Radio sur fibre bas-coût pour les réseaux domestiques

Systèmes et Réseaux de télécommunications
A5.11
Système ULB - Radio sur fibre bas-coût pour les réseaux domestiques à
haut débit
I. Louriki1, A. Pizzinat1, B. Charbonnier1, S. Meyer1, M. Terré2, C. Algani2, A-L. Billabert2, C.
Sillans3, H. Jaquinot4, S. Bories4, Y. Leguennec5
1
France Telecom R&D, 2 Av. P. Marzin, Lannion (France)
2
CNAM, 3 IFOTEC, 4 CEA-LETI, 5 IMEP
[email protected], [email protected]
RESUME
Dans un contexte de montée en débit dans le réseau local domestique, l'étude se porte sur la
technologie Radio sur Fibre (Radio over Fiber : RoF) exploitant le standard Ultra Large
Bande (ULB) afin de déployer un réseau domestique sans fil fonctionnant à un débit de
l'ordre du Gbit/s. De plus, différentes architectures doivent être envisagées afin de partager
l'accès aux services multimédias entre plusieurs équipements.
MOTS-CLEFS : Radio sur Fibre, ULB, réseau domestique, FTTH.
1. INTRODUCTION
A l'heure actuelle, les services de télécommunications accessibles aux usagers, notamment les
services multimédias comme l'Internet très haut débit, la visiophonie et la TV Haute Définition,
connaissent une évolution rapide. Ces services nécessitent des débits de l'ordre du Gbit/s. Cette évolution
du réseau d'accès conduit l'utilisateur à déployer une technologie de réseau local, de préférence sans fil,
afin de partager son accès aux services multimédias entre plusieurs équipements. Ainsi, à l'horizon 2010,
il est prévu qu'une maison "bien connectée" nécessitera un réseau local sans fil fonctionnant à haut débit
[1]. Certains standards comme l'Ultra Large Bande (ULB), sont capables de transporter du Gbit/s mais
sont limités en portée. La technologie RoF est une solution pour étendre la portée de l'ULB. Des études
récentes ont démontré la faisabilité de l'ULB via un lien en fibre optique monomode ou multimode, mais
en architecture point à point uniquement. Nous avons effectué plusieurs tests afin d’évaluer les
performances du système ULB - RoF étudié, dans différentes conditions (distance radio, pertes optiques,
puissance optique…). Ceci nous a permis de tester la compatibilité du système avec plusieurs
architectures. Nous présentons ici les résultats expérimentaux de ce lien RoF dans les différentes
conditions citées plus haut.
2. RESEAU HYBRIDE ET ARCHITECTURE ASSOCIEE
FIG. 1 : Répéteur optique transparent
FIG. 2 : Architecture multipoints vers multipoints
Un réseau hybride radiofréquence/optique sert de répéteur optique et relie des points d'accès ULB
grâce à la fibre multi-mode (Multi-Mode Fibre : MMF) et des composants bas-coût (laser VCSEL et
photodiode) (Cf. Figure 1). Dans chaque point d'accès ULB, un signal ULB module directement une
porteuse optique se propageant dans la fibre pour arriver à un autre point d'accès ULB [2]. Dans notre
cas, la technologie ULB considérée est la technologie Multi Band Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (MB-OFDM) et nous étudions la faisabilité d'une architecture multipoints vers multipoints
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basée sur un coupleur optique NxN. Ce coupleur passif permet à un signal envoyé d'un utilisateur
d'atteindre tous les autres utilisateurs [3] (Cf. Figure 2).
3. DESCRIPTION DU SYSTEME ROF EXPERIMENTAL
Le système expérimental a été conçu avec des composants bas-coût tel que le montre la Figure 3.
Il a été dimensionné en termes de gain et de facteur de bruit (NF). En ce qui concerne le gain, outre le
budget restreint imposé par le coupleur optique, il faut prendre en compte les pertes correspondant aux
deux liens dans l'air (Cf. Figure 3). Ainsi, le système doit pouvoir compenser 60dB de pertes pour une
distance de propagation dans l'air de 8m, à la fréquence 4GHz [3]. Le signal ULB envoyé par un
terminal ULB est reçu par l'antenne de réception du système (Rx). Il passe par deux étages
d'amplification avant de moduler une porteuse optique qui se propage dans la fibre MMF. Le signal est
ensuite reçu par un deuxième système RoF, converti par une photodiode et envoyé par l'antenne de
transmission (Tx), avant d'atteindre le second terminal ULB. Les antennes utilisées sont des antennes
planaires conçues dans le cadre du projet. Elles ont un gain de 10dB qui permet de compenser,
partiellement, les pertes dans l'air, pour une ouverture de 50°. Le premier amplificateur inséré dans le
système est un amplificateur commercial à faible bruit (GALI 39+, MiniCircuits, G=17dB, NF=2.4). Le
second, quant à lui, est un amplificateur à faible bruit (Low Noise Amplifier : LNA) et à gain variable
conçu dans le cadre du projet. Il a un gain maximal de 20dB et une dynamique de 40dB. Il permet de
régler la puissance RF à l'entrée du laser et de la maintenir à un niveau constant indépendamment de la
position du terminal ULB. En ce qui concerne les lasers et les photodiodes utilisés, il s'agit de VCSELs
et de photodiodes bas-coût typiquement utilisés pour des communications numériques.
