Le routage optique

Introduction La technique de transport optique est devenue la clé importante du réseau de transport de données Par convention, la transmission de données dans le réseau optique doit satisfaire deux conditions: la continuité de la longueur d’onde sur une connexion l’unité de la longueur d’onde transmise dans une fibre optique La fibre optique est un support privilégié pour les transmissions à haut débit, mais son coût est bien plus élevé que le support cuivre. La fibre optique se développe pourtant très bien et si les limites du cuivre sont dessinées, celles de la fibre optique sont encore loin. Face à l’inconvénient du prix, on lui reconnaît de nombreux avantages : une bande passante de l’ordre de 1 GHz pour 1 km, un volume très faible pour un encombrement minimum, une grande légèreté, une très faible atténuation (1 dB/km) et donc une très bonne qualité de transmission, une indépendance presque totale face à la température et aux perturbations. Elle-même ne rayonne d’ailleurs pas. Un autre avantage de la fibre optique est l’aspect sécurité : il est très difficile de brancher une écoute sur câble optique et une telle opération se traduit par une chute significative du signal dont la cause est facilement localisable. Il existe deux types de fibre optique, la fibre monomode et la fibre multimode. La fibre monomode possède un cœur de très petit diamètre, de l’ordre de la longueur d’onde du signal transmis. La lumière transite donc le long de l’axe du câble et donc de plus longues distances possible (peu d’atténuation). La fibre multimode voit les rayons lumineux suivre des trajets différents suivant l’angle de réfraction. Les rayons peuvent donc arriver au bout de la ligne à des instants différents, d’où une certaine dispersion du signal. Il est à noter que la fibre monomode est plus cher que la fibre multimode.

Multiplexage optique Multiplexage temporel (TDM) Multiplexage en longueur d’onde (WDM) TDM : Le multiplexage TDM consiste imbriquer temporellement dirents canaux de communication en trames successives Si lon se reprsente un +ot dinformation par les dents dun peigne le multiplexage temporel revient superposer les peignes des dirents canaux en les dcalant les uns par rapport aux autres voir gure Cela ncessite une synchronisation prcise la rception chaque canal temporel est dmultiplex puis achemin vers sa destination On peut raliser lectroniquement les fonctions de multiplexage'dmultiplexage temporels avec des circuits intgrs ultrarapides Gbits's en laboratoire Toutefois le cot prohibitif de ces circuits pour les trs hauts dbits suggre deectuer le multiplexage temporel par des moyens purement optiques une voie actuellement Explore Actuellement utilisé dans les réseaux PDH, SDH et SONET WDM : La technologie WDM est né au début des années 90 de l’idée d’injecter simultanément dans la même fibre optique plusieurs trains de signaux numériques à la même vitesse de modulation, mais chacun a une longueur d’onde distincte. La norme IUT G692 a défini un peigne de longueurs d’onde autorisées dans la fenêtre de transmission 1530-1565 nm. Elle normalise l’espacement en nanomètre ou en GigaHertz entre deux longueurs d’onde permises de la fenêtre : 200 GHz ou 1,6 nm ou 100 GHz ou 0,8 nm. La technologie WDM est dite dense (DWDM) lorsque l’espacement utilisé est égal ou inférieur à 100 GHz. Des systèmes à 50 GHz ou à 25 GHz ont déjà été testés. Les systèmes commercialisés aujourd’hui comportent 4, 8, 16, 32 ou 80 canaux optiques, ce qui permet d’obtenir des débits de 200 Gbps en prenant un débit par canal de 2,5 Gbps. Pour fixer les idées, un système à 16 canaux de 2,5 Gbps permet de transmettre 500 000 conversations téléphoniques sur une seule fibre…

