Les technologies Optique Sans Fil et les concurrentes

Chapitre II: Technologies concurrentes

Titre 1: Introduction

Cette partie a pour objectif de comparer les technologies OSF avec les technologies concurrentes, dans un premier temps, au niveau des performances et, dans un deuxième temps, au niveau des coûts. Seront étudiées en profondeur les technologies qui se rapprochent le plus de l’optique sans fil et plus sommairement les concurrents plus éloignés.

Le but est de mettre en relation, pour l’OSF et ses concurrents, les performances en terme de distance et de bande passante avec l’ensemble des coûts associés à ces performances. Nous pourrons alors déterminer pour quels profils « distance – bande passante » l’optique sans fil est économiquement compétitive par rapport à ses concurrents et où elle ne l’est pas.

En plus des critères économiques, Il faudra également veiller à déceler les critères non économiquement discriminants mais qui excluent ou imposent une technologie plutôt qu’une autre. Nous pourrons alors, dans l’étape suivante, déterminer dans quelles applications les variables étudiées dans cette étape sont telles que le choix d’une connexion OSF est optimale.

Si une entreprise ou un opérateur prennent la décision d’implémenter un lien optique sans fil pour relier un point A à un point B, ils auront préalablement réalisé plusieurs choix:

  • – Celui de posséder la connexion entre A et B et non de la louer.
  • – Celui d’implémenter une connexion sans fil au lieu d’une connexion filaire.
  • – Celui d’implémenter une connexion sans fil optique au lieu d’une connexion sans fil hertzienne.

Nous analyserons ces choix de bas en haut en commençant par comparer l’OSF (technologie Optique Sans Fil) à la Radio. Nous confronterons ensuite les technologies sans fil étudiées aux technologies filaires. Finalement, nous pèserons le pour et le contre de l’implémentation d’une connexion par rapport à la location d’une ligne.

Figure n°11: Illustration de la méthodologie:

Technologies sans fil concurrentes à l'OSF Optique Sans Fil

L’OSF (technologie Optique Sans Fil) a pour concurrent direct les faisceaux hertziens, pour concurrent secondaire, les technologies filaires et pour concurrent plus éloigné, les lignes louées.

Titre 2: Les technologies sans fil

Les technologies hertziennes, technologies sans fil concurrentes à l’OSF (technologie Optique Sans Fil) sont également basées sur la propagation dans l’air libre d’ondes électromagnétiques.

C’est donc le même phénomène physique qui se produit lorsque nous envoyons un signal optique ou un signal hertzien: un champ électrique induit un champ magnétique qui induit à son tour un champ électrique et ainsi de suite, cette alternance se répandant dans l’espace à une vitesse dépendant du médium parcouru. La seule différence entre les ondes optiques et les ondes hertziennes réside dans la fréquence de cette alternance.

Conventionnellement, on parlera d’un signal lumineux lorsque sa fréquence est supérieure à 300 GHz (ou sa longueur d’onde inférieure à 1 millimètre) et d’une onde hertzienne lorsque sa fréquence est inférieure à 300 GHz (ou sa longueur d’onde supérieure à 1 millimètre)26.

Cette différence de fréquence entre les signaux optiques et les ondes hertziennes explique des différences dans leurs propriétés physiques. Bien entendu, ces propriétés ne changent pas brusquement de part et d’autre de la limite symbolique de 300 GHz, mais évoluent de façon continue d’un côté à l’autre du spectre. Il y a donc une grande différence entre les ondes hertziennes de basses fréquences et de hautes fréquences. C’est pourquoi nous n’étudierons pas l’entièreté des fréquences radio mais sélectionnerons des catégories d’ondes dont les fréquences les pourvoient de propriétés qui les rendent concurrentes à l’optique sans fil.

Afin de mieux sélectionner ces catégories d’ondes hertziennes, il est important de comprendre comment les propriétés de ces ondes varient en fonction de la fréquence:

– Au niveau des fréquences hertziennes, l’atténuation d’un signal est d’autant plus importante que sa fréquence est élevée. A puissance égale, une fréquence élevée portera donc moins loin mais pourra être plus réutilisée géographiquement sans risque d’interférences. Ceci n’est pas le cas pour les fréquences optiques où l’atténuation augmente faiblement avec la longueur d’onde. Ces effets sont visibles sur la figure n°12.

– Les ondes électromagnétiques sont gênées dans leur propagation par des obstacles du même ordre de grandeur que leur longueur d’onde. Ceci explique que les signaux optiques soient surtout atténués par le brouillard aux gouttelettes fines, alors que les ondes hertziennes sont surtout atténuées par la pluie aux gouttes plus grosses. Ces effets sont également représentés sur la figure n°12.

26 FCC (octobre 2003), « United States Frequency Allocations – The radio spectrum »

– Au plus la fréquence est basse, au plus le signal aura tendance à se réfléchir de façon spéculaire et à se diffracter. Les basses fréquences n’auront donc pas besoin de ligne de vue entre l’émetteur et le récepteur. Par contre, le signal sera beaucoup plus diffus au récepteur, ce qui permet des bandes passantes moins élevées que pour les hautes fréquences.

