Campagne 2012 Fiche descriptive de la thèse

Campagne 2012
Fiche descriptive de la thèse
Encadrant Orange Labs: Erwan PINCEMIN
Encadrant académique : Yves JAOUEN &Raphaël LE BIDAN (Institut Telecom)
CRD/LABO: CORE / TPN
Site: Lannion
OR de rattachement: Access Technos
CES de rattachement: Communication Infrastructure Sciences
Sujet de la thèse (Titre):
Transmission WDM à 400 Gbps et au-delà au moyen de modulations multi-bandes
OFDM & Nyquist-WDM.
Contexte global de l'étude et état de l'art
L’augmentation continue des capacités véhiculées par les réseaux optiques de transport longue distance ont
amené les opérateurs de télécommunications à débuter les déploiements des systèmes WDM à 100 Gbps
par longueur d’onde dès 2012. Même si ces systèmes ont pour vocation d'être déployés durant toute la
décennie (afin d’amortir les coûts élevés de développement de la technologie 100G), les réflexions sur la
prochaine génération de systèmes WDM fonctionnant à 400 Gbps et au-delà ont d’ores et déjà commencé.
L’objectif est à l’horizon 2020 de pouvoir véhiculer dans une fibre de l’ordre de 80 à 100 Tbps sur une
distance typique de 2000 km. Pour ce faire, outre les modulations avancées de type OFDM ou monoN
porteuse 2 -QAM (avec 2≤N≤4), des évolutions importantes des technologies d’amplification optique ou de
l’infrastructure fibre sont attendues. Ainsi, la généralisation de l’utilisation de l’amplification Raman distribuée
ou bien l’avènement d’une nouvelle génération de fibre à très faible perte (0.16 dB/ km au lieu de 0.20
dB/km aujourd’hui) et très large surface effective (110 µm², 120 µm² voire 150 µm² au lieu de 80 µm²) sont à
prévoir en remplacement respectivement de l’amplification localisée à base d’amplificateur à fibre dopée
Erbium (EDFA) et des fibres standards de type G.652.
C’est pourquoi nous nous proposons de défricher le sujet au travers de cette thèse, notamment parce que le
déploiement de système à 400 Gbps voire 1 Tbps par longueur d’onde risque de modifier considérablement
l’infrastructure fibre (si cruciale pour un opérateur tel que Orange), l’ingénierie et l’exploitation des systèmes
de transmission longue distance (à cause en particulier de l’utilisation de l’amplification Raman) et enfin les
technologies de commutation optique par la déclinaison du concept « flexgrid » (encore appelé « gridless »).
SA au capital de 10 412 239 188 € - 380 129 866 RCS Paris
Positionnement du sujet vis-à-vis de la stratégie d'Orange et de l'OR
Orange a toujours eu la volonté de maîtriser l’évolution technologique de ses réseaux afin de ne pas se faire
dicter sa politique de modernisation des réseaux par les équipementiers et dans le cas des réseaux de
transport optique par les fabricants de fibre. Ainsi, par le passé, Orange a su résister aux sirènes qui lui
conseillaient vivement de déployer une infrastructure fibre à base de fibre G.655 (LEAF, Truewave,
Teralight), ou bien de changer massivement son infrastructure fibre pour permettre le déploiement des
systèmes WDM à 40 Gbps par longueur d’onde d’ancienne génération peu robuste à la dispersion modale
de polarisation (PMD). Grâce à l’expertise maintenue et développée en interne (à Orange Labs notamment),
l’infrastructure fibre à base de fibre standard de type G.652 déployée entre 1990 et 1995 fut maintenue en
place au début des années 2000. Grâce au lobbying réalisé par Orange Labs auprès des équipementiers en
faveur des technologies dites « cohérentes », France Télécom déploie aujourd’hui sur l’infrastructure fibre
existante limitée par la PMD les systèmes WDM à 40 Gbps et 100 Gbps de nouvelle génération.
