibre ;

54

plateforme «caractérisation» regroupant des moyens de caractérisation et de test de dispositifs ou modules optiques et électriques ; et

plateforme «fabrication» regroupant des moyens de fabrication de dispositifs ou modules optoélectroniques.

Résultats : Le banc d’essai sur le terrain s’appuie sur une infrastructure de déploiement FTTH existante à Hudiksvall en Suède. Ce banc d’essai a permis la transmission de signaux DVB-TV sur une sous-porteuse à 45 GHz, à travers un lien optique bidirectionnel sur fibre mono-mode. Des expériences complémentaires en laboratoire ont permis de réaliser la transmission simultanée de signaux DVB-TV sur une porteuse de 30 à 50 GHz et de données numériques en bande de base à 12.5 Gbps sur un lien optique de 400 km. D’autres bancs de test de transmission radio-sur-fibre ont été développés dans les laboratoires partenaires par exemple pour la transmission sur fibre de signaux UWB, Wi-Fi, WiMAX, UMTS, GSM. • IST-IPHOBAC:“Integrated Photonics mm-Wave Functions for Broadband Connectivity” 2006-2009 (lié au projet ISIS)

www.ist-iphobac.org

Partenaires académiques: Universität Duisburg-Essen (DE) Kista Photonics Research Center (SE), Centre National de Recherche Scientifique – IEMN (FR), University College London (GB), Universidad Politécnica de Valencia (ES), University of Ljubljana (SI). Partenaires industriels: Thales Systèmes Aéroportés, Alcatel Thales III-V Lab (FR), Orange Labs (FR), u²t Photonics AG (DE), Centre for Integrated Photonics (GB).

Objectifs : IPHOBAC vise l’utilisation des techniques hybrides optiques/radio-fréquences pour le développement de fonctions photoniques intégrées dans le domaine des ondes-millimétriques (30-300 GHz) essentiellement en vue d’applications télécoms. Résultats : Des modules d’émission photoniques compacts pour générer des signaux RF à fréquence accordable dans les domaines millimétriques et térahertz ont été dévelopés. Par ailleurs, ce projet a permis d’implémenter un démonstrateur radio-sur-fibre à 60 GHz pouvant atteindre des débits de transmission de 12.5 Gbit/s sur de courtes distances de propagation en espace libre, pour les réseaux domestiques et réseaux d’accès. • STREP-IST-UROOF : « Ultrawideband Radio Over Optical Fiber », 2006-2008

http://www.ist-uroof.org

Partenaires académiques : Holon Institute of Technology (IL), University of Essex (GB), Universidad Politécnica de Valencia (ES), INESC Porto (PT), Institut National Polytechnique de Grenoble (FR). Partenaires industriels: Wisair (IL), THALES Communications (FR), TES Electronic solutions GmbH (DE), Centre for Integrated Photonics (GB).

Objectifs : UROOF vise principalement à implanter de nouveaux composants photoniques hydrides intégrés pour la transmission de signaux UWB sur fibre optique, tels que des

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mélangeurs photoniques, modulateurs à base de VCSEL, émetteur/récepteur à base d’EAT pour réaliser des points d’accès hybrides à faible coût. Résultats: Ce projet a permis de concevoir un transmetteur bi-directionnel UWB/optique utilisant soit la technologie OCMC (Optically Controlled Microwaves Converter) soit un EAT amélioré présentant de faibles pertes d’insertion, une sensibilité élevée et une bande passante supérieure à 10 GHz. Une plateforme d’intégration des transmetteurs, des antennes UWB et des parties frontales RF est utilisée dans le cadre de ce projet. Par ailleurs, une transmission bidirectionnelle de signaux UWB à 480 Mbit/s utilisant un R-EAT (Reflective EAT) à 1310/1564nm et des composants disponibles sur le marché a été réalisée. • IST-FUTON : « Fibre optic networks for distributed, heterogeneous radio architectures and service provisioning », 2008-2010

www.ist-futon.eu

Partenaires académiques: Instituto Telecomunicações (P), University of Kent (UK), University of Patras (GR), Technical University of Dresden (D), University of Aalborg (DN) Partenaires industriels: Nokia Siemens Networks Portugal (P), Alcatel-Thales III-V Labs (F), Motorola (F), Portugal Telecom Inovação (P), VIVO (Br), Hellenic Telecommunications (GR), Acorde (E), Jaytech (P), Sigint (CY), VTT (F), National Institute of Information & Communications Technology (JP)