Figure n°12: Atténuation par le brouillard et la pluie depuis les fréquences optiques jusqu’aux micro ondes en fonction de la longueur d’onde
Atténuation par le brouillard et la pluie depuis les fréquences optiques jusqu'aux micro ondes en fonction de la longueur d'onde

Source : Airfiber

En raison des propriétés décrites ci-dessus, nous étudierons les fréquences hertziennes les plus élevées, entre 1GHz et 300GHz. Ces fréquences ont des caractéristiques qui se rapprochent le plus des signaux optiques. Elles permettent en effet de transporter des bandes passantes élevées dans des situations de ligne de vue.

Notons cependant que le diamètre d’un faisceau hertzien est beaucoup plus large que celui d’un faisceau optique, ce qui rend plus facile l’interception éventuelle de données confidentielles. Cette interception est d’autant plus facile que les technologies hertziennes sont beaucoup moins rigoureuses en matière d’alignement. La confidentialité des données ne sera dès lors assurée que par un cryptage de celles-ci.

Afin d’orienter les ondes hertziennes sous forme de faisceaux, des antennes sont utilisées. Les antennes peuvent être comparées aux systèmes optiques des dispositifs (technologie Optique Sans Fil) OSF (technologie Optique Sans Fil). Une large antenne correspond à une grande ouverture des systèmes optiques émetteurs ou récepteurs. Nous avons vu qu’une augmentation de l’ouverture entraîne une augmentation des performances des dispositifs (technologie Optique Sans Fil) OSF. Ce principe vaut également pour la taille des antennes.

Pour l’évaluation des performances des technologies, la méthodologie utilisée n’est pas celle d’un scientifique qui tente de démontrer les limites physiques d’une technologie mais plutôt celle d’un économiste qui étudie les performances des produits disponibles sur le marché. Pour chaque technologie, les performances d’une dizaine de produits ont été répertoriées afin de fournir des ordres de grandeur pour les performances. La liste de ces produits est disponible en annexe n°1.

Nous segmenterons le spectre étudié en deux parties en raison de propriétés légèrement différentes:

  • – Les micro ondes: de 1 GHz à 30 GHz
  • – Les ondes millimétriques: de 30 GHz à 300 GHz

2.1 Micro Ondes (1GHz à 30GHz)

La figure n°13 fournit des ordres de grandeur pour les performances des systèmes hertziens à micro ondes. Pour les bandes passantes faibles, la technologie permet des distances de plusieurs dizaines de kilomètres, ce qui est beaucoup plus qu’avec l’optique sans fil. Par contre, il est impossible de trouver des dispositifs à micro ondes pour des bandes passantes supérieures à 500 Mbps. Du point de vue des performances, cette technologie fait donc concurrence aux produits optiques sans fil de faible bande passante et de gamme plus haute, permettant des distances plus élevées.

Figure n°13: Performances des dispositifs à micro ondes

Performances des dispositifs à micro ondes

Source : estimations personnelles, professionnels, dépliants de constructeurs

Les besoins en terme de ligne de vue des technologies à micro ondes sont déterminés par la loi de Fresnel selon laquelle un faisceau d’un certain diamètre, dépendant de la distance du lien et de sa fréquence, doit être dégagé à au moins 60% pour permettre un fonctionnement optimal de ce lien27. Par exemple, pour un lien à 5GHz parcourant une distance d’un kilomètre, ce diamètre s’élève à environ 8 mètres. Un tableau décrivant le rayon de Fresnel en fonction de la distance et de la fréquence du lien est disponible en annexe n°2.

Pour les faisceaux à micro ondes, des technologies de modulation à large spectre doivent être utilisées pour transmettre des bandes passantes élevées sur une largeur de spectre limitée. Bien que présentant une efficacité spectrale28 élevée, ces méthodes de modulation nécessitent un traitement important du signal qui se traduit par des latences relativement élevées, de l’ordre de 5 millisecondes.

2.2 Ondes millimétriques (30GHz à 300GHz)

La figure n°14 fournit des ordres de grandeur pour les performances de systèmes hertziens à ondes millimétriques. Il faut distinguer ici les dispositifs fonctionnant à des fréquences autour de 60GHz de ceux fonctionnant à des fréquences inférieures ou supérieures.

Cette bande autour de 60GHz est en effet caractérisée par une absorption importe par l’oxygène atmosphérique et les portées y sont donc plus faibles29, de l’ordre de deux kilomètres pour les faibles bandes passantes et en dessous d’un kilomètre pour les bandes passantes élevées. Les autres fréquences, par contre, permettent d’atteindre des distances de plus de 5 kilomètres.

En ce qui concerne les bandes passantes, les ondes millimétriques ne parviennent pas à dépasser 1,25 Gbps. Nous voyons que cette technologie est presque parfaitement comparable à l’optique sans fil en terme de distance et de bande passante.