Orange Labs
38-40, rue du Général-Leclerc
92794 Issy Moulineaux Cedex 9
Téléphone : 01 45 29 44 44
L’objectif de cette thèse est donc de poursuivre ce travail afin d’identifier dans quelles directions nos réseaux
optiques de transport longue distance devront évoluer dans cette course continue à la capacité, et ainsi
maintenir la position de leader technologique d’Orange au sein de la communauté des opérateurs télécoms
(au même titre que Verizon, ATT, ou NTT).
Objectifs de la thèse/ Résultats attendus/ Défis scientifiques/techniques à relever.
L’objectif de la thèse est d’étudier la transmission optique WDM à 400 Gbps (et au-delà) et d’identifier les
technologies qui permettront à un système WDM à 400 Gbps de transmettre 100 longueurs d’onde sur 2000
km (longueur du lien le plus long du réseau de transport d’Orange). Il s’agira plus particulièrement d’identifier
les technologies de modulation, de détection, de traitement du signal numérique, d’amplification optique les
plus appropriées à la transmission à 400 Gbps de même que le meilleur type de fibre de transmission.
En termes de modulation, les avantages, inconvénients et contraintes liés à la mise en œuvre des
technologies mono-porteuses et multi-porteuses seront à préciser, afin de faire le choix probable des
technologies multi-porteuses de type multi-bandes OFDM et/ou Nyquist-WDM. Ces deux dernières
techniques (multi-bandes OFDM et Nyquist-WDM) devront être comparées afin de déterminer si l’une ou
l’autre s’impose en termes de performance en transmission et/ou de simplicité de mise en œuvre. Il s’agira
notamment de déterminer si le filtrage de Nyquist qu’il faut appliquer aux sous-canaux modulés
individuellement en Pol-Mux QPSK (afin de réduire au maximum l’encombrement spectral du canal agrégé à
400 Gbps) n’entache pas trop la performance du système comparativement à la technologie OFDM multibandes dont les composantes ont un spectre naturellement rectangulaire.
En termes de détection, il s’agira de confirmer la supériorité de la détection cohérente sur la détection
directe, et de voir si les techniques adoptés pour réaliser un détecteur cohérent à 40 Gbps ou 100 Gbps
méritent d’être modernisées ou bien réutilisées en l’état.
En termes de traitement du signal numérique, il s’agira de mettre en œuvre les technologies d’égalisation les
plus efficaces pour chacune des deux techniques (multi-bandes OFDM et Nyquist-WDM). On s’attachera
également à faire évoluer le code correcteur d’erreur (FEC) qui opère traditionnellement sur des entrées
binaires (HD-FEC) vers des solutions plus performantes qui exploitent une information de fiabilité sur les bits
en sortie du récepteur cohérent afin de gagner des marges OSNR supplémentaires (approche dite SD-FEC).
La méthode d’égalisation par le pilote RF qui permet de compenser d’un coup d’un seul l’offset de fréquence
et le bruit de phase des lasers sera mise en œuvre pour l’OFDM. Dans le cadre de la technologie NyquistWDM, la question de savoir s’il est plus avantageux de réaliser le filtrage de Nyquist dans le domaine
numérique ou bien dans le domaine analogique sera débattue et la réponse la plus appropriée y sera
apportée. Enfin, la question de la compensation des effets non-linéaires de propagation dans la fibre par des
algorithmes de traitement du signal dédiés sera également abordée.
En termes d’amplification optique, l’introduction systématique de l’amplification Raman distribuée dans les
systèmes de transmission WDM sera débattue et la meilleure configuration sera déterminée : amplification
hybride Raman + EDFA, amplification Raman uniquement, par pompage co-propagatif seulement ou bien
par adjonction de pompage contra-propagatif, du premier ordre seulement ou bien par adjonction de
pompage du deuxième ordre. Il s’agira aussi de dire si l’amplification Raman distribuée de type « quasilossless » est nécessaire ou pas.
