Les objectifs et les 3 mesures de performance du système OSF

Titre 4: Performances

Pour mener à bien une analyse débouchant sur le choix d’une solution OSF, il est indispensable de pouvoir estimer correctement les performances des systèmes envisagés. L’intention de cette partie est donc de clarifier le concept de « performance » relatif à l’optique sans fil et de proposer des critères objectifs permettant d’estimer cette notion.

4.1 Les trois mesures de performance

L’information provenant des constructeurs OSF n’est pas toujours très claire et prête à confusion. Souvent, les performances sont surévaluées dans le but d’augmenter les ventes à court terme. Cependant, à plus long terme, la déception des clients ne pourra que porter préjudice à l’image de l’OSF.

La raison essentielle de ce manque de clarté est que les critères de performances sont multiples et qu’il n’est pas possible d’exceller simultanément pour chacun d’eux. Il existe essentiellement trois facteurs de performance jouant mutuellement en défaveur l’un de l’autre:

– La portée: distance parcourue par le signal OSF (technologie Optique Sans Fil)

– La bande passante: nombre de bits de données transmis par seconde.

Il est important de distinguer la bande passante physique de la bande passante effective. La bande passante physique est la fréquence de modulation du signal lumineux tandis que la bande passante effective correspond au nombre de bits correctement transmis par seconde.

Pour obtenir cette grandeur, il faut soustraire à la bande passante physique la fraction de bits qui n’a pas pu être correctement communiquée. Cette fraction est appelée BER (Bit Error Rate) et dépend de divers facteurs comme les conditions météorologiques. Pour décrire les performances de bande passante d’un système OSF, l’usage est de citer la bande passante physique ainsi que le BER correspondant.

En optique sans fil, le BER varie entre 10-6 et 10-12 dans des conditions climatiques normales, mais peut augmenter fortement dans des conditions plus inclémentes.

– La disponibilité du lien22: La fraction du temps, calculée sur une année, au cours de laquelle le lien OSF est pleinement opérationnel. Une panne du matériel ou des mauvaises conditions climatiques peuvent individuellement ou en combinaison provoquer un disfonctionnement du lien.

La notion de disponibilité est utilisée par les opérateurs pour définir des contrats de niveau de service (ou Service Level Agreement, SLA) avec leurs clients. L’opérateur garantira par exemple une disponibilité de la connexion de 99,9%, ce qui correspond à une durée cumulée maximale de 8 heures de panne par an. L’intérêt de cette mesure est plus important pour qualifier des réseaux centraux que des réseaux périphériques, étant donné qu’un incident au centre du réseau peut provoquer le disfonctionnement de l’ensemble des réseaux périphériques. Cependant, les applications et les consommateurs finaux étant de plus en plus exigeants, la disponibilité devient également une préoccupation dans les réseaux périphériques.

Bien que, à la base, la disponibilité soit un pourcentage, elle est souvent exprimée en nombre de 9. Le tableau n°4 illustre cette mesure et fournit des ordres de grandeur de disponibilité.

Tableau n°4: Disponibilité, durée de panne annuelle et réseau type

Nombre de 9

Disponibilité

Durée de panne annuelle

Réseau type

2

99%

3 jours et 13h

Mauvais accès résidentiel

3

99,9%

8 heures

Bon accès résidentiel

4

99,99%

53 minutes

Réseau de fibre métropolitain

5

99,999%

5 minutes

Réseau de fibre international

Il faut également distinguer la disponibilité d’une connexion fournie par un opérateur à un client de la disponibilité d’un lien ou d’un dispositif fonctionnant au sein du réseau de cet opérateur. Dans le cadre de l’analyse des performances d’un système OSF (technologie Optique Sans Fil), ce sera évidemment la disponibilité de ce dispositif que nous évoquerons. Cependant, cette mesure doit être mise en rapport avec la disponibilité du réseau global. En absence de chemins redondants, la disponibilité d’une connexion vendue par un opérateur est au maximum égale à celle du lien ou du dispositif présentant la disponibilité la plus faible de tous les liens ou dispositifs intervenant dans cette connexion. Lors du choix d’implémentation d’une solution optique sans fil, il sera donc essentiel pour l’opérateur de prendre en considération la disponibilité du lien OSF (technologie Optique Sans Fil). Par contre, lorsqu’il est installé en tant que chemin redondant, le lien OSF augmente la disponibilité générale du réseau, quelque soit la disponibilité propre du lien.

