Les systèmes OSF : Architecture et caractéristiques

Architecture et caractéristiques des systèmes OSF – Titre 2:

L’objectif de cette partie est de décrire le fonctionnement général des systèmes optiques sans fil et d’expliquer les options entrant en compte dans la construction de tels systèmes. Cette description devrait permettre, d’une part, de mieux comprendre les déterminants du prix et des performances des systèmes OSF (technologie Optique Sans Fil) et d’autre part, de faire le lien entre leurs performances et leurs prix.

Figure n°1: Architecture générale des systèmes optiques sans fil14



A quelques exceptions près, la plupart des liens OSF sont réalisés à l’aide de deux unités identiques situées de part et d’autre du lien et regroupant l’ensemble des fonctions du système. La figure n°1 représente un tel système.

Certains constructeurs, comme Dominion, proposent toutefois des dispositifs où le système optique, composé de lentilles et de miroirs, est séparé du reste. Les premiers systèmes sont dits à tête intelligente alors que les seconds sont dits à tête passive15. L’avantage des systèmes à tête passive est de pouvoir installer la partie effectuant les conversions électro-optiques à l’intérieur et l’unité optique (la tête passive) à l’extérieur.

Celle-ci ne nécessite aucune alimentation électrique, ne faisant que retransmettre dans l’atmosphère les signaux lumineux reçus par fibre optique. Cependant, peu de constructeurs adoptent cette architecture, étant donné la forte atténuation du signal causée par la multiplication des jonctions optiques.

D’autre part, l’économie réalisée sur le câblage électrique est négligeable. En effet, comme les coûts de main d’œuvre doivent inévitablement être encourus pour placer la fibre optique reliant l’unité intérieure à l’unité extérieure, seul le prix du câble électrique est économisé.

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14 Figure traduite de celle de Scott Bloom (décembre 2001), « The Physics of free space optics », page 3

15 Actipole (juin 2003), « Laser à Haut débit – Tête intelligente ou tête passive? », livre blanc

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Les systèmes optiques ont pour rôle de converger le faisceau entrant sur le récepteur et de donner forme au faisceau sortant. Ils sont composés de miroirs et de lentilles. La figure n°1 représente un dispositif muni de trois systèmes optiques pour l’émission et la réception de données et pour l’orientation du dispositif. Il se peut également qu’il n’y ait qu’un seul système optique pour ces trois fonctions.

Dans le circuit émetteur, un laser est mis sous tension grâce à un courant continu auquel s’ajoute le signal électrique provenant du modulateur. Ce dernier régénère le signal arrivant au terminal optique et le modifie en fonction de nécessités propres à l’optique sans fil. Par exemple, afin de ne pas user trop vite les lasers en les laissant allumés trop longtemps, on change le signal de façon à éviter la répétition de bits identiques.

Le circuit récepteur, quant à lui, comprend un détecteur qui convertit en signal électrique le signal lumineux convergé par le système optique récepteur. Ce signal est ensuite préamplifié avant de passer dans le démodulateur qui restitue en sortie le signal tel qu’il l’était de l’autre côté du lien optique.

En plus des systèmes émetteurs et récepteurs de données, un autre sous-système assure aussi l’alignement correct des dispositifs. Pour ce faire, le faisceau reçu est également convergé sur un détecteur capable de déceler les variations spatiales de l’amplitude du signal dans un plan perpendiculaire au faisceau.

Les informations recueillies par ce détecteur sont ensuite transmises à un processeur central qui calcule les corrections à apporter aux angles d’azimut et d’élévation du dispositif afin de maximiser la puissance du signal reçue par le récepteur.

Le processeur central contrôle également des systèmes chauffants et réfrigérants qui permettent de maintenir des conditions de températures nécessaires au bon fonctionnement du dispositif.

Le laser et le détecteur sont les éléments centraux des appareils OSF (technologie Optique Sans Fil) puisqu’ils déterminent en grande partie leurs performances et leurs prix. Au centre du système, ils effectuent la conversion électro-optique.

Les critères de performance d’un laser sont:

– La puissance, qui permet d’augmenter la portée du dispositif OSF (technologie Optique Sans Fil). Elle est mesurée en dBm, c’est-à-dire, en nombre de décibels par rapport à un milliwatt. Comme le signal du laser est modulé et varie donc au cours du temps, il faut distinguer la puissance maximale du laser de sa puissance moyenne, cette dernière déterminant la portée du système OSF. La puissance moyenne typique des lasers utilisés en OSF est de l’ordre de 10 dBm.

– La longueur d’onde de la lumière émise.

– La vitesse de modulation maximale qui détermine la bande passante susceptible d’être transmise par le laser.

– La distribution de la puissance lumineuse au sein du faisceau émis. Il existe deux grandes catégories de lasers en fonction de la distribution spatiale de la puissance lumineuse émise: les lasers à profil « gaussien » et ceux à profil « constant ». Dans la première catégorie, la puissance au sein du faisceau est maximale en son centre et diminue en périphérie, conformément à une loi de gauss. Dans la deuxième catégorie, la puissance reste plus ou moins constante sur toute la largeur du faisceau.

