Pourquoi l’OTDM et le TDM-PON sont-ils si attractifs ?

Au cours des dernières décennies, face aux exigences croissantes en matière de bande passante et de haut débit, les technologies de communication optique ont connu une croissance rapide et ont atteint des performances significatives. Cependant, en raison de l'atténuation, de la dispersion et de la non-linéarité des fibres, la capacité de transmission des systèmes de communication à fibre optique conventionnels reste limitée. Le multiplexage en longueur d'onde (WDM) et le multiplexage temporel optique (OTDM) sont les technologies permettant d'accroître la capacité de transmission de la fibre optique. Cependant, le WDM présente certains défauts, comme l'apparition de non-linéarités dans les fibres ou l'inégalité du spectre de gain des amplificateurs. L'OTDM permet de pallier ces défauts grâce à ses fonctionnalités bien plus attractives. Considérée comme une technologie réseau pérenne, elle est en constante évolution. Aujourd'hui, le blog de Fiber-Mart présente les bases de l'OTDM et ses différences avec le WDM. L'article présente également le TDM-PON et ses différences avec le WDM-PON, ainsi que le WDM/TDM-PON.

L'OTDM (Optical Time Division Multiplexing) est une technologie de multiplexage de canaux qui multiplexe les signaux dans différents intervalles de temps. Autrement dit, il est pratique de combiner un ensemble de flux à faible débit, chacun avec un débit fixe et prédéfini, en un seul flux à haut débit pouvant être transmis sur un seul canal. Contrairement au WDM, l'OTDM n'utilise qu'une seule longueur d'onde, intuitivement parlant, une seule « couleur » de lumière dans une fibre. L'OTDM offre à l'utilisateur la pleine capacité du canal, mais divise son utilisation en intervalles de temps. Peut-être que cette description fastidieuse vous laisse encore perplexe. Voici un exemple simple pour vous aider à comprendre intuitivement l'OTDM. Imaginons un canal capable de transmettre 192 kbit/s de Los Angeles à New York. Trois sources, toutes situées à Los Angeles, disposent chacune de 64 kbit/s de données qu'elles souhaitent transmettre à des utilisateurs individuels à New York. Comme le montre la figure 1, le canal haut débit peut être divisé en une série d'intervalles de temps, lesquels peuvent être utilisés alternativement par les trois sources. Ces dernières sont ainsi capables de transmettre toutes leurs données sur un canal unique et partagé. De toute évidence, à l'autre extrémité du canal (ici, à New York), le processus doit être inversé. Le système doit diviser le flux de données multiplexé à 192 kbit/s en trois flux de données initiaux à 64 kbit/s, qui sont ensuite fournis à trois utilisateurs différents. Ce processus inverse est appelé démultiplexage. L'OTDM exploite pleinement ces avantages dans le domaine optique et constitue une autre technique importante pour la construction de réseaux photoniques, en plus du développement du traitement du signal à haut débit.

Principe de fonctionnement de l'OTDM

Conformément à sa définition, le principe de fonctionnement de l'OTDM consiste à multiplexer plusieurs canaux optiques à faible débit dans le domaine temporel. Le système OTDM global se décompose en trois grands blocs : l'émetteur, le système de ligne et le récepteur. Le bloc émetteur comprend des sources laser, des modulateurs, des systèmes d'alignement de canaux et un multiplexeur. Le système de ligne contient des amplificateurs optiques et des fibres de transmission. Le bloc récepteur est composé d'un circuit d'extraction de synchronisation et de démultiplexage de canaux.

L'allocation des canaux par multiplexage temporel dépend du débit de données électrique fondamental et de la largeur d'impulsion optique. Avec une horloge électrique fixe, il est nécessaire de raccourcir la largeur d'impulsion optique afin de multiplexer davantage de canaux au cours de la période d'horloge. De plus, cette réduction de la largeur d'impulsion peut contribuer à réduire la diaphonie entre les canaux grâce à l'espace disponible dans l'emplacement binaire. Cependant, les impulsions optiques courtes sont soumises à une forte pénalité de dispersion à mesure que la distance de propagation augmente. Cependant, l'utilisation d'impulsions limitées par transformée et d'une technique de compensation de la pente de dispersion peut réduire l'effet de dispersion sur l'OTDM.

De plus, un contrôle précis de l'alignement des canaux est crucial à mesure que la vitesse de transmission augmente, car davantage de canaux sont multiplexés sur une période d'horloge fixe. Tout défaut d'alignement peut affecter les performances du système OTDM en raison de la diaphonie et de la dispersion. La commutation électro-optique, ou tout-optique, permet le démultiplexage côté récepteur. La technique électro-optique est idéale pour les vitesses de transmission inférieures à 40 Gbit/s. Elle est plus difficile à atteindre au-delà de 40 Gbit/s en raison des contraintes de puissance d'entraînement. La commutation tout-optique repose sur l'effet non linéaire du troisième ordre de la fibre optique. Elle est particulièrement adaptée aux transmissions ultra-rapides, car sa réponse non linéaire est de l'ordre de la fs. Elle permet également l'ajout/suppression d'un ou de plusieurs canaux, ce qui constitue un atout majeur pour le fonctionnement du réseau. Cependant, le commutateur tout-optique est très encombrant et coûteux à fabriquer. Un démultiplexage réussi ne peut être obtenu qu'avec une extraction précise du timing. La gigue temporelle du circuit d'extraction peut affecter directement les performances du taux d'erreur binaire (BER) du système OTDM.