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22 Britz D. (2002), « A review of the concept of availability as it relates to Free Space Optical Communications », AT&T Labs

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La figure n°8 représente les contraintes liant distance, bande passante et disponibilité. Cette figure sera différente en fonction des technologies OSF utilisées et de l’endroit où le lien est installé. Bien qu’elle soit fortement simplifiée par rapport aux réalités physiques, la figure illustre bien ce que les constructeurs OSF sont en mesure d’offrir à leurs clients.

Figure n°8: Relations liant les facteurs de performance des systèmes OSD



Cette figure a uniquement pour objectif de fournir des ordres de grandeur. Elle a été dessinée intuitivement à partir de spécifications de dispositifs, d’explications fournies dans des « white papers »23 et de discussions avec des professionnels. Les différentes sources étant souvent en contradiction, il est difficile d’en tirer des conclusions précises.

Nous pouvons cependant affirmer que globalement:

– Les systèmes OSF (technologie Optique Sans Fil) peuvent atteindre des distances de plus de 5 kilomètres, mais au prix d’une mauvaise disponibilité et uniquement pour des bandes passantes de l’ordre de 50 Mbps.

– Les systèmes OSF (technologie Optique Sans Fil) peuvent communiquer des bandes passantes jusqu’à 2,5

Gbps24, mais ne peuvent alors qu’atteindre des distances de l’ordre d’un kilomètre et beaucoup moins si l’on désire une disponibilité élevée.

– Des disponibilités de plus de 4 neufs ne sont possibles que sur des distances inférieures à environ deux kilomètres.

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23 Teong Ong J. (novembre 2002) « Trial based study of Free Space Optics Systems in Singapore », Bloom, Korevaar, Schuster, Willebrand (2003), « Understanding the performance of free-space optics » Communication By Light (janvier 2003), « LaserLinks for GSM/UMTS », application note

24 Walsh J. (juillet 2004), « fSona announces new scalable 2.5 Gbps Free Space Optical Wireless Systems »

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Pour être complet, il faut ajouter que tous les produits OSF ne permettent pas d’atteindre les performances décrites ci-dessus. Il existe en effet des produits OSF de moindre qualité aux performances plus réduites mais de prix plus faibles.

4.2 Critères objectifs de performance

Bien que utile pour expliquer aux clients potentiels d’OSF ce qu’ils peuvent attendre de la technologie, la figure n°8 est moins efficace pour aider un acheteur à comparer entre eux les produits OSF (technologie Optique Sans Fil). En effet, cette figure prend en compte des éléments extérieurs aux systèmes à comparer, notamment les conditions climatiques. Il faudra donc envisager une autre approche qui consiste à étudier non pas les performances pratiques des systèmes mais les capacités techniques qui permettent d’obtenir ces performances.

Pour ce faire, observons l’équation qui décrit la relation entre les caractéristiques techniques du système, les perturbations extérieures et les performances pratiques:



PR = Puissance reçue au récepteur (mW)

PT = Puissance émise à l’émetteur (mW)

d1 = Ouverture à l’émetteur (m)

d2 = Ouverture au récepteur (m)

D = Divergence du faisceau (rad)

R = Distance entre émetteur et récepteur (m)

α = Facteur d’atténuation atmosphérique (dB/km)

La puissance du signal au récepteur est donc égale à la puissance transmise, multipliée par un coefficient d’atténuation géométrique et un coefficient d’atténuation atmosphérique.

