Réseaux d'accès européens : mise à niveau de la bande passante et de la vitesse pour la 5G et les nouvelles technologies

Introduction

Les réseaux d'accès européens évoluent constamment pour répondre aux besoins changeants de leurs utilisateurs finaux. Au cours des dernières années, les opérateurs de réseau sont passés de l'utilisation de réseaux distincts pour leurs offres à la fourniture de plusieurs services sur un seul réseau. Cette tendance à grande échelle vers la convergence signifie que l'infrastructure fibre des réseaux d'accès modernes prend désormais en charge plusieurs technologies telles que les réseaux d'accès radio (RAN), le Wi-Fi, l'Ethernet métropolitain, le réseau optique passif (PON) et plus encore. 

Avec la convergence et les demandes croissantes des utilisateurs finaux autour de la 5G et de l'IdO, il est de plus en plus nécessaire de mettre à niveau la vitesse et la capacité des réseaux d'accès européens. Déjà, l'UE a mettre de côté 700 millions d'euros pour accélérer la recherche et l'innovation dans la technologie 5G qui sera utilisée pour une myriade de cas d'utilisation. Cependant, la mise à niveau des réseaux est une entreprise difficile. 

Défis techniques de la mise en réseau d'accès optique au-dessus de 10 Gbit/s

Distincts des réseaux fédérateurs et métropolitains, les réseaux d'accès ont deux caractéristiques principales :

1. Une grande variété de longueurs de liaison qui relient plusieurs emplacements en utilisant une infrastructure d'usine extérieure. Bien qu'un réseau d'accès puisse avoir des longueurs de liaison allant de 10 à 120 km, la majorité des liaisons s'étendent sur 40 à 60 km. 
2. Un grand nombre de liens qui exploitent divers protocoles et débits de données. Cela ajoute à la complexité du réseau global. 
   

Comme si l'exploitation des réseaux d'accès n'était pas déjà complexe, la mise à niveau de la bande passante au-dessus de 10 Gbit/s pose son lot de problèmes. Voici les 3 premiers :  

1. Budget de liaison optique

Lorsque les opérateurs de réseau dépassent 10G par lambda, les considérations de budget de liaison optique deviennent primordiales. Dans l'ensemble, la quantité de puissance optique au niveau du récepteur de liaison doit être supérieure à la sensibilité du récepteur afin d'obtenir une liaison avec succès. Comme les réseaux d'accès s'étendent sur de plus longues distances, la comptabilisation des bilans de liaison devient de plus en plus complexe. Bien que l'on puisse toujours ajouter du gain optique à un système avec des amplificateurs comme les EDFA, une amplification supplémentaire entraîne toujours une augmentation du bruit.  

2. Rapport signal/bruit optique

Ce n'est pas parce qu'un récepteur voit la lumière au-dessus de la sensibilité que les données sont transmises avec succès. Le rapport signal sur bruit optique (OSNR) est le rapport entre le niveau de signal réel et le niveau de bruit dans le système. Plus ce nombre est petit, plus il y a de chances qu'il y ait des erreurs de bits dans la transmission. Au fur et à mesure que les liaisons passent à des schémas de modulation d'ordre supérieur pour obtenir plus de bits par symbole (c'est-à-dire PAM4 ou QAM), meilleur est l'OSNR nécessaire pour distinguer les niveaux de signal. Les processeurs de signal numérique (DSP) et la correction d'erreur directe (FEC) peuvent être utilisés pour compenser les erreurs sur les bits, mais ils ajoutent également des problèmes de complexité, de puissance, de latence et d'interopérabilité générale.

3. Dispersion chromatique

Pour les réseaux avec des bandes passantes de 10 Gbps et plus, la dispersion chromatique a un impact négatif sur la sensibilité du récepteur de l'émetteur-récepteur optique. La dispersion chromatique est un effet sur un signal optique qui provoque la propagation des impulsions lorsque le signal se déplace à travers la fibre. Dans les systèmes de signalisation plus lents, un temps suffisant entre les symboles signifie que la propagation ne crée pas de problème. Cependant, à mesure que le débit en bauds augmente, l'étalement des impulsions entraîne le chevauchement des symboles, ce qui entraîne une interférence inter-symboles (ISI). 

Aux bandes passantes de 10Gbps, la dispersion chromatique limite les liaisons réseau à environ 80 km. Au-delà de 10 Gbps, à des débits de bande passante de 25 Gbps et au-delà, la dispersion chromatique commence à limiter la distance de liaison à 15 à 20 km. Cela ne répond pas aux exigences de distance de la plupart des réseaux d'accès actuels. Bien qu'il existe des modules de compensation de dispersion (DCM), ils ajoutent des niveaux plus élevés de complexité au système.  