Notons cependant que peu de produits sont actuellement disponibles au dessus de 60GHz. Seuls quelques constructeurs, comme Loea ou ELV-1, offrent des appareils fonctionnant à 70, 80 ou 90GHz. La raison essentielle en est que ces bandes de fréquence, auparavant militaires aux Etats-Unis, ont seulement été mises à la disposition du public par la FCC, la commission américaine qui gère les ondes hertziennes, en octobre 200330.

27 Young M. F. (février 2004), « Planning a Microwave Radio Link », YDI

28 L’efficacité spectrale d’une technique de modulation se mesure en nombre de mégabits transmis par seconde et par mégahertz de spectre utilisé

29 Federal Communications Commission (décembre 1996), « Report and recommendations of the millimeter communications working group to the FCC »

30 Burton J. (octobre 2003), « FCC opens 70, 80, and 90 GHz spectrum bands for deployment of broadband millimeter wave technology », Federal Communications Commission

Figure n°14: Performances des dispositifs à ondes millimétriques

Performances des dispositifs à ondes millimétriques

Les besoins en terme de ligne de vue sont également déterminés par la loi de Fresnel, mais le faisceau entre l’émetteur et le récepteur devant être dégagé est beaucoup moins large. Dans le cas d’un lien de un kilomètre, le diamètre du faisceau est d’environ trois mètres pour une fréquence de 40GHz et d’environ deux mètres pour une fréquence de 60GHz. Les caractéristiques des faisceaux millimétriques se rapprochent donc plus de celles des faisceaux optiques que de celles des faisceaux à micro ondes.

La plupart des systèmes à ondes millimétriques utilisent une méthode de modulation par allumage et extinction dite OOK (On & Off Keying). Cette méthode très simple est la même que celle utilisée par les dispositifs (technologie Optique Sans Fil) OSF et induit peu de latence dans le lien.

2.3 Systèmes Hybrides

Nous avons vu précédemment que les signaux optiques sont fortement atténués par le brouillard alors que les ondes hertziennes le sont par la pluie.

D’autre part, les signaux optiques se propagent relativement bien dans la pluie et les ondes hertziennes dans le brouillard. Ces propriétés sont illustrées dans la figure n°12. Bien que présentant toutes deux des points faibles, ces technologies peuvent être combinées pour en former une qui n’en a pas. En effet, dans toutes les circonstances, au moins un des deux systèmes fonctionnerait correctement: Il est impossible qu’il pleuve et qu’il y ait du brouillard simultanément, car la pluie ferait retomber le brouillard.

Conceptuellement, le principe semble simple, mais il est relativement complexe à mettre en œuvre. Pour cela, deux approches sont possibles:

a. Un lien optique principal est secondé par un lien hertzien à micro-ondes ou à ondes millimétriques qui rentre en fonction lorsqu’un brouillard épais provoque une rupture du lien optique31.

Dans cette approche, les deux appareils sont connectés à un routeur qui effectue la transition d’un dispositif à l’autre. Entre le moment où le dysfonctionnement du lien optique est détecté et où le lien hertzien commence à envoyer ses premières données, un temps non négligeable se sera écoulé et des données perdues devront être réenvoyées. Ce phénomène est d’autant plus dérangeant lorsque les conditions météorologiques avoisinent les conditions limites d’opérabilité du lien optique, provoquant des transitions incessantes d’un lien à l’autre.

b. La deuxième approche est celle développée par Airfiber et consiste à utiliser les liens optiques et hertziens d’une façon plus symétrique32.

A tout moment, les deux dispositifs fonctionnent et envoient leurs données simultanément. Du côté des récepteurs, un Contrôleur de Lien Redondant (ou RLC: Redundant Link Controller), développé par AirFiber, analyse les deux flux de données reçus, détecte les erreurs et sélectionne les données dépourvues d’erreurs.

Dans cette approche, la transition d’un dispositif à l’autre s’effectue sans aucune interruption et sans perdre aucun bit de données. Notons que cette solution nécessite que les deux systèmes fonctionnent à la même bande passante, ce qui impose l’utilisation de faisceaux hertziens à ondes millimétriques pour les bandes passantes élevées.

Les systèmes hybrides fournissent des disponibilités beaucoup plus élevées que celles des dispositifs (technologie Optique Sans Fil) OSF ou hertziens séparément. Selon les équipementiers, des disponibilités de plus de 99,999% sont facilement atteintes à des distances de plus d’un kilomètre.

Cependant, cette solution est beaucoup plus chère, car elle nécessite l’achat de deux systèmes auxquels s’ajoutent le routeur ou le Contrôleur de Lien Redondant. C’est sans doute pour cette raison que le produit développé par AirFiber ne rencontra aucun succès. La société cessa ses activités en février 2003 et fut rachetée par son concurrent Lightpointe.

31 ELVA-1 (2004), « The hybrid FSO concept » http://www.elva-1.spb.ru/products/telecom/FSO_mmW_backup.html

32 Bloom, S. (mai 2002), « The last mile solution: hybrid FSO Radio », AirFiber

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