Objectifs : FUTON vise à concevoir une architecture flexible pour les systèmes sans fils basée sur un traitement commun de signaux radio en provenance de différentes modules d’antennes et s’appuyant sur une infrastructure optique transparente. Cette architecture permettra de délivrer le haut débit dans les futurs réseaux sans fils dans le cadre de l’intégration de systèmes sans fils hétérogènes. En particulier, FUTON définira [60] une architecture d’une infrastructure hybride radio-sur-fibre apte à garantir une faculté de récupération (resilience), flexibilité et évolutivité (upgradability) en concevant des transceivers adaptés aux algorithmes préalablement définis. • Plateforme PLATEST [61], Grenoble (France) A titre informatif, il convient de noter l’annonce en 2003 d’un projet de plateforme de test européenne dite PLATEST, à l’initiative du CEA/Leti, IMEP-INPG et en partenariat industriel avec Agilent Technologies, Infineon). Cette plateforme basée à Grenoble serait mise à la disposition des industriels et des acteurs du domaine pour tester des liens et composants optoélectroniques, optiques et hyperfréquence. • Autres projets structurants et plates-formes On notera également le projet OMEGA (www.ict-omega.eu) visant à développer un réseau d'accès domestique capable de fournir des services sans fil à 1 Gbit/s, le projet ALPHA (www.ict-alpha.eu) traitant de la convergence fixe-mobile dans les réseaux d'accès et réseaux domestiques et enfin le projet GIBON (www.ist-gibon.eu) visant l'intégration de

[60] Atílio Gameiro, Paulo Monteiro, “Radio over Fiber enabled wireless distributed systems”, ECOC 2008 Workshop No. 9 “Everything Converged: Today, Tomorrow and after Tomorrow, September 2008 [61] Source : www.sfoptique.org/SFO/club_OMW/OMW_2003-12-03/Tchelnokov.pdf

