Architectures de réseaux d'accès hybrides analogique & numérique pour la convergence

Hybrid analogue & digital access network architectures for the mobile/fixe infrastructure convergence

• Auteur / Autrice : Florian Frank
• Direction : Catherine Algani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 08/06/2011
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Christelle Aupetit-Berthelemot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Algani, Yannis Le guennec, Frédérique Deshours, Benoît Charbonnier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hong Wu Li

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommunications optiques

Téléphonie mobile

Réseaux téléphoniques numériques

Traitement du signal

Mots clés libres

Réseaux d'Accès

Pon

Radio sur Fibre

Téléphonie mobile

Signal analogique

Télécommunications optiques

Access Networks

Pon

Radio over Fiber

Mobile phone

Analog Signal

Optical Telecommunications

Résumé

Afin de réaliser la convergence de l'infrastructure optique des réseaux d'accès fixes et mobiles, l'objectif de cette thèse est d'étudier les solutions pour la distribution de porteuses radio natives à travers des réseaux d'accès optiques typiques. La première partie décrit les contextes et les principales propriétés physiques des réseaux d'accès optiques et radio : depuis les systèmes Fiber To The Home (FTTH) actuellement déployés et leurs évolutions attendues, en passant par l'actuel système radio Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) jusqu'aux exigences des futurs systèmes modernes de téléphonie mobile. Ceci permet de fixer le cadre de l'environnement optique dans lequel les fonctionnalités Radio over Fiber (RoF) devront être intégrées, et d'anticiper les figures de mérite, se rapportant aux systèmes radios, auxquelles une attention particulière devra être protée durant la mise en oeuvre. La seconde partie montre l'intérêt et les possibilités de réutiliser l'infrastructure optique des réseaux d'accès fixes pour les systèmes de radio distribuée. Ensuite est proposé un inventaire des techniques RoF analogiques et numériques, ainsi qu'une discussion quant à leur intégrabilité dans des systèmes FTTH courants. La troisième partie traite du calcul formel et de simulations d'un système de transmission RoF analogique, où la liaison optique est soit passive ou optiquement pré-amplifiée, et voire amplifiée à l'émission. L'objectif est de fournir des résultats numériques en complément aux résultats pratiques (seconde moitié de la quatrième partie) pour lesquels le rapport signal à bruit est le souci majeur. Pour cela nous utilisons successivement des expressions formelles, et des résultats numériques obtenus pour des signaux sinusoïdaux et pour des signaux UMTS plus réalistes. La quatrième et dernière partie concerne les résultats expérimentaux : d'une part ceux concernant les architectures à base de récepteur APD et à portée étendue grâce à un SOA exploité de manière bidirectionnelle, et ayant pour figure de mérite principale l'EVM ; d'autre part les résultats ayant pour figure de mérite l'ACLR, qui pour les systèmes radio dans le sens descendant, est un paramètre critique, et s'avérant être plus important que l'EVM. C'est pourquoi sont présentées des architectures RoF compatibles avec les budgets PON, permettant de surmonter les non-linéarités d'ordre 3 induites par la dispersion chromatique et le chirp du laser, qui dégradent les performances de ACLR

In order to realize the convergence of the optical infrastructure of fixed and mobile access networks, the objective of this thesis is to study the solutions for distributing native radio carriers through typical optical access networks.The first Part describes the contexts and the main physical properties of the optical and radio access networks: from nowadays deployed Fiber To The Home (FTTH) systems, and their expected evolutions, to the current radio system Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) towards the expected requirements of modern mobile radio systems. This allows to settle the optical environment in which the Radio over Fiber(RoF)-functionalities will have to be integrated, and to know on which radio systems'figures of merits to focus on when implementing it. The second Part shows the benefit and possibilities of re-using the optical infrastructure of the fixed access networks for distributed radio systems. Then a review of the analog and digital RoF techniques is proposed, and their feasibility of integration into legacy FTTH systems is discussed. The third part deals with the computing and simulations of an analog RoF-system where the optical link is either passive or optically pre-amplified, and even boosted. The goal is to provide numerical results to the practical lab. results of the second half of the fourth part where the Signal to Noise Ratio (SNR) matters. Therefore successively formal expressions, numerical results for simple 2-tone signals and more realistic UMTS signals are considered. The fourth and last part deals with the obtained practical results. These can be split into two main categories : Error Vector Magnitude (EVM)-oriented results where an Avalanche Photo-Detector (APD) is used for legacy and extended-reach PON architectures using a direction shared Semiconductor Optical Amplifier (SOA) ; and an Adjacent/Alternate Channel power Leakage Ratio (ACLR)-driven part where the focus is seton a very critical figure of merit of radio systems, especially in the downlink. The latter part turned out to be mandatory and prevailing over the initially considered EVM concerns. Hence several RoF architectures, compatible with PONs, are introduced in order to overcome the non-linearities undergone by the RoF-signals, induced by the chromatic dispersion of the PON's fiber and the laser chirp, and degrading the ACLR performances