Perspectives d’évolution des réseaux optiques vers une meilleure efficacité énergétique

07/06/2013
Auteurs :
Publication REE REE 2013-2 Dossier L'avenir d'Internet
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-2:4378
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2013-2/4378You do not have permission to access embedded form.

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Perspectives d’évolution des réseaux optiques vers une meilleure efficacité énergétique

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REE N°2/2013 43 L'AVENIR D'INTERNET Catherine Lepers1 , Dominique Chiaroni2 1 Institut Mines-Télécom/Télécom SudParis, CNRS UMR5157 SAMOVAR 2 Alcatel-Lucent Bell Labs France Introduction Les réseaux de télécommunications transfor- ment notre société et apportent de bonnes pra- tiques comme le télétravail, la visioconférence, l’e-commerce… réduisant l’impact de l’homme sur l’environnement. Cependant, le paradoxe de ces nouvelles Technologies de l’Information et de la Communication (TIC) est, que leur développe- ment s’accompagne aussi d’une augmentation de la consommation énergétique, liée à l’utilisation croissante des ordinateurs et du volume de données transporté dans les réseaux. Les TIC représentent 8 % de la consommation électrique mondiale : 15 % est due à celle des Data Centers, 13 % à celle de l’infrastructure du réseau et 52 % à celle des box chez les abonnés [1]. Des efforts de recherche et de développement tech- nologique sont menés afin de réduire cette consom- mation électrique. Les fournisseurs d’équipement des Data Centers s’intéressent à de nouveaux composants hybrides intégrés économes en énergie [2] et les équi- pementiers et opérateurs de réseaux à de nouveaux concepts de réseaux conservant le même niveau de fonctionnalité, mais plus efficaces en énergie. Dans les réseaux optiques [3] qui répondent à la demande croissante en débit, les chercheurs essaient de développer des modules tout optiques intégrés comme des transmetteurs et récepteurs à formats de modulation complexes ouvrant la voie vers le très haut débit, des commutateurs optiques associés à des démultiplexeurs optiques pour la couche de transport optique, ou des modules plus prospectifs mais ouvrant de nouvelles perspectives comme des mémoires optiques, ou des convertisseurs de longueur d’onde. Sur le plan de la transmission, on a introduit des fibres optiques à faible perte et à faible dispersion, des émet- teurs et des récepteurs optiques efficaces. Sur le plan du réseau, des mécanismes d’allocation de ressources, des routeurs éco-conçus, de nouvelles architectures de réseaux comme les réseaux élastiques et les réseaux d’accès optiques longue portée… sont étudiés. Au ni- veau applicatif, des approches liées à l’informatique en nuage pourraient également conduire à une réduction énergétique. Dans cet article, nous allons porter notre atten- tion sur