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solutions optoélectroniques pour les réseaux optiques de type 100 Gigabit Ethernet. Cette liste n’est bien évidemment pas exhaustive mais rend compte d’une forte activité à l’échelle européenne où la convergence des technologies optiques et radiofréquences est au cœur des préoccupations actuelles. 6-1-2) Positionnement Au vu de ce qui précède, il apparaît clairement que le domaine de la radio-sur-fibre suscite actuellement un réel intérêt ayant donné naissance à plusieurs plates-formes d’intégration visant à développer de nouveaux composants hybrides intégrés tout en mutualisant les efforts de recherche dans ce domaine à l’échelle nationale ou européenne. Au niveau français, c’est le pôle grenoblois autour du CEA et de la filière micro-électronique qui se positionne clairement comme leader. A un degré moindre avec des actions plus technologiques et spécifiques, on trouve l’IEMN dont il s’agit historiquement d’un des cœurs de métier. L’Institut Télécom par contre est totalement absent, si ce n’est de manière anecdotique à travers sa participation au réseau d’excellence BONE [62] (un WP dédié à cette problématique, sans être au cœur de ce réseau d’excellence, du moins dans sa phase actuelle). Dans sa logique de positionnement au sein du paysage hexagonal, par rapport aux grands acteurs du domaine des NTIC (INRIA, CEA, CNRS), nous ne saurions que recommander un renforcement de cette thématique, afin de tirer parti de notre bonne connaissance des couches supérieures du réseau (cf. notamment son rôle dans le domaine des réseaux autonomes et spontanés) qui sont les éléments clé et différentiant de tout développement et du déploiement de nouvelles fonctions. Ce positionnement nous permettrait en outre de faire valoir nos spécificités et nous intégrer plus facilement dans des initiatives nationales ou européennes qui ne vont pas manquer de fleurir sur ces thématiques dans un futur proche. Le point faible de l’Institut Télécom vis-à-vis de ces thématiques reste l’absence de moyens technologiques comparables à ceux actuellement mis en jeu par les acteurs cités. Il est hors de question bien entendu de préconiser la mise en place de tels moyens en interne, c’est pourquoi il est indispensable de développer des partenariats nationaux ou internationaux nous donnant accès à des centrales de technologie, nous permettant de contourner cette relative faiblesse. Le projet CAPONE (« Coherent Assisted Passive Optical Network Experimentation »), projet franco-canadien entre Télécom Bretagne et l’Information Technology and Engineering School de l’université d’Ottawa va dans ce sens. Ce partenariat donnera aux équipes de l’Institut Télécom un accès aux moyens du Canadian Photonics Fabrication Centre (CPFC) [63] et permettra de crédibiliser ses études. Une telle collaboration avec l’université d’Ottawa (partenaire associé au projet ISIS) est envisageable sur des aspects technologiques liés à la fabrication de composants hydrides intégrés. En effet, l’introduction de composants optiques intégrés actifs (lasers oscillateurs locaux accordables) ou passifs (hybrides optiques) au niveau de l’interface fibre-radio contribuerait à la définition d’architectures optimisées, tant sur le plan technique (au niveau fonctionnel) que technologique (coûts et consommation). Le groupe de photonique de l’Université d’Ottawa nous offrira la possibilité de fabriquer et de caractériser de nouveaux composants [62] Building the Future Optical Network in Europe (BONE) : www.ict-bone.eu [63] Source : http://cpfc-ccfdp.nrc-cnrc.gc.ca/

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de qualité commerciale hybrides et intégrés à base de semi-conducteurs III-V et de silicium. D’autres initiatives pourront bien évidemment être envisagées (notamment sur le plan national) afin de mutualiser au mieux les ressources nécessaires. 6-2) Thèmes de recherche à développer au sein de l’Institut Il faut distinguer trois niveaux principaux : 1) Un premier niveau structurant vise le développement d’un méta-logiciel de modélisation des technologies RoF (marque de l’Institut Télécom), en s’appuyant sur une plate-forme mutualisée de modélisation physique d’un réseau hybride. Ce méta-logiciel offrira une continuité physique indispensable pour permettre une ingénierie complète (du protocole au déploiement d’antennes pour un réseau pico-cellulaire avec une distribution RoF), combinant divers outils spécialisés (existants ou à développer) pour la caractérisation ou la modélisation des différentes couches physiques et leurs passerelles associées.

