L’augmentation en débit dans les réseaux de transport optique

Mourad Menif Maître de Conférences

Ecole Supérieure des Communications de Tunis (SupCom)

GRESCOM Green & Smart

Communication Systems Ecole Supérieure des

Communications de Tunis

Croissance rapide du trafic des données (35 à 40 % annuellement) o Résidentiel et entreprises:

volonté de homme à interagir (réseaux sociaux, smarphone, VoD, …) Émergence de nouvelles applications (Cloud, VPN, SAN, VLAN, …)

o Volume de trafic important, variable, asymétrique, …

Amélioration de l’accès (kb/s, Mb/s, Gb/s) o Nouvelles solutions (DSL/câble, 3G/LMDS, PON) o Faible coût : Gigabit Ethernet (FTTC, FTTB)

Évolution de la capacité des liens optiques o Déploiement massif des systèmes DWDM o Augmentation des débits offerts par canal (IEEE 802.3ba 100 Gbps)

Dérégulation de l’industrie des télécommunications o Plusieurs acteurs (IXC, ISP, câble, …) o Compétition agressive (coût, différenciation de service, …)

2

Évolution des réseaux optiques

Croissance de la capacité (Cisco’s Visual Networking Index)

3

Évolution des réseaux optiques: La fibre est partout du WAN au LAN!!

Réseau Sous-marin

Metro

Metro Ring

Metro ring Metro

Metro Ring

Metro Ring

Access

Réseau coeur

Regional DWDM

Multireach DWDM

Mots d’ordre:

Plus de capacité

Plus de portée

Plus de transparence

Reconfigurabilité

Réduction de la

consommation électrique

Evolution de l’efficacité spectrale

Description des techniques de modulation et de multiplexage

Implémentation des formats de modulation avancés o 40 Gbps DPSK,

o 100 Gbps QPSK

Exploration des techniques de modulation multi-porteuses (Super Channel) o WDM-Nquist,

o OFDM

Les modulations adaptatifs (Flex Channel)

4

Sommaire

Tendance dans les systèmes de transmission: Une plus grande capacité dans une fibre

1990 2000 2010

2.5 Gb/s 10 Gb/s 40 Gb/s 100 Gb/s Taux binaire

par canal

Objectif : plus de capacité croissance

exponentiel, guidé par le trafic vidéo

Objectifs escomptés:

Augmentation de la capacité totale, pas seulement le

débit par canal !

Atteindre des portées plus importantes

Bande passante des EDFAs

Pow

er

l

Pow

er

l

50 GHz

100 GHz

Pow

er

l

50 GHz

10Gbit/s

40/100Gbit/s

40/100Gbit/s

Année 1986 1990 1994 1998 2002 2006

10

100

1

10

100

Capacit

é d

es

syst

èm

es

Gb/s

Tb/s

2010

WD

M c

hannels

Records établis

2.5 dB/year

0.5 dB/year

6

Tendance dans les systèmes de transmission: Augmentation de l’efficacité spectrale

1990

2.5-10 Gb/s débit

8,16, 40 # de canaux

20-160 Gb/s Capacité

ES = .025-.05

réalisé

2000

10 Gb/s débit

100 # de canaux

1 Tb/s Capacité

ES = 0.2

réalisé

2010

100 Gb/s débit

100 # de canaux

10 Tb/s Capacité

ES = 2.0

IEEE 802.3ba

2020

1 Tb/s !

débit

100

# de canaux

100 Tb/s

Capacité

ES = 20 !

Projeté

Lorsque le debit des canaux augmente, la capacité des systèmes augmente seulement

si l’efficacité spectrale augmentera.

Même sans l’objectif 2020, la croissance du traffic sera plus importante d’un facteur de

10 que celle de la croissance de la capacité

7

Tendance dans les systèmes de transmission: Les techniques de modulation et de multiplexage

Polarisation

Longeur d’onde Temps

Quadrature

Amplitude /Phase modulation

Techniques de modulations et de multiplexages

PolSK

Pol. multiplexing Pol. interleaving

PPM ETDM OTDM FSK, MSK

WDM OFDM

CoWDM

Espace

Separate fibers Multiple modes

QPSK 8-PSK 16-QAM

Code

oCDMA

ETDM: Electronic time-division multiplexing OTDM: Optical time-division multiplexing PolSK: Polarization shift keying FSK: Frequency shift keying PPM: Pulse-position modulation MSK: Minimum shift keying

WDM: Wavelength-division multiplexing OFDM: Orthogonal frequency-division multiplexing CoWDM: Coherent WDM oCDMA: Optical Cade division multiple access QPSK: Quadrature phase shift keying

8

Tendance dans les systèmes de transmission: Les techniques de modulations implémentées

10 Gbit/s NRZ 0 +1

Pow

er

l

50 GHz

-1 +1

Pow

er

l 40 Gbit/s DPSK

100 GHz 40%

-1 +1

Pow

er

l 40 Gbit/s DPSK

capacité = 160 Gbit/s

100 GHz

10 Gbit/s NRZ

capacité = 80 Gbit/s

Efficacité

20% 0 +1 Pow

er

l

50 GHz

T.E.

T.M.