Comparaison TDM - WDM Débit global Flexibilité WDM est la technique de multiplexage la plus efficace Au premier abord on pourrait penser que les deux approches de multiplexage optique TDM etWDM sont semblables Elles le sont au niveau formel puisquelles permettent la superposition sur le mme support physique de transmission de plusieurs canaux de communication identiables selon leur dcalage temporel pour TDM et selon leur longueur donde pour WDM Cependant au niveau tech nologique lapproche TDM prsente des inconvnients signicatifs par rapport lapproche WDM En premier lieu les canaux TDM ne sont pas transparents pour le dbit de modulation ni pour le type de modulation Ils sont uniquement modula bles numriquement en amplitude et leur dbit est impos par le multiplexeur temporel linverse chaque canal WDM peut tre modul individuellement numriquement ou analogiquement en amplitude ou en phase Le dbit de chaque canal WDM peut en outre tre choisi arbitrairement du moment que les signaux ne se recouvrent pas spectralement Il en rsulte une plus grande +exibilit Une autre caractristique dsavantageuse du multiplexage optique TDM provient du trs haut dbit du signal multiplex qui rsulte de lagrgation des canaux entrelacs temporellement Cette consquence inhrente au multiplexage temporel constitue un inconvnient majeur pour les systmes de transmission optiques lorsque le signal multiplex se met couvrir des dizaines de gigahertz Le traitement lectronique constitue alors un frein aux oprations de multiplexage et dmultiplexage temporels alors que lapproche WDM eectue cellesci optique ment et passivement De plus le phnomne de dispersion limite dautant plus la propagation du signal TDM multiplex que son dbit est important Les dbits moindres de chaque canal WDM permettent dviter ce problme Enn lapproche TDM soure dun manque dextensibilit Laddition dun nouveau canal TDM ncessite une modication des dcalages temporels et une resynchronisation de tous les canaux dj existants Inversement lindpendance des canaux WDM autorise la cration dun nouveau canal simplement par lajout dun metteur laser et dun ltre optique appropris sans aecter les autres canaux En conclusion lapproche WDM savre la technique de multiplexage prfren tielle pour les systmes de transmission optiques en raison de la transparence de la +exibilit et de lextensibilit des canaux WDM

Commutateurs optiques : répartiteur Un rpartiteur Fiber Optical CrossConnect FOXC permet deectuer une fonction de commutation entre les bres dentre et de sortie du routeur voir gure ! Cest le plus lmentaire des commutateurs optiques et le moins coteux en fabrication Ce type dquipements ne permet pas deectuer les oprations de dmultiplexage sur les signaux entrants ni de multiplexage sur les signaux sortants Cest pourquoi le rpartiteur est dit insensible aux longueurs donde Les fonctions dextraction et dinsertion de signaux avec le terminal reli au routeur sont possibles mais cest alors lensemble des canaux WDM multiplexs qui est extrait dune bre dentre ou insr dans une bre de sortie

Commutateurs optiques : multiplexeur à insertion/extraction Un multiplexeur insertion'extraction Optical AddDrop Multiplexer OADM permet dextraire certains canaux WDM en transit sur une bre optique et den insrer dautres Il est gnralement constitu dun dmultiplexeur optique pas sif de commutateurs ddis aux direntes longueurs donde et dun multiplexeur optique passif comme il est montr schmatiquement sur la gure Les tats des commutateurs intermdiaires contrls lectroniquement dtermi nent quels canaux WDM poursuivent leur chemin lesquels sont extraits en vue de leur rception locale et lesquels peuvent tre insrs aprs mission locale

Commutateurs optiques : brasseur Un brasseur Wavelength Routing Optical CrossConnect WROXC est un com posant de commutation slectif en longueur donde Cela signie que chaque canal WDM peut tre dirig vers une bre de sortie indpendamment des autres canaux multiplexs sur la mme bre dentre Une srie de dmultiplexeurs situs aux extrmits des bres dentre permet dans un premier temps de dmultiplexer les signaux entrants et de diriger spatialement chaque groupe de canaux WDM la mme longueur donde vers un commutateur photonique particulier Ces commutateurs sont contrls lectroniquement et appliquent sur les groupes de canaux des fonctions de commutation indpen dantes les unes des autres Les canaux WDM sont enn remultiplexs sur chaque bre de sortie