A titre d’exemple, citons les logiciels disponibles et utilisés par nos équipes: ADS (circuits et systèmes), FEKO (rayonnement et antennes), HFSS (simulation circuit et système), WinProp (Logiciel de radio planning professionnel), VPI Transport Maker & Photonic Network (logiciel de simulation du réseau optique), NS2, OPTNET. Un travail d’harmonisation des passerelles logicielles est indispensable pour créer un méta-logiciel de gestion des options de déploiement permettant une optimisation de l’ingénierie et d’un dimensionnement global des technologies support. Il est par ailleurs indispensable que cet outil puisse dialoguer avec les outils logiciels utilisés pour les couches hautes réseaux et protocoles. Un deuxième travail d’harmonisation et d’interfaçage sera également nécessaire dans ce domaine. A titre d’expérimentation DataShade traitera un des scénarios retenus au paragraphe 3 pour illustrer cette problématique logicielle en s’inspirant, par exemple, de certaines réalisations existantes [64]. Ce type d’outil ne pourra que favoriser le développement de plates-formes matérielles de tests portées, par exemple, par la Fondation Télécom, comme « Penser 100G » ou « CapilR », qui permettront une évaluation en grandeur réelle des différents choix technologiques et qui alimenteront en retour le réalisme de l’outil logiciel. L’existence de telles plates-formes (plate-forme logicielle couplée si possible à une ou plusieurs plates-formes matérielles) est un véritable enjeu clé pour l’Institut Télécom. 2) Un deuxième niveau structurant vise pour les équipes de l’Institut Télécom, la consolidation d’un savoir faire dans le domaine des composants et des fonctions hybrides, s’appuyant sur des compétences existantes et/ou en développer de nouvelles. Par exemple, on voit émerger le retour des techniques cohérentes appliquées désormais au niveau des réseaux PON. Des compétences historiques existent à l’Institut Télécom dans ce secteur, elles pourraient donc être remises au goût du jour. Dans cette perspective, nous suggérons ci-dessous quelques actions qui pourraient faire l’objet d’initiatives soutenues par l’Institut Télécom (dans cadre des projets incitatifs ou des instituts Futur et Ruptures). 3) Enfin, la nécessité de matérialiser au sein de l’Institut Télécom une ou plusieurs plates-formes matérielles d’expérimentation des technologies RoF, nous semble indispensable, afin de devenir un acteur national et surtout un partenaire crédible pouvant participer à des

[64] T. Ismail, C.P. Liu, A.J. Seeds, "Millimetre-wave Gigabit/s Wireless-over-Fibre Transmission Using Low Cost Uncooled Devices with Remote Local Oscillator Delivery", Conference on Optical Fiber Communication and the National Fiber Optic Engineers Conference 2007, pp.1-3, 25-29 March 2007.

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initiatives nationales et surtout européennes dans ce secteur. Ces plates-formes devront être fortement mutualisées, elles pourront se déployer, pour commencer, sur des scenarii de type indoor (zone de bureaux) envisageables sur les différents campus, ce qui permettrait un déploiement sur site de pico-cellules raccordées. Ceci suppose toutefois pour les équipes concernées le développement d’une infrastructure d’instrumentation de mesure complémentaire. Pour conclure, citons quelques sujets chauds qui mériteraient des études dédiées, dans le cadre de projets incitatifs par exemple :

Etude des sources optiques, en vue de la limitation du facteur de bruit, incluant tests

et banc de tests. Au niveau des sources, on privilégiera des lasers tels que VCSELs, car leurs RIN doivent être beaucoup plus faibles (-150 dB/Hz serait raisonnable du point de vue RoF, ce qui implique aujourd’hui un laser mono-mode DFB, dont coûteux). Ce point a une incidence directe sur le SNR et la dynamique de la CAG.

Etude du multiplexage pour la distribution entre lampadaires (WDM, SCM, etc.).

Ce point sera couplé avec les parties radio (déploiement cellulaire, architecture de la station centrale et des points d’accès) et scénarii multi-utilisateurs.

En RF, pour une approche cellulaire fixée (i.e. dissémination des bandes et canaux),

il s'agira d'évaluer le déploiement (i.e. la couverture) radio par le positionnement et le dimensionnement des antennes. Compte tenu des performances requises pour le système, il sera nécessaire de réaliser une étude du couplage émission-réception de (ou des) antennes (s) en fonction des technologies d’intégration visées, afin de spécifier les performances électriques (radio) et RoF (optoélectronique) (cf. point suivant). Ce type d’étude comprend deux volets : modélisation et tests.

Les points précédents (solutions optiques : composants et architecture, solutions

antennes : technologie et performances (gain, couplage, etc.)) auront une incidence directe (et inversement) sur le dimensionnement des dispositifs actifs radio (PA, LNA, CAG, etc.), en particulier pour respecter le SNR d’une norme et minimiser les interférences entre plusieurs normes et canaux (C/I, collisions, etc.). Pour chaque point d’accès, il faudra également déterminer le nombre maximum de canaux/normes transportables, leurs incidences sur la PIRE et le SNR de chacun et évaluer les interférences. Ce type d’étude comprend deux volets : modélisation et tests.

