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Transport de données sur coaxial et fibre optique
mardi 7 avril 2015, par gerla
De la CATV au réseau HFC et plus sous EuroDOCSIS

A l’origine, le câble de télédistribution est installé pour simplifier et pallier aux difficultés de réception en milieu urbain. Il permet également la diffusion de chaînes locales d’information et/ou de divertissement. En Belgique, aux Pays-Bas ou en Suisse, la télédistribution a permis que soit raccordé la majorité des foyers au câble. De la même façon et il y a plus d’une vingtaine d’années, nombreux étaient les quartiers résidentiels a avoir été câblés de façon à supprimer l’installation d’antennes individuelles de réception.

Après avoir fait un rapide bilan des services apportés par le câble à l’usager, cet article aborde la transmission de données (voix, données, images) sur réseau de télédistribution. Des standards particuliers soutenus par l’ ETSI sont mis en œuvre. Des informations sont également disponibles sur docsis.org et cablelags.com.

Cet article vient en appuie des techniques de transmission développées dans le tome 2 de « Techniques audiovisuelles et multimédias  » publié aux Editions Dunod et disponible en librairie.

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1- Télédistribution et services à l’abonné

Typiquement, un réseau câblé de télédiffusion ( CATV ) (figure 1a) est constitué :

• d’une tête de réseau (headend) . Elle regroupe des antennes terrestres, des antennes paraboliques pointées vers les satellites et éventuellement un dispositif de gestion des abonnements ;

• du réseau de télédistribution à proprement parler. Des lignes constituées de câbles coaxiaux, d’amplificateurs de ligne et de dérivateurs (voir tome 2 de Techniques audiovisuelles et multimédias) qui permettent d’acheminer le signal jusqu’à la prise de l’abonné ;

• du terminal (récepteur, décodeur) placé chez l’abonné.

Le câble coaxial présente une atténuation non négligeable du signal transmis, cette atténuation étant plus importante au fur et à mesure de l’augmentation de la fréquence du signal (figure 1b) . Les amplificateurs de ligne sont répartis tout au long du réseau afin de compenser les pertes de niveau dues au câble. Le dérivateur permet de connecter les lignes de distribution vers chaque prise utilisateur.

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Historiquement, les contenus audiovisuels (télévision analogique) sont transmis de la tête de réseau vers l’abonné selon un agencement de canaux analogiques comparables à ce qui était fait en transmission hertzienne analogique. Des canaux radio FM sont également transmis dans la bande 87 à 108 MHz. Il n’est pas besoin de réserver un canal de retour (pas de données de retour).

Avec la numérisation et la compression des signaux audio et vidéo, les contenus audiovisuels sont multiplexés dans un canal de diffusion au standard DVB-C (ce qui correspond à une diffusion DVB-T ou TNT en diffusion terrestre). Les fonctions de réception, démultiplexage et décodage correspondant à une STB (Set Top Box) sont nécessaires.

Avec l’apparition de la diffusion vidéonumérique (DVB, digital video broadcasting) des chaînes à péage, et de services à la demande, une voie de communication bidirectionnelle supporte l’interactivité entre l’utilisateur et le fournisseur de services (figure 2a, selon recommandation UIT-T J112). Cette voie de communication bidirectionnelle s’établie entre l’utilisateur et le fournisseur ( voie descendante ou aller et voie montante ou de retour). Cette voie interactive ou montante permet en particulier la gestion des décodeurs en fonction des services fournis.

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Sur un canal de 8 MHz (en Europe), il est possible de diffuser une chaîne de télévision analogique, 6 à 8 chaînes au format MPEG-2 ou 3 chaînes HD au format MPEG-4. La diffusion en analogique sera progressivement éteinte.

2- Structure du réseau HFC avec câble coaxial

2.1 - Evaluation des objectifs

A côté des contenus audiovisuels historiques (gratuits ou à péage), le réseau câblé permet un accès à l’Internet rapide, la transmission de la VoIP (voix sur IP), la VOD (Video On Demand, streaming vidéo). Ces services sont généralement liés à une tarification ou à un abonnement concédé par l’exploitant du réseau (fournisseur d’accès, FAI). Une voie de retour (figure 3) acheminant un flux montant est nécessaire. Revoir la figure 2b, .

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Une liaison (média) est établie de façon à transmettre les contenus de diffusion (télévision, VOD, ...) et permettre l’accès aux réseaux (téléphonique, Internet). Les valeurs de débit annoncées sont des valeurs maximales théoriques. En général, la transmission des données est asymétrique : le flux descendant (vers l’usager, downstream ) est nettement plus important que le flux montant ( upstream ) (tableau 1) .

Idéalement, le réseau devrait être dimensionné de façon à pouvoir supporter simultanément les activités de tous les abonnés connectés à la portion de réseau situés en aval d’un point de fourniture des services du réseau. Pour limiter les investissements, la capacité de transmission du réseau est limitée. La qualité de service (QoS) peut être dégradée pour certaines applications (limitation des flux vidéo, par exemple) aux heures de grande utilisation.