Multiplexage en longueur d’onde Problème : Deux canaux optiques de même longueur d’onde ne peuvent emprunter une même fibre !!! Solutions : Utiliser plusieurs fibres entre deux nœuds Equiper les nœuds de convertisseurs en longueurs d’onde (conversion éparse ou partielle) Le multiplexage en longueur d’onde (WDM) est aujourd’hui la technologie la plus adaptée aux réseaux de communication optique, car elle permet une utilisation efficace de la bande passante offerte. Dans un réseau WDM, des faisceaux lasers de longueurs d’onde différentes sont utilisés pour établir des canaux de communications fixes et à hauts débits entre des paires de nœuds du réseau. La contrainte principale imposée par la technologie WDM est que deux canaux optiques de même longueur d’onde ne peuvent pas emprunter une même fibre. Cette contrainte corrèle le routage et l’affectation de longueurs d’onde. De plus, l’utilisation de chaque fibre en terme de longueurs d’onde peut se trouver fortement réduite. Deux techniques offrant plus de flexibilité dans l’utilisation des longueurs d’onde sont déployées pour une meilleure efficacité du réseau. - Solutions : La première consiste à interconnecter physiquement les nœuds du réseau par plusieurs fibres. Cette stratégie est motivée par le coût fixe des travaux (tranchées, . . .) qu’il faut réaliser pour installer un faisceau de fibres optiques, très largement supérieur au coût réel de la fibre optique. Cet argument économique amène les opérateurs à préférer installer ces réseaux dits multifibres. La seconde technique augmente la complexité des brasseurs placés aux nœuds du réseau en leur ajoutant des convertisseurs en longueurs d’onde. Ces équipements permettent de changer la longueur d’onde d’un faisceau optique par des techniques optiques ou opto-électroniques. La conversion en longueurs d’onde dans les réseaux WDM a été largement étudiée et sous différents modèles. Il a été montré qu’elle améliore sensiblement l’utilisation de la bande passante en permettant une meilleure affectation des longueurs d’onde [9, 12, 1, 11]. Toutefois, les technologies mises en oeuvre sont très coûteuses et il n’est pas réaliste de supposer que tous les nœuds du réseaux permettent une conversion totale (conversion possible de tous les faisceaux incidents au nœud). Dès lors deux approches se distinguent dans la littérature : la conversion éparse et la conversion partielle. Dans un réseau avec conversion éparse une partie des nœuds est équipée pour opérer une conversion totale, dans un tel réseau, les nœuds pouvant convertir sont appelés nœud opaques, et ce qui ne peuvent pas sont appelés nœuds transparents. à l’inverse dans un réseau avec conversion partielle, tous les nœuds du réseaux sont équipés de convertisseurs permettant un petit nombre de conversions.

Convertisseurs optiques : Conversion opto-électronique Dans la conversion de longueur donde optolectronique le signal optique con vertir doit dabord tre traduit dans le domaine lectrique laide dune photo diode voir gure Le +ot lectronique rsultant est ensuite rinject aprs stockage ventuel dans une mmoire tampon sur la commande de modulation dun metteur laser rgl sur la longueur donde dsire Cette mthode a t exprimente pour des dbits allant jusqu Gbps ,Yoo"- Cependant elle est plus complexe et consomme davantage de puissance que les autres mthodes dcrites cidessous ,DMJ"- De plus le procd de conversion optolectronique aecte la transparence du signal en lui imposant un format de modulation et un dbit spciques Toute information module en phase en frquence ou analogiquement est perdue durant ce processus de conversion Consomme beaucoup Affecte la transparence Flexible

Convertisseurs optiques : Conversion tout optique Transparence totale du signal Débit plus important Sans entrer dans les dtails technologiques nous donnons ici brivement les pro prits des deux principales techniques de conversion toutoptique Les mthodes de conversion bases sur les eets cohrents tolrent tous les formats de modulation orant ainsi une transparence totale du signal Cest de plus le seul type dapproche qui permet la conversion simultane dun ensemble de longueurs donde vers un autre et qui peut tolrer des dbits dpassant les Gbps ,Yoo"- Les techniques de conversion bases sur la modulation croise utilisent des composants optiques actifs semiconducteurs tels que des amplicateurs ou des metteurs laser Les dbits autoriss sont de lordre de Gbps Lavantage de cette approche rside dans sa facilit dutilisation Un brasseur convertisseur Wavelength Translating Optical CrossConnect WT OXC est un composant de commutation slectif en longueur donde et qui permet de plus leur conversion Le brassage des canaux WDM ne seectue donc pas ncessairement longueur donde constante comme dans un brasseur simple Ces n%uds de commutation prsentent ainsi davantage de +exibilit mais une structure beaucoup plus complexe Les architectures des brasseurs convertisseurs tant aussi varies que sophis tiques nous ne donnons pas ici de reprsentation dtaille Il faut mentionner de plus que le domaine technologique de la conversion de longueur donde est en pleine volution et les techniques actuelles peuvent changer rapidement Brasseur convertisseur