Pour la partie optique, il est souhaitable de mener une réflexion sur l’introduction

des techniques cohérentes au niveau du segment fibre/lampadaire. Des compétences existent déjà au sein de l’Institut. Une synergie est envisageable également via la collaboration avec l’université d’Ottawa. L’étude de composants optiques intégrés tant actifs (lasers oscillateurs locaux accordables) que passifs (hybrides optiques) au niveau de l’interface RoF contribuerait à la définition d’une architecture optimisée tant du point de vue technique (au niveau fonctionnel) que technologique (coûts).

Enfin, nous ne pouvons conclure sans attirer l’attention sur l’indispensable développement, au niveau de l’Institut, d’une compétence dans le domaine des Green Technologies. Les critères liés au développement durable vont de plus en plus être présents, notamment dans ces couches hybrides à forte complexité du réseau et risquent de constituer le véritable kill

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factor pour les technologies et les architectures. Nous proposons une réflexion d’envergure, dans ce domaine au niveau de l’Institut, par exemple à travers les appels Futur et Rupture. Remerciements Les auteurs tiennent à remercier Catherine Lepers (Télécom SudParis), Bernard Huyart, (Télécom ParisTech), Annie Gravey, Loutfi Nuaymi, (Télécom Bretagne) pour leur lecture attentive et leurs commentaires constructifs.

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Liste des Figures Figure 1. Schéma illustrant une intelligence concentrée au niveau du SC avec indication des couches OSI sollicitées dans chaque unité de traitement ..................................................... 10 Figure 2. Schéma illustrant une intelligence répartie entre SC et lampadaires avec indication des couches OSI sollicitées dans chaque unité de traitement ............................. 11 Figure 3. Exemple d’un système d’antennes distribuées par radio-sur-fibre à bandes de fréquences multiples............................................................................................................. 13 Figure 4. Les 3 architectures de base pour la RoF ............................................................... 23 Figure 5. Liaison RoF 1 vers N pour le canal n°1 du réseau cellulaire................................ 24 Figure 6. Exemple de possibles implantations d’un réseau cellulaire (canaux 1, 6 et 11) à partir d’un SC et exemple d’une liaison 1 vers 7. ................................................................ 24 Figure 7. Mise en réseau des stations centrales et couverture............................................. 25 Figure 8. SFDR .................................................................................................................... 26 Figure 9. Exemple de couches MAC et PHY pour la famille de normes 802.11 ................ 27 Figure 10. Méthodes de contrôle du spectre optique pour combattre les effets de la dispersion dans le cas de signaux RF à bande étroite et porteuse de fréquence élevée. ...... 28 Figure 11. Architecture RoF utilisant un circulateur............................................................ 31 Figure 12. Architecture RoF utilisant un commutateur (switch) - adapté de [23]. .............. 32 Figure 13. Architecture RoF utilisant deux antennes distinctes (adapté de [23]). ............... 32 Figure 14. (a) Modulation directe d’une diode laser, (b) Modulation externe d’une diode laser utilisant un modulateur de type Mach-Zehnder MZM [23]......................................... 36 Figure 15. Exemple d’architecture RoF à 60 GHz............................................................... 37 Figure 16. Architecture RoF à 60 GHz où l’utilisation de deux antennes évite l’emploi d’un circulateur............................................................................................................................. 38 Figure 17. Exemple de réalisation d’émetteur/récepteur pour la transmission de signaux WiMAX sur fibre multi-modes ............................................................................................ 41 Figure 18. Exemple d’intégration d’un photodétecteur sur GaNAsSb/GaAs ...................... 42 Figure 19. Exemple de composants micro-ondes intégrés (MMIC) réalisés par l’IMEP ... 43 Figure 20. Exemple d’intégration d’une antenne et d’un AFPM......................................... 44 Figure 21. Démonstrateur pour conversion opto-mm (60 GHz).(60 GHz). ......................................... 46 Figure 22. Fonctions implémentées au niveau d’une terminaison hybride.......................... 47 Figure 23. Exemple d’une architecture cellulaire avec antennes distribuées....................... 48 Figure 24. Exemple d’architecture d’un système radio-sur-fibre avec télé-alimentation optique utilisant un lien optique dédié ................................................................................. 49 Figure 25. Exemple d’architecture d’une terminaison d’un système radio-sur-fibre avec télé-alimentation optique utilisant un lien optique dédié ..................................................... 50 Figure 26. Transmission simultanée d’un signal d’alimentation optique et d’un signal de données................................................................................................................................. 50 Figure 27. Vue de dessus de l’antenne photonique EBG intégrée avec l’APFM ................ 51 Figure 28. Architecture schématique d’un transducteur hybride PhAIA............................. 52