Afin d’estimer les capacités intrinsèques d’un système indépendamment des perturbations qui lui sont extrinsèques, négligeons le facteur d’atténuation atmosphérique. D’autre part, le signal sera correctement reçu à condition que sa puissance au récepteur soit supérieure à la sensibilité du récepteur. Il est donc logique d’utiliser comme indicateur des capacités intrinsèques le rapport entre ces deux grandeurs. Ce rapport est appelé la marge du lien ou link margin25:



PR = Puissance reçue au récepteur (mW)

PT = Puissance émise à l’émetteur (mW)

SR = Sensibilité du récepteur (mW)

d1 = Ouverture à l’émetteur (m)

d2 = Ouverture au récepteur (m)

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25 Fsona (2002), « Link margin and free space optics », application brief

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La marge du lien est le rapport entre la puissance reçue en absence d’atténuation atmosphérique et la puissance reçue minimale en dessous de laquelle les données ne sont plus correctement transmises. Elle illustre donc la capacité d’une installation OSF à faire face à l’atténuation atmosphérique. Notons que cette marge tient compte non seulement des caractéristiques du système OSF (technologie Optique Sans Fil), mais également de la distance entre les dispositifs qui composent le lien. Il ne s’agit donc pas d’une propriété d’un dispositif mais de celle d’un lien particulier. Pour les systèmes actuels, les marges des liens varient entre 30 et 60 dB. Remarquons que des formules plus compliquées doivent être utilisées pour tenir compte de caractéristiques plus complexes telles que l’auto tracking ou la multiplicité de faisceaux.

Lors de la détermination des caractéristiques, il convient également de se mettre d’accord sur la manière de les mesurer. La puissance de l’émetteur est-elle mesurée au niveau du laser ou de l’ouverture? S’agit-il de la sensibilité du récepteur à l’ouverture ou au niveau du détecteur? A quel taux d’erreurs maximal cette sensibilité correspond-elle? De même, la divergence du faisceau doit être déterminée de manière conventionnelle. Elle est en effet égale à l’angle à partir duquel l’intensité du signal lumineux correspond à une fraction conventionnelle de l’intensité de ce signal au centre du faisceau.

Ces mesures permettent alors de déterminer pour chaque produit OSF (technologie Optique Sans Fil) une fonction reliant la marge du lien à la distance parcourue par celui-ci. La figure n°9 illustre une telle fonction.

Puissance émise à l’émetteur

8 mW

Ouverture à l’émetteur :

1,5 cm

Puissance reçue au récepteur:

-30 dBm

Ouverture au récepteur:

20 cm

Divergence du faisceau:

0,3 mRad



Notons que pour le dispositif représenté, il n’y a pas d’atténuation géométrique jusqu’à une distance d’environ 600m, comme dans ces conditions le faisceau au récepteur est moins large que l’ouverture de celui-ci. Une fois que l’utilisateur potentiel d’OSF a choisi un produit délivrant une certaine bande passante et a défini la distance couverte par le lien, il peut déterminer, à l’aide d’un tel graphique, la marge du lien. Sur base de cette marge et de statistiques météorologiques propres à la région, il pourra ensuite estimer la disponibilité espérée du lien.

La figure n°10 illustre le pouvoir atténuant du brouillard. Toutefois, dans la grande majorité des cas, peu de statistiques précises seront disponibles et seule l’installation du lien pendant une période relativement longue permettra d’estimer la disponibilité à long terme. Il ne sera donc presque jamais possible de prédire les performances finales d’un lien avant de l’avoir installé et testé.

Figure n°10: Illustration du pouvoir atténuant du brouillard



Lien situé à Denver, Colorado. La ligne jaune fait 2,4km. Le grand immeuble au premier plan se trouve à 300m

Source: Journal of optical networking, June 2003, Vol. 2, N° 6

4.3 Conclusion

Dans cette partie, nous avons mis en avant les trois facteurs de performances des communications optiques sans fil: la distance, la bande passante et la disponibilité. Comme ces facteurs dépendent les uns des autres et que l’un ne peut être maximisé qu’aux dépens des autres, il faudra toujours les citer tous les trois lorsque nous aborderons le sujet des performances.

Nous avons également vu que pour estimer la performance des dispositifs de façon objective, sans tenir compte des conditions climatiques locales, la marge du lien constitue une mesure adéquate des capacités techniques des produits OSF. Représentée sur un graphique en fonction de la distance, la marge du lien permet de prédire la portée maximale des dispositifs en connaissance de statistiques météorologiques et de la disponibilité souhaitée du lien.