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Le débit est l’expression d’un volume de données transmis par unité de temps. La latence est le délai nécessaire à l’acheminement à travers le réseau d’un paquet de données de la source au destinataire.

2.2 - Implantation du réseau

Les différents segments constituant les réseaux locaux sont interconnectés et reliés à une dorsale (figure 4) . Parallèlement à la restructuration du réseau et progressivement, les câbles coaxiaux peuvent être remplacés par de la fibre optique. L’architecture hybride fibre/coaxial est appelée Hybrid Fibre Coax ou HFC.

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Le réseau HFC se compose de deux grandes parties :

• La fibre optique assure les liaisons entre le noeud d’accès et les équipements de distribution implantés dans les secteurs et quartiers d’habitation ;

• Un câble coaxial reliant les équipements de distribution jusqu’à la prise de l’abonné.

La partie distribution du réseau (câble coaxial) peut être en étoile, en arbre ou de manière hybride (figure 5) en fonction des facilités (ou difficultés) d’implantation sur le terrain

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2.3 - Nœud optique, transduction

Sur la fibre optique , les informations analogiques et/ou numériques sont transmises en modulant (modulation d’amplitude) la lumière provenant d’une source laser.

A l’interface de la partie optique et de la partie coaxiale est implanté un nœud de flexibilité auquel correspond une connexion optique et une transposition électronique (optical node) du côté du câble coaxial.

Le nœud optique (figure 6) comporte des éléments actifs et passifs. Un nœud optique réalise 2 types de conversions :

• Dans le sens descendant, le signal lumineux est transposé en signal électrique (o/e conversion) puis passe par un ensemble de fonctions (adaptation de niveau et bandes de fréquence). Le signal passe par un coupleur/séparateur puis un répartiteur (2 voies) pour être appliqué au coaxial ;

• Dans le sens montant, le signal électrique venant du coaxial est séparé puis appliqué à une voie comportant une diode laser (e/o conversion) pour moduler la lumière émise sur la fibre.

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Certains nœuds optiques sont équipés d’ éléments ajustables (atténuateur, égaliseur) et d’une unité de contrôle MCU permettant également de rendre compte de la qualité des signaux laser. Un contrôle automatique de gain ( CAG/AGC, Automatic Gain Control) peut ajuster automatiquement le point de fonctionnement de l’ensemble amplificateur/atténuateur placé dans la voie descendante. Le tableau 2 reprend quelques caractéristiques du nœud optique.

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2.4 - Unité NIU implantée chez l’utilisateur

Le câble coaxial du réseau HFC arrive chez l’utilisateur et constitue le support aux 2 voies de communication downstream et upstream. La mise ne place de la liaison doit donc être particulièrement soignée pour éviter les dégradations du signal tant en niveau qu’en terme de bande passante et bruits d’ intermodulation IM2, IM3 (voir tome 2 de Techniques audiovisuelles et multimédias) .

Pour éviter ces risques, il est également important de séparer les différentes voies vers les équipements de l’utilisateur. La figure 7 donne un exemple de la structure d’un NIU (Network Interface Unit) connecté au coaxial :

• Le câble coaxial arrivant chez l’abonné est connecté par une fiche F au boîtier NIU dans lequel est d’abord placé un filtre de séparation de la voie descendante (filtre passe-haut, fréquence de coupure basse à 87 MHz) et de la voie montante (filtre passe-bas, fréquence de coupure haute à 65 MHz). Les fréquences de coupure peuvent varier en fonction du pays dans lequel est implanté le réseau HFC.

• La voie descendante et la voie montante continuent avec des amplificateurs capables de compenser les pertes de niveau dans les filtres et les circuits de répartition et dérivation du boîtier.

• Des atténuateurs (Att.) sont placés sur les voies de données. Le niveau requis sur les liaisons numériques est plus faible que celui nécessaire aux transmissions analogiques.

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Quand une sortie du NIU n’est pas utilisée (par exemple, la sortie TVA2 sur la figure 7 ), un bouchon d’impédance égale à l’impédance caractéristique du coaxial (75 ohms) est mis en place afin que soit respecté l’équilibre de la répartition des signaux dans le NIU.

2.5 - Codage de canal, DOCSIS

A travers le réseau HFC, le modem câble CM (cable modem) de l’abonné est connecté à un CMTS (Cable Modem Termination System) implanté dans la tête de réseau (Headend). Le CMTS (figure 8) est chargé de :

• Configurer, allouer dynamiquement, synchroniser les canaux montants et descendants ;

• Partager le canal montant et contrôler l’accès (avec détection de collision) ;

• Contrôler le canal descendant et organiser les données en paquets (optimisation pour le transport de flux MPEG-TS).

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L’ensemble des caractéristiques de transmission et les protocoles mis en œuvre répondent aux standards DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specifications) et/ou EuroDOCSIS pour l’Europe (tableau 3) (Des spécifications particulières sont décrites pour le Japon). La communication DOCSIS permet d’établir un flux descendant (DS, downstream) continu de type point à multipoint et un flux montant (US, upstream) de type salve (burst).