FIG. 3 : Système RoF expérimental
4. RESULTATS EXPERIMENTAUX
Dans un premier temps, nous avons caractérisé le gain du système et son facteur de bruit sur la
bande de fréquences [0-8GHz], en fonction du gain de l'amplificateur à gain variable et de l'atténuation
optique. La puissance RF en entrée du système a été fixée à -70dBm, ce qui correspond à un lien dans
l'air de 8m. Les résultats sont représentés dans la Figure 4.
Ensuite, nous avons déterminé les performances du système par simulation en prenant en
compte différents paramètres : les valeurs maximales de l’atténuation optique et de l’atténuation RF et la
puissance optimale en entrée du laser VCSEL. Nous avons utilisé un générateur de formes d'ondes
arbitraires (Arbitrary Waveform Generator : AWG) pour générer des signaux OFDM, un atténuateur
optique variable pour simuler les pertes dans le coupleur optique et un oscilloscope numérique pour
l'acquisition (Cf. Figure 5). Un amplificateur de type MITEQ de 35dB de gain est inséré en fin de chaîne
pour amplifier le signal en sortie. Les résultats représentés dans la Figure 6 décrivent l'évolution de
l'EVM (Error Vector Magnitude) sur les trois premières sous-bandes OFDM en fonction des pertes
optiques, pour des pertes RF en entrée de 60dB et des pertes en sortie de 30dB, ce qui correspond à deux
bonds radio dans l'air d'environ 8m et 3m. Cet EVM correspond à la distance moyenne entre le point
mesuré de la constellation du signal et un point de référence. A partir de l'EVM, le SNR et le BER
peuvent être estimés grâce aux formules suivantes :
§ V2
SNR = −20 log(EVM ) + 10 log¨ 2
¨V
© max
·
¸
¸
¹
§
1 ·
3 ⋅ SNR
2¨¨1 −
¸¸erfc
2m − 2
m
¹
BER = ©
log 2 m
(1)
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(2)
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Où <V²> est la moyenne de la tension au carré calculée sur tous les points de la constellation, et V²max
est le carré de la tension crête, dans l'équation (1). m est la dimension de la constellation (QPSK : m=4).
Enfin, nous avons réalisé un montage nous permettant d'évaluer le débit de transmission entre un
PC et un serveur en fonction de la distance de propagation dans l'air et pour différentes architectures (Cf.
Figure 3). La distance entre le terminal ULB relié au serveur et le premier système RoF a été fixée à 1m.
La distance entre le second système RoF et le terminal ULB relié au PC, quant à elle, varie de 1 à 6m.
Les résultats ont été obtenus pour une atténuation optique allant jusqu'à 8dB, ce qui correspond à une
configuration avec un coupleur 4x4, et sont représentés dans la Figure 7.
FIG. 4 : Gain et NF en fonction du gain du LNA
FIG. 5 : Banc de caractérisation du système RoF
FIG. 6 : EVM en fonction de l'atténuation optique
FIG. 7 : Débit de en fonction de la distance
CONCLUSION
Nous avons démontré la faisabilité de la transmission de signaux ULB dans la bande de fréquence
[3.1-4.7GHz], à haut débit, via un système RoF bas-coût. Le système a été caractérisé en termes de
performance, de gain et de débit et sa compatibilité avec plusieurs architectures a été testée.
REMERCIEMENTS
Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du projet national BILBAO (Borne d’Infrastructure
Large Bande avec Accès Optique).
REFERENCES
[1] Q. T. Nguyen, A. Pizzinat, B. Charbonnier, S. Meyer, P. Guignard, “ Ultra Wide Band over fibre
transparent architecture for High Bit-rate Home Networks”, e-Photon One 2007
[2] B. Cabon, Y. Le Guennec, P. Lombard, M. Lourdiane, J-M Duchamp, A. Pizzinat, I. Louriki, B.
Charbonnier, F. Payoux, S. Meyer, M. Terré, C. Algani, A-L. Billabert, C. Sillans, H. Jaquinot, S.
Bories, G. Froc," Optical fiber infrastructures for UWB access and FTTH", ISIS Workshop 2008
[3] A. Pizzinat, I. Louriki, B. Charbonnier, F. Payoux, S. Meyer, M. Terré, C. Algani, A-L. Billabert, C.
Sillans, H. Jaquinot, S. Bories, Y. Leguennec, "Low cost Transparent Radio-over-Fibre System for
UWB Based Home Network", ECOC 2008
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