Annexe 1 : Etude de cas : Aéroport d’ATLANTA et Site Olympique d’Athènes Aéroport d’ATLANTA (http://www.atlanta-airport.com/HJN/2005/12/tech.htm) L’aéroport d’Atlanta est désormais équipé d’un système RoF multinormes/multistandards (GSM, CDMA1x, EVDO, WCDMA, UMTS, iDEN).

Il dispose d’un réseau de plus de 700 antennes et la couverture sans fil se fait sur environ 540 000 m2 (plusieurs terminus, des salles (réception/conférence) et des tunnels (train, etc.). Ce système forme le cœur d’une couverture radio universelle qui est une ligne essentielle de communication pour un nombre important de personnes qui travaillent ou traversent une même zone tous les jours. Ce système a pour avantage : • Couverture universelle, la clarté d'appel améliorée et le plus haut débit de données, • Moins d'appels bloqués, • Service sans fil nettement amélioré même dans les zones de couverture radio difficiles. • Réseau de distribution vaste en dehors et dans les bâtiments. • Qualité de service améliorée et sans coupures.

Les bénéfices sont : • Système multistandards pour introduire toutes les normes sans fil et les protocoles. • Les pourvoyeurs sans fil régionaux ont une opportunité unique d'avoir une présence

avec les pourvoyeurs sans fil nationaux. • Le résultat final est une condition d'égalité pour tous les pourvoyeurs sans fil et permet

d’offrir le même service conséquent et sûr à leurs clients. Il n’y a pas d’appels d’offre pour l’achat de zone de placement des AP.

Enfin il est à noter qu’il s’agit aussi d’une plate-forme se lançant dans des services incluant la vidéo et d'autres applications. L'utilisateur final connaîtra «la mobilité complète et sans coupures». Les positions optimisées des AP dans les bâtiments de l'aéroport font que le réseau est fiable. Ce cas est aujourd’hui un tremplin pour les technologies radio de futures générations.

Parc olympique d’Athènes http://www.openbasestation.org/Newsletters/February2005/Powerwave.htm Complexe OAKA (“Olympic Athletic Center of Athens”)

• 1km² area , Main Stadium, Basketball, Swimming, Velodrome, Tennis :

• Multi-operator GSM/DCS sites: 45 • Multi-operator UMTS sites: 15 • No of Repeaters: 108: 18 GSM Channel Selective

81 Dual band/Single band GSM/DCS Selective 9 UMTS

• No of TRx GSM/DCS 480 • No of TRx UMTS: 44 • No of Antennas: 67 • No of GSM/DCS BTSs 40 • No of UMTS Node Bs 8

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Annexe 2: Glossaire des principaux acronymes utilisés

A ADSL : Asymmetric Digital Subscriber Line AEL : Atténuation en Espace Libre AES : Advanced Encryption Standard AFPM : Asymmetric Fabry-Pérot Modulator AP : Access Point APD: Avalanche Photo-Diode