Chargé de fournir les services associés à la transmission de données numériques (dont VoIP) selon DOCSIS/EuroDOCSIS, le CMTS peut être de type :

I-CMTS (Integrated CMTS). Tous le composants de mise en œuvre de DOCSIS sont intégrés dans le CMTS, y compris les systèmes de modulation QAM des canaux ;

M-CMTS (Modular CMTS). Les fonctionnalités du CMTS sont réparties en plusieurs modules ;

D-CMTS (Distributed CMTS) généralement déployé dans un environnement proche des abonnés. Il est utilisé pour connecter moins de 500 abonnés.

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Les spécifications radio fréquence (DOCSIS-RF) définissent les protocoles de la couche physique (PHY) et les interfaces de communication de type radio fréquence RF ( fréquence des porteuses , niveau, type de modulation, codage, multiplexage et contrôle) entre le CMTS et le modem câble.

La couche MAC détermine en particulier la répartition et la mise en forme des paquets de données dans le ou les chemins (canaux) des flux descendants DS (downstream) et du flux montant US (upstream).

En fonction des besoins identifiés (latence et gigue faibles pour le téléphone, trafic VPN symétrique et sécurisé, unicast ou multicast vidéo, ...) des intervalles de transmission sont définis. A ces intervalles sont associés des identifiants SID (Service IDentifier) . Ils permettent d’affecter les ressources nécessaires à la transmission et de gérer les classes de service (dont QoS). Les caractéristiques de la transmission peuvent varier en fonction des besoins définis pour chaque intervalle de transmission.

La voie montante US met en communication plusieurs modems câble (CM) avec le CMTS. Le CMTS détermine les intervalles de temps (Time Sharing) pendant lesquels chaque CM peut communiquer avec le CMTS.

Dans le cas particulier d’une interruption de réseau électrique dans un secteur d’abonnés, un grand nombre de CM attendent simultanément une connexion au réseau. Le CMTS permet alors d’affecter davantage de bande passante de façon à réduire les délais de connexion au réseau des différents CM. Cette disposition peut être mise à profit en cas de besoin de flux symétriques.

Les évolutions importantes correspondant à la mise en œuvre des spécifications DOCSIS 3.1 s’expriment en termes de :

Augmentation des débits  : l’objectif est d’atteindre 10 Gbps pour le flux descendant DS et 1 Gbps pour le flux montant US (figure 9a)  ;

Adaptation et réduction de latence (Quality of Experience) : solution capable d’adapter les files d’attente des paquets (Active Queue Management, AQM) transmis en fonction de l’application utilisée par l’utilisateur (jeu en ligne, par exemple) ;

Augmentation des capacités  : mise en œuvre d’algorithmes de compression et d’encodage plus efficaces, réaffectation (agrégation de canaux, modulation OFDM ou COFDM) et augmentation de la bande passante du réseau (figures 9a et b)  ;

Flexibilité de la mise en œuvre de DOCSIS 3.1 et coexistence avec les versions antérieures en fonction des demandes du marché ;

Environnement  : recherche d’économie d’énergie, en particulier au niveau du fonctionnement des modems câble CM.

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3- L’avenir du câble et de la fibre

L’évolution des versions de DOCSIS/EuroDOCSIS peut être considérée comme une feuille de route permettant de prendre en compte les spécificités de chaque portion de réseau et les possibilités d’évolution tant du réseau lui-même que des techniques mises en œuvre pour augmenter les performances globales. . Chaque opérateur du réseau conserve la maîtrise de ses choix quant aux objectifs d’évolution de la portion de réseau dont il a la charge.

La structure physique des réseaux évolue également et le transport des données sur fibre optique, jusque chez l’utilisateur est de plus en plus déployée dans les zones à haute densité de population. Parmi les solutions FFTx (« x » désigne le point de livraison de la fibre dans le réseau) proposées par les opérateurs, on retient :

FFTLa (Fiber To The Last amplifier). Un hub, connecté au réseau optique, alimente les nœuds otiques (optical node) implantés au plus près des immeubles ou d’un groupe de résidences. Seule la distribution vers les abonnés est gérée localement.

FTTB (Fiber To The Building). La distribution à l’intérieur de l’immeuble peut être prise en charge par une installation propre, relevant de la responsabilité de l’organisme de gestion propre à l’immeuble. Elle peut être de type coaxial ou fibre.

FTTH (Fiber To The Home). La fibre optique est déployée de bout en bout jusque chez l’abonné. Cette solution permet d’obtenir les meilleures performances. En local, des éléments passifs (PON, Passive Optical Network) permettent de répartir le signal lumineux entre les différents abonnés. Le flux montant est synchronisé TDMA (Time Division Multiple Acces).

FTTA (Fiber To The Antenna). Cette solution est destinée à répondre aux besoins dus à la prolifération des équipements mobiles. Une interface radio assure la connexion des mobiles au réseau en fibre optique.

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