Les lasers à profil gaussien sont utilisés dans les systèmes à orientation automatique car ils permettent de concentrer plus d’énergie au centre du faisceau. De plus, le capteur spatial peut plus facilement calculer l’orientation adéquate grâce à la distribution de l’énergie reçue. Par contre, dans les systèmes dépourvus d’orientation automatique, des lasers à profil constant sont utilisés étant donné qu’un mauvais alignement du laser avec le détecteur est moins sanctionné en ce qui concerne la puissance reçue.

– La température de fonctionnement: le système OSF (technologie Optique Sans Fil) doit être opérationnel par tous les temps, sans grande dégradation de ses performances.

– La durée de vie: le laser est le composant du dispositif OSF qui s’use le plus rapidement et sera donc la principale origine de panne du système. La probabilité de dysfonctionnement est mesurée en « durée moyenne entre pannes » ou « mean time between failures » (MTBF). Pour les systèmes OSF (technologie Optique Sans Fil), celle- ci varie entre 3 et 10 ans.

En optique sans fil, les lasers les plus utilisés sont les lasers VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) en raison de leurs avantages exceptionnels en matière de coûts et de performances. Leur puissance moyenne est raisonnable, ils ont une longue durée de vie et dissipent peu d’énergie, ce qui permet d’éviter l’utilisation de systèmes de refroidissement actifs16.

Les critères de performance du détecteur sont:

– La sensibilité: la puissance minimale que doit avoir le signal reçu pour être correctement interprété par le détecteur. Comme la puissance de l’émetteur, celle-ci est également mesurée en dBm, mais dans ce cas, les valeurs sont toujours négatives étant donné que la sensibilité d’un récepteur est fortement inférieure au milliwatt. La sensibilité typique des détecteurs utilisés en OSF est de l’ordre de -30 à -50 dBm.

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16 Bloom, Korevaar, Schuster, Willebrand (avril 2003), « Understanding the performance of free-space optics »

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– La puissance de saturation: au-delà de cette puissance, le signal reçu est trop important pour que le détecteur l’interprète sans faute. C’est pourquoi les constructeurs spécifient généralement une distance minimale entre les terminaux OSF. Généralement est spécifiée à côté de la puissance de saturation, la puissance au-delà de laquelle le détecteur subit des dommages irréversibles.

– La longueur d’onde de la lumière à laquelle le détecteur est sensible.

Pour les détecteurs utilisés en OSF (technologie Optique Sans Fil), il existe deux grandes options: celle du matériau et celle de la technologie. En ce qui concerne le matériau, on utilise le plus souvent des détecteurs au silicium pour les longueurs d’onde autour de 850 nm et des détecteurs à base de Indium, de Gallium et d’Arsenic pour les longueurs d’onde autour de 1550 nm.

Les deux technologies les plus fréquentes sont la technologie PIN et la technologie APD, les détecteurs APD étant plus sensibles en raison d’un processus d’amplification interne par avalanche.

Tableau n°2: Les catégories de détecteurs utilisés en OSF

Longueur d’onde

750 – 850 nm

1310 – 1550 nm

Faible sensibilité (autour de -30 dBm)

PIN silicium

Pin InGaAs

Haute sensibilité (autour de -50 dBm)

APD silicium

APD InGaAs

La plupart des terminaux OSF restituent d’un côté du lien les symboles reçus de l’autre côté du lien de manière identique et dans le même ordre. A ce titre, on dit qu’ils sont indépendants du point de vue des protocoles utilisés sur les couches supérieures à la couche physique. Par conséquence, ils pourront être utilisés indistinctement pour transporter du trafic ATM, SDH ou Ethernet.

En ce qui concerne la connectique, on peut trouver sur les systèmes OSF (technologie Optique Sans Fil) trois types de ports:

1- Les ports de données utiles: pour les modèles à faible bande passante il s’agira de ports de type RJ-45 tandis que les modèles à bande passante plus élevée seront dotés de ports optiques. Afin d’offrir une plus grande flexibilité, certains appareils sont équipés des deux types de ports.

2- Les ports électriques qui fournissent l’alimentation électrique nécessaire.

3- Le port de données de gestion: Il s’agit des données envoyées ou reçues par le gestionnaire du réseau afin de surveiller ou de contrôler le dispositif optique. Ce port est optionnel, comme les données de gestion peuvent très bien être transmises parmi les données utiles grâce à un adressage IP.

On parle de système de gestion « in-band » lorsque les données de gestion sont transmises dans le flux des données utiles et de système de gestion « out-band » lorsque celle-ci se fait par l’intermédiaire d’un réseau indépendant.

Les systèmes « in- band » ont pour avantage d’économiser l’installation d’un réseau redondant. Par contre, ils ne permettront pas la communication avec les dispositifs lors d’un dysfonctionnement de ceux-ci.

Le langage utilisé pour transmettre les données de gestion est généralement le « Simple Network Management Protocol » ou SNMP. Mais il ne suffit pas que les constructeurs rendent leurs dispositifs compatibles avec ce langage: il faut également fournir une interface logicielle adéquate qui s’intègre dans le système de gestion de réseau global de l’utilisateur d’OSF (technologie Optique Sans Fil).

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