B BLR : Boucle Locale Radio BS : Base Station BSS : Basic Service Set

C CAG: Contrôle Automatique de Gain CAPWAP : Configuration And Provisioning for Wireless Access Points CCK : Complementary Code Keying CDMA : Code Division Multiple Access CO: Central Office CS : Control Station CWDM: Coarse WDM

D DS : Distribution system DSSS : Direct Sequence Spread Spectrum DWDM: Dense WDM DFB: Distributed FeedBack

E EAM : Electro-Absorption Modulator EPON: Ethernet PON ESS : Extended Service Set EVM : Error Vector Magnitude

F FHSS : Frequency Hopping Spread Spectrum FTTx: Fibre-To-The-x (x = Home, Curb, Building, Antenna) FI : Fréquence Intermédiaire

G GPON: Gigabit capable PON GSM: Global System for Mobile

H HFC : Hybrid Fibre Coax HFR : Hybrid Fibre Radio

I IAPP : Inter Access Point Protocol IBSS : Independent Basic Service Set IF: Intermediate Frequency IM-DD : Intensity Modulation-Direct Detection IR : Infra Rouge ISM: Industrial Scientific Medical

L LAN: Local Area Network LLC : Logical Link Control LWAPP : Lightweight Access Point Protocol

M MAC : Medium Access Control MAN : Metropolitan Area Network MIMO: Multi-Input Multi-Output MUX/DMUX : multiplexer/demutiplexer

O OCDMA : Optical Code Division Multiple Access OEIC : Optical Electrical Integrated Circuit OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFM : Optical Frequency Multiplication OIP3 : Point Interception d’Ordre 3 OLT : Optical Line Termination OMMIC : Optical Microwave Monolithic Integrated Circuits ONU (ONT): Optical Network Unit (Termination) OOK: On-off Keying.

P PBCC : Packet Binary Convolutionnal Code PIRE : Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente PON: Passive Optical Network

R RADIUS :Remote Authentication Dial-In User Service RAU : Remote Antenna Unit RF : Radio Frequency RIN: Relative Intensity Noise RoF : Radio-over-Fibre

S SC: Switch Controller SCMA : Sub-Carrier Multiple Access SNCP : Sub Network Connection Protection SFDR: Spurious-Free Dynamic Range SNR: Signal to Noise Ratio SIMO: Single Input Multiple Output

T TDM : Time Division Multiplexing TDMA: Time Division Multiple Access TIA: Telecom Industry Alliance TOS: Taux d’Ondes Stationnaires

U UDP : User Datagram Protocol UMTS: Universal Mobile Telecom System UWB : Ultra Wide Band

V VCSEL : Vertical Cavity Surface Emitting Laser VLAN: Virtual Local Area Network

W WDM : Wavelength Division Multiplexing WLAN : Wireless Local Area Network Wi-Fi: Wireless Fidelity WiMAX: Worldwide Interoperability Microwaves Access WMAN : Wireless Metropolitan Area Network

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Annexe 3 : Quelques définitions usuelles Hand-over : procédé de gestion d’itinérance entre différentes cellules de couverture d’un

réseau cellulaire permettant à un terminal mobile de changer de cellule au cours d’une même communication. Le standard IEEE 802.11i (Wi-Fi) prend en compte le hand-over et le standard IEEE 802.16e (WiMAX) l’intègre.

OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplex IEEE 802.11a,g : Wi-Fi / OFDM IEEE 802.11b : Wi-Fi/ CCK IEEE 802.16e : WiMAX

Roaming : procédé de gestion d’itinérance permettant à l’utilisateur d’un terminal mobile d’appeler et de pouvoir être appelé, quelle que soit la zone géographique où il se trouve.

Grooming : (trafic) : procédé de remise en forme du trafic pour redistribution. Fréquences radio : 2,45 GHz Wi-Fi (3 canaux de 20MHz disjoints, sinon 13 canaux), ZigBee, RFID, WiMAX, Bluetooth.