Pow

er

l 100 Gbit/s Coherent PDM-QPSK

capacité = 800 Gbit/s 200%

50 GHz

Augmentation du débit Augmentation du bit/symbole Utilisation de plusieurs porteuses

9

Tendance dans les systèmes de transmission: Les techniques de modulations implémentées

Modulateur

Photodétecteur

Un émetteur simple, un récepteur simple sans traitement de signal

10Gb/s par canal 80 canaux = 800Gb/s

Un émetteur complexe, un étage de réception très complexe avec un

traitement de signal (DSP) très important

100Gb/s par canal 80 canaux = 8Tb/s

10

Tendance dans les systèmes de transmission: Implémentation de la modulation de phase

11

Tendance dans les systèmes de transmission: Détection directe vs. cohérente

l/4 Half

mirror

4

3

Taux d’erreur

binaire

Photo-

diode

Circuit de

décision

Donnée dans un seul

état de polarisation

(SOP)

Détection directe

Détection cohérente

Fiber out

ADC

ADC

Taux d’erreur

binaire

Local

Oscillator

(cw laser) l/4

Half

mirror ADC

ADC

DSP

1

3dB

Polar.

Beam

splitter

Photo-

diodes

Analog-to-

Digital

Converters

Digital

Signal

Processing

Coherent

Mixer

Polarization-

multiplexed

data

2

12

Tendance dans les systèmes de transmission: Détection cohérente et traitement numérique

Échantionné à 2 fois le débit symbole

Dig

ital C

lock R

ecovery

Fre

quency

and C

arr

ier

Phase

recovery

Sym

bol

identi

ficati

on

Pola

rizati

on

Dem

ult

iple

xin

g a

nd

Equalizati

on

Fre

quency

and C

arr

ier

Phase

recovery

CD

com

p.

CD

com

p.

BER

& Q

²

Sym

bol

identi

ficati

on

BER

& Q

²

Dig

ital C

lock R

ecovery

Fre

quency

and C

arr

ier

Phase

recovery

Sym

bol

identi

ficati

on

Pola

rizati

on

Dem

ult

iple

xin

g a

nd

Equalizati

on

Fre

quency

and C

arr

ier

Phase

recovery

CD

com

p.

CD

com

p.

BER

& Q

²

Sym

bol

identi

ficati

on

BER

& Q

²

j

j

ADC

ADC

PD1

PD2

PD3

PD3

ADC

ADC Digital Signal Processing

QPSK

13

Tendance dans les systèmes de transmission: Qu’est ce qui a changé?

A l’émergence du DWDM…

Actuellement

Modulation de phase

Détection Cohérente

Grille des fréquences ITU

Modulation d’amplitude

Détection Directe

Grille des fréquences ITU

14

Tendance dans les systèmes de transmission: Quels changements pour le Terabit?

A l’émergence du DWDM…

… Quels changements pour demain

Modulation de phase

Détection Cohérente

Grille des fréquences ITU

Modulation d’amplitude

Détection Directe

Grille des fréquences ITU

Modulation de phase

Détection Cohérente

Grille des fréquences ITU

Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

Combinaison et séparation d’onde cohérente

FlexChannels (sans grille)

15

Tendance dans les systèmes de transmission: Le problème des mono-porteurs à 1 Tbps

1 2 4 6 8 10 12

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Pén

alit

é O

SNR

(d

B)

Nombre de bits/symbole

PM-BPSK PM-QPSK

PM-8QAM

PM-16QAM

PM-32QAM

PM-64QAM En 2014 des ADCs ~64GBaud

seront opérationnel

640GBaud 320GBaud

210GBaud

160GBaud

128GBaud

105GBaud

16

Tendance dans les systèmes de transmission: Plus d’efficacité avec les Super-Channels

190 GHz

1 Laser 4 modulateurs Electronique à 160 Gbaud ~7 ans

500Gb/s SC-PM-QPSK

Une porteuse

190 GHz

2 Lasers 8 modulateurs Electronique à 80 Gbaud

~5 ans

Dual Carrier

500Gb/s DC-PM-QPSK

10 Lasers 40 Modulateurs Electronique à 16 GBaud Déjà disponible

190 GHz

Dix porteuses

500Gb/s 10C-PM-QPSK

17

Tendance dans les systèmes de transmission: Plus d’efficacité avec les Super-Channels

•Bande de garde (40-50% du spectre) pour permettre un demultiplexage individuel de chaque canal

Filtrage conventionnel d’un canal WDM

1Tb/s

•Groupes étroitement emballés de longueurs d'onde

•Moins de bande de garde

•Récupération de 25% dans le spectre des EDFAs

1Tb/s

FlexChannel multi-porteur

FlexChannel: adaptation du format de modulation en fonction des performances du canal et de la portée du lien

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Tendance dans les systèmes de transmission: Modulation FlexChannel

Portée Capacité

PM-16QAM PM-16QAM

PM-8QAM PM-8QAM PM-QPSK PM-QPSK

PM-BPSK PM-BPSK

6000

3000

1500

700

19

Tendance dans les systèmes de transmission: Augmentation de la portée et de l’efficacité spectrale

1Tb/s PM-8QAM FlexChannel

1Tb/s PM-16QAM FlexChannel

10x100G PM-QPSK 1Tb/s PM-QPSK

FlexChannel

ou

A E

B C

D

D’après Infinera Corporation