Titre 5: Offre des constructeurs

Il existe en tout une trentaine d’entreprises produisant des dispositifs OSF (technologie Optique Sans Fil). Certaines sont spécialisées dans cette activité alors que d’autres, comme Terabeam, développent également des systèmes hertziens. Quelques sociétés, comme Canon, sont également présentes dans des métiers complètement différents.

L’observation de l’offre de ces entreprises amène à les répartir en deux groupes:

– Celles qui vendent plusieurs gammes de produits aux performances et aux prix divers. Généralement ces produits sont répartis en trois gammes. La gamme la plus basse offrant des produits basiques alors que la plus haute gamme présente des modèles avec auto-tracking et jusqu’à 8 faisceaux redondants. Font partie de ce groupe de sociétés Fsona, Lightpointe, Terabeam et Canon.

– Celles qui ne vendent que des produits basiques de basse gamme mais à des prix compétitifs. Ces sociétés sont beaucoup plus nombreuses que celles du premier groupe. Citons entre autre IRlan, PAV, CBL et Alcom. Il apparaît donc relativement facile de produire des dispositifs de bas de gamme, tandis que les options présentes sur les dispositifs de gamme plus haute requièrent plus de savoir-faire et de fonds.

D’autre part, nous pouvons constater de façon générale que les sociétés productrices de dispositifs OSF (technologie Optique Sans Fil) ne vendent pas uniquement les appareils qu’elles construisent mais également tout ce qu’il y a autour. Ceci comprend:

– Les Terminaux OSF: le produit central

– Des accessoires: les mâts de fixation des dispositifs, les systèmes d’alimentation électrique,…

– Du software: Il s’agit d’une part, de programmes permettant de calculer et de prévoir les performances des dispositifs et d’autre part, de programmes assistant le client dans la gestion de son réseau.

– Des formations: les sociétés OSF forment leurs gros clients ainsi que leurs distributeurs à entretenir leurs produits.

– Les garanties: Il existe différents types des garanties en ce qui concerne la durée et l’étendue des dommages couverts.

Toutes ces composantes de l’offre sont vendues en paquet ou séparément.

Titre 6: Conclusions

Dans un premier temps, nous avons étudié les caractéristiques des systèmes optiques sans fil et avons découvert que ceux-ci ne sont pas des produits standards. Il existe en effet plusieurs manières de concevoir ces liens optiques : certains sont à tête intelligentes et d’autres sont à tête passive, certains fonctionnent à des longueurs d’ondes de 850 nm et d’autres à des longueurs d’onde de 1550 nm. Nous avons également pu observer que les dispositifs OSF (technologie Optique Sans Fil) sont des produits de grande précision présentant une certaine fragilité. Les lasers, à durée de vie limitée, doivent par exemple être maintenus dans des conditions de températures et d’humidité adéquates.

Nous avons ensuite décrit les contraintes limitatives des technologies optiques sans fil. Parmi celles-ci, l’atténuation par les hydrométéores et en particulier par le brouillard est sans conteste la plus contraignante, d’autant plus qu’à l’heure actuelle, aucune solution efficace ne permet de la contourner. Les autres types de dysfonctionnements des systèmes OSF (technologie Optique Sans Fil), comme les problèmes d’alignement des dispositifs, peuvent par contre être surpassés par des systèmes de correction, certes coûteux mais efficaces.

Dans la partie suivante de ce chapitre, nous avons tenté de clarifier le concept de performances relatif à l’optique sans fil. Il convient en effet de bien comprendre toutes les subtilités liées à l’évaluation de la capacité des liens OSF. Les performances des liens optiques sans fil sont en effet déterminées par trois critères dépendant les uns des autres et qu’il n’est pas possible de maximiser simultanément : la portée, la bande passante et la disponibilité. Nous proposons donc d’utiliser la marge du lien comme mesure adéquate des capacités OSF.

Grâce à ce chapitre nous serons maintenant capables d’évaluer correctement la grande diversité de produits OSF et d’identifier leurs principales caractéristiques. Nous pourrons ainsi faire la différence entre des produits de bas de gamme, sensibles aux caprices de l’environnement et des produits de plus haute gamme, équipés pour être performants dans toutes les conditions.

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