3,5 GHz WiMAX (3.4-3.8 GHz: BLR)

4,9 à 6 GHz Wi-Fi (8 canaux indoor, 11 outdoor). WiMAX (autour de 5.8 GHz)

3 à 11 GHz UWB (aujourd’hui ouverture en France des canaux de 528 MHz jusqu’à une fréquence porteuse de 8 GHz)

60 GHz indoor très haut débit en ISM, pas de spécifications sur la modulation; certains utilisent de la OOK pour simplifier le matériel ou bien une transposition de l’UWB.

Wi-Fi : pas de licence (bande ISM) donc pas intéressant pour un opérateur

Indoor (PIRE limitée), Outdoor (la PIRE définit la nécessité d’obtenir une licence ou non ; entre 5 à 6 GHz il y a une bande indoor et une bande outdoor)

WiMAX : IEEE 802.16e : licences, prévues à 2,45 GHz, 3,5 GHz et de 5 à 6 GHz.

Bluetooth : Standard utilisant à la manière du Wi-Fi, la technique d’étalement de spectre par saut de fréquence ou par évasion de fréquence, consistant à découper la bande de fréquence (2,402–2,480 GHz) en 79 canaux (appelés hops ou sauts) d'une largeur de 1 MHz, puis de transmettre en utilisant une combinaison de canaux connue des stations de la cellule.

ZigBee : Protocole de haut niveau permettant la communication de petites radios, à

consommation réduite, basée sur la norme IEEE 802.15.4 pour WPANs. Débit : Dans le cas du Wi-Fi le débit brut maximal est de 54 Mbit/s (IEEE 802.11 a

ou g, modulation 64QAM par sous-porteuse). Le débit utile correspond à la moitié du débit maximal en raison du TDD. Après suppression des synchronisations, le débit utile est d’environ 15 à 20 Mbit/s.

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Annexe 4: Résumé des performances des normes Wi-Fi, WiMAX et UWB

Source : http://www.ti.com/asia/docs/india/tiidevconf2004/technology/shyamshetty.pdf

Dans le tableau ci-dessus sont résumées les caractéristiques habituelles des différentes normes. On comprend aisément que certaines portées soient annoncées pour des débits faibles. On notera cependant que :

• le WiMAX est à bande de canal adaptative pour optimiser le SNR en diminuant la

puissance de bruit via la réduction de la bande de canal. Il utilise aussi le débit adaptatif en modifiant la complexité de modulation.

• Le WiMAX prévoit une puissance d’émission importante pour couvrir une distance

maximale 50 km et/ou prévoit l’utilisation d’une antenne à grand gain (zone couverte = secteur) ce qui nécessite l’obtention d’une licence. La puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) maximale autorisée est fixée à 50W. Pour une telle distance, la bande de canal est certainement minimale (1,5 MHz).

• Le Wi-Fi a été testé jusqu’à 15 km et même haut de là en utilisant des amplificateurs

de puissance adéquats pour une liaison point-à-point avec des gains d’antenne élevés. Dans ce cas, la puissance de l’amplificateur est telle qu’il faut bien entendu une licence. La canalisation reste fixée à 20 MHz mais le Wi-Fi utilise aussi un débit adaptatif variant en fonction de la complexité de modulation, de manière à couvrir une zone plus grande avec un bon niveau de QoS (« Quality of Service »).

Enfin, dans le cadre d’une normalisation RF, un point important à noter est l’efficacité spectrale. En raison de la saturation du spectre électromagnétique occupé de quelques kHz à 100 GHz, l’augmentation des débits doit se faire en optimisant l’occupation spectrale.

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Institut Télécom

46 rue Barrault 75634 Paris Cedex 13

Tél. : +33 (0)1 45 81 77 77 Fax : +33 (0)1 45 88 66 68

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