Caractéristiques attrayantes de l'OTDM

Afin de répondre à la demande croissante de transmission d'informations, les réseaux tout optiques constitueront la tendance du futur. L'OTDM présente plusieurs caractéristiques intéressantes qui en font une technologie de réseau tout optique d'avenir :

OTDM contre WDM

Regardez l'image (Figure 2) ci-dessous. Vous constaterez peut-être que l'OTDM est similaire au WDM en l'explorant rapidement. L'OTDM et le WDM comportent de nombreux canaux. En réalité, ils sont différents. En OTDM, une seule fibre n'a qu'une seule longueur d'onde, également appelée bande passante. Les canaux sont appelés intervalles de temps car ils sont divisés en fonction du domaine temporel. Les signaux sont multiplexés dans différents intervalles de bits. En WDM, les canaux sont appelés longueurs d'onde, et une seule fibre en contient plusieurs. La Figure 3 illustre clairement les différences entre les transmissions OTDM et WDM. En OTDM, la longueur d'onde du signal (rouge) est transmise tout au long du processus, tandis qu'en WDM, il existe plusieurs longueurs d'onde (couleurs) et chaque longueur d'onde est divisée en canaux distincts.

Figure 2. Axes OTDM et WDM

Figure 3. Principe de fonctionnement OTDM vs WDM

TDM -PON contre WDM-PON

Les technologies OTDM et WDM sont toutes deux utilisées dans les réseaux optiques passifs (PON), respectivement appelés TDM-PON et WDM-PON. Le TDM-PON (Figure 4) répartit la puissance optique via un répartiteur 1xN, N étant relativement petit, tout comme le nombre d'abonnés et le débit de données délivrable à chaque utilisateur final. En revanche, le WDM-PON, doté de relativement peu de canaux, achemine le trafic vers autant d'unités de réseau optique (ONU) que de canaux, mais à un débit de données élevé pour chacune d'elles. Le support étant partagé par tous les utilisateurs finaux, la bande passante disponible et les ressources réseau sont mieux utilisées en TDM-PON qu'en WDM-PON, ce qui rend le TDM-PON plus efficace. Par ailleurs, le TDM-PON repose sur un nombre fixe de créneaux temporels bien synchronisés. De ce fait, le TDM-PON est difficilement évolutif. À l'inverse, le WDM-PON n'est limité que par le nombre de longueurs d'onde disponibles dans la grille.

En raison de sa nature diffusante, le TDM-PON permet aux acteurs malveillants d'« écouter » les créneaux horaires d'autres ONU. Le TDM-PON est donc moins sécurisé. Le WDM-PON ne diffuse pas de données et, à cet égard, il est supérieur au TDM-PON. Cependant, un espion peut également extraire des données d'une ONU par un accès non autorisé à celle-ci ou en interceptant ses entrées ou sorties. En résumé, la sécurité est un enjeu qui doit être examiné attentivement, notamment par le chiffrement des données et la sécurisation de la liaison fibre.

En conclusion, les technologies TDM-PON et WDM-PON présentent des avantages et des inconvénients complémentaires. Les avantages du premier sont les inconvénients du second, et inversement. Par conséquent, combiner les technologies TDM et WDM au sein d'un PON (WDM/TDM-PON) est très avantageux, car cela permet à plusieurs utilisateurs de partager la capacité d'une même longueur d'onde WDM. À quelques exceptions près, la capacité d'une longueur d'onde dépasse les besoins en trafic d'un utilisateur individuel. Voici quelques caractéristiques du WDM/TDM-PON :

Figure 4. TDM-PON

Conclusion

La technologie WDM est largement utilisée dans les réseaux actuels, car elle représente une technologie de transmission optique mature et pratique pour les transmissions à haut débit. Grâce à ses avantages en termes de transparence, de reconfigurabilité et de capacité de survie, la technologie WDM évoluera vers des réseaux optiques flexibles basés sur la commutation et le routage de longueurs d'onde optiques. Grâce à ses capacités de restauration et de reconstruction de capacité plus rapides, la technologie WDM constituera l'axe principal des futurs réseaux de transport optique. Cependant, elle présente des limites inévitables. C'est pourquoi la technologie TDM, appelée OTDM en transmission optique, est nécessaire, en raison de ses caractéristiques bien plus attractives. L'OTDM est une méthode de multiplexage optique très efficace. Elle permet d'exploiter pleinement les ressources spectrales et de lever certaines contraintes liées aux effets non linéaires des systèmes WDM. Cependant, malgré les progrès considérables réalisés ces dernières années dans la recherche sur l'OTDM, elle n'est pas encore suffisamment mature, car certaines technologies clés restent à maîtriser. En fait, nous pensons qu’avec l’approfondissement de la recherche, les technologies WDM et OTDM seront combinées pour se compléter et être largement utilisées dans les futurs réseaux de transmission à très haut débit.