Problème du routage optique « Etant donnés un réseau, une instance de requêtes de communication, et un ensemble de ressources (fibre, longueurs d’onde, convertisseurs), trouver un chemin optique pour chaque requête tel que deux chemins ne peuvent pas utiliser la même longueur d’onde sur la même fibre. » Exemple : réseau à 1 fibre, 6 couleurs et 1 conversion par sommet Dans les réseaux WDM, les connexions se font par des faisceaux lasers utilisant une longueur d’onde disponible. Lorsqu’un faisceau laser est incident à un nœud du réseau, le brasseur placé en ce nœud peut le faire se propager sur une autre fibre prédéterminée sans changer sa longueur d’onde grâce à une technologique optique passive. Le brasseur peut également « convertir » le faisceau laser par un moyen optique ou opto-électronique [13] avant de le rediriger sur la fibre appropriée. L’ensemble des faisceaux composant une connexion est appelé chemin optique et chemin optique wcoloré si il utilise au plus w longueurs d’onde. -Description de l’exemple

Graphe de longueurs d’onde Graphe des longueurs d’ondes : Ne reflète pas les contraintes de commutations entre deux longueurs d’ondes

Coût des contraintes de commutation de longueur d’onde Commutation au niveau du nœud Coût d’initialisation (add cost) : a(h) Coût de terminaison (drop cost) : b(h) Coût de base (base cost) : c(h)

Graphe auxiliaire Ajout d’une source et d’une destination virtuelle

Les graphes : résumons Le problème du routage optique sur le graphe du réseau est équivalent au problème du chemin le plus court sur le graphe auxiliaire

Problème : le graphe des longueurs d’ondes peut être énorme Particulièrement vrai pour les réseaux riche en : Topologie Conversion de longueur d’onde Exemple : Liens Noeuds Graphe du réseau 56 17 Graphe auxiliaire avec w canaux par fibre 80w² + 36w 56w Exemple avec w=80 514880 4480

Graphe de canaux primaires On regroupe les canaux d’une même fibre Les nœuds représentent des ensembles de canaux plutôt que des canaux individuels

Graphe de canaux primaires Network graphe Primary channel graphe

Gain en complexité Liens Noeuds Graphe du réseau 56 17 Graphe auxiliaire avec w canaux par fibre 80w² + 36w 56w Exemple avec w=80 514880 4480 Graphe de canaux primaires 116

Utilisation Idée de base : trouver les chemins sur le graphe de canaux primaires puis résoudre les canaux de longueur d’onde Deux algorithmes : Expand in isolation (EXIS) Expand in place (EXIP)

Expand in isolation (EXIS) Entrée : Graphe de canaux primaires Gp Sortie : un chemin optique, ou ECHEC si aucun ne peut être trouvé 1. k=1 2. Calculer le kiéme chemin le plus court pk sur Gp 3. Retourner ECHEC si pk ne peut être trouvé 4. Trouver un assignement de canaux de coût minimal su pk 5. Retourner pk et les canaux assignés si l’assignement de canaux a réussi 6. Sinon, k=k+1 et retourner à l’étape 2

EXIS : Application L’algorithme EXIS réussi si et seulement si il existe un chemin optique qui n’inclue pas plus d’un canal de longueur d’onde de chaque regroupement de canaux

Expand in place (EXIP) Entrée : Graphe de canaux primaires Gp Sortie : un chemin optique, ou ECHEC si aucun ne peut être trouvé 1. Calculer le chemin le plus court p sur Gp 2. Retourner ECHEC si p ne peut être trouvé 3. Retourner p si chaque nœud représente un canal simple 4. Etendre les canaux non résolus le long de p et retourner à l’étape 1

EXIP : Application L’algorithme EXIP réussi si et seulement si il existe un chemin optique Plus dur à implémenter, mais trouvera le chemin s’il existe

Conclusion Les réseaux migrent vers le tout optique WDM permet une exploitation optimale de la bande passant d’un tel support Le matériel et les modèles existant permettent déjà un routage efficace des signaux Le coût prohibitif de la mise en œuvre de cette solution freine son développement