Résolution d'une bande passante plus élevée dans les réseaux d'accès

Les optiques Coherent et PAM4 sont des solutions attrayantes pour faire évoluer les réseaux d'accès pour des vitesses et une bande passante plus élevées (jusqu'à 400G et au-delà) tout en relevant les défis susmentionnés. Cependant, chaque technologie a ses propres limites.

Optique cohérente – Bien que les optiques cohérentes CFP, CFP2 et QSFP56-DD/OSFP centrées sur l'accès permettent une longue portée de liaison supérieure à 100 km (jusqu'à des milliers de km pour CFP et CFP2) à des débits de données aussi élevés que 400G, elles ont des besoins d'espace et d'alimentation plus élevés que les autres types d'émetteurs-récepteurs utilisés dans le réseau d'accès d'un opérateur. Par conséquent, l'exploitation de l'optique cohérente augmente potentiellement les coûts totaux de l'opérateur, ce qui pose un défi aux opérateurs de réseau dont les budgets sont limités.

PAM4 – La norme PAM4 utilise quatre canaux d'amplitude, chacun avec deux bits, ce qui double le débit de données, ce qui le rend deux fois plus efficace que les modèles binaires hérités. Par rapport aux exigences d'espace et de puissance de l'optique cohérente, PAM4 exploite des composants qui peuvent s'adapter à des facteurs de forme plus petits et plus courants tels que le modèle QSFP28. En tant que tel, il offre des avantages significatifs en matière d'économies de coûts aux opérateurs de réseau qui en tirent parti. 

Cependant, l'optique PAM4 n'est pas sans limites. Dépasser 100 Gbps à une portée de liaison optique de 5 km nécessite une amplification, une compensation de dispersion et/ou une correction d'erreur directe (FEC) sur la ligne optique. Cela signifie l'installation d'équipements actifs et une plus grande dépense d'énergie, atténuant potentiellement l'avantage de faible coût de PAM4. 

Nouvelles technologies : s'adapter à la diversité des cas d'utilisation au sein des réseaux d'accès

Malgré leurs inconvénients, l'optique cohérente et la technologie PAM4 joueront un rôle important pour propulser l'accès et d'autres réseaux vers 800G et au-delà. Ce qui manque à la discussion, cependant, est une solution qui peut résoudre la portée plus longue et la nature plus coûteuse de l'optique cohérente et la portée rentable mais limitée des solutions PAM4 disponibles.  

Les réseaux d'accès modernes desservent de nombreux types de structures, des tours de téléphonie cellulaire, des immeubles d'entreprise et des unités d'habitation multiples (MDU) aux centres de données, aux sites d'agrégation, aux écoles et aux stades sportifs. La nouvelle tendance dans les réseaux d'accès est axée sur la transmission de données sur des distances plus courtes, souvent inférieures à 40 km. Les exigences de latence extrêmement faible ajoutent également une dimension nouvelle et intéressante au réseau d'accès, d'autant plus que les déploiements de la 5G se poursuivent. 

Il devient rapidement clair que les opérateurs de réseaux d'accès ont besoin d'une solution qui réponde aux trois exigences suivantes :

1. 1. 1. Autorise 100G DWDM afin que les opérateurs puissent avoir la vitesse et la capacité dont ils ont besoin pour répondre aux exigences actuelles et futures des utilisateurs finaux

      2. Exploite un facteur de forme d'émetteur-récepteur commun, comme QSFP28, pour une interopérabilité transparente et des économies de coûts

      3. Permet la transmission de données à une distance raisonnable de 40 km sans exiger aucune équipement de transport externe, amplificateurs, filtres, etc.

Conclusion

Alors que nous nous lançons en 2021, une chose est claire : l'avenir du réseau d'accès optique en Europe est radieux. Alors que les gouvernements continuent d'investir dans le déploiement de la 5G et que les opérateurs de réseau individuels se disputent la position, la tendance à la convergence et le besoin de vitesses et de bande passante plus élevées ne font que s'intensifier. Les fabricants d'équipements de réseaux optiques ont un rôle important à jouer pour faire des réseaux du futur une réalité. Bien que les solutions cohérentes et PAM4 existantes aident les opérateurs à surmonter les défis de la mise à niveau de la bande passante dans une certaine mesure, il y a encore place à l'amélioration. Heureusement, ce moment est venu et les opérateurs de réseaux européens peuvent s'attendre à un avenir audacieux alors qu'ils s'efforcent de répondre aux exigences de leurs utilisateurs finaux.