En termes de choix de fibre de transmission, nous nous interrogerons sur la nécessité ou non de considérer
l’utilisation de fibres plus performantes dans les réseaux de transport terrestre, et nous comparerons la
performance en transmission de fibre pure silice à très faible perte (0.16 dB/km) et très large surface
effective (110 µm², 120 µm² voire 150 µm²) par rapport à la fibre standard G.652 qui équipe nos réseaux
depuis 20 ans. Au vu de ces résultats, la question du remplacement de l’infrastructure existante sera posée
et une réponse claire y sera apportée.
Tous ces points seront débattus au moyen de mises en œuvre expérimentales dont les résultats seront
incontestables, ainsi que grâce à des simulations numériques de transmission via la méthode « Split-Step
Fourier ».
Approche méthodologique proposée par le responsable technique
Le candidat devra avoir des connaissances solides en matière de transmission sur fibre optique WDM, de
communications numériques et traitement du signal. Une bonne connaissance des techniques OFDM
est souhaitée. La thèse s'intégrera dans les projets collaboratifs français et européens sur la transmission à
400 Gbps et au-delà, où Orange Labs sera partie prenante. Le candidat devra donc avoir le goût du travail
en réseau, une bonne maîtrise de l'anglais et ne pas être intimidé par les présentations techniques en public.
Le candidat sera amené à utiliser des outils informatiques (Matlab, VPI TransmissionMaker ou
Labview) pour modéliser la transmission WDM à ultra haut débit, développer les algorithmes de traitement
du signal numérique nécessaires aux implémentations expérimentales « off-line » et automatiser les
expérimentations. Un goût pour le travail expérimental (minutie, rigueur, sens de l’organisation) sera
également déterminant dans le choix du candidat.
Planning Global du déroulement de la thèse (grandes lignes)
Après une période d'analyse de l'état de l'art, le candidat devra déterminer via des simulations numériques
VPI Transmission Maker les paramètres optimaux des systèmes WDM à 400 Gbps et au-delà employant
les technologies MB-OFDM et Nyquist-WDM, technologies qui devront par ailleurs être comparées.
Parallèlement, il devra mettre en œuvre avec Matlab les traitements algorithmiques requis en prévision des
expérimentations. Il devra notamment développer les algorithmes avancés correspondant à la méthode du
pilote RF en OFDM, ainsi que le filtrage de Nyquist dans la technologie Nyquist-WDM. L’aspect codage de
canal avancé avec mise en œuvre du décodage à entrée souple (SD-FEC) devra aussi être pris en compte
dans les expérimentations. Par ailleurs, afin de compenser les effets non-linéaires de propagation, des
algorithmes propres à ces effets devront être mis au point puis évalués expérimentalement. Les émetteur /
récepteur correspondants devront être implémentés au laboratoire, puis utilisés sur la ligne de transmission,
dont les configurations varieront tant du point de vue du choix de fibre que du type d’amplification optique.
Le doctorant sera amené à optimiser les paramètres de la ligne de transmission et à conduire
expérimentalement les mesures de performance.
Partenariat académique envisagé (contrat CIFRE)
La thèse sera encadrée par les professeurs Yves JAOUEN de Télécom ParisTech et Raphaël LE BIDAN de
Télécom Bretagne. Une convention CIFRE sera probablement sollicitée, puisqu’à priori il n’y aura pas de
projet ANR en lien avec cette thèse.
Contributions secondaires si prévues (participation à des projets collaboratifs)
Deux voire trois projets collaboratifs pourront être en lien avec cette thèse: le projet FUI9 100G FLEX du
pôle « Images & réseaux », le projet CELTIC SASER, qui débutera le 1 Juillet 2012 et possiblement un autre
projet du pôle « Images et Réseaux » qui ferait suite à 100G FLEX sur la transmission WDM à 400 Gbps et
qui serait susceptible d’être proposé à la DGCIS fin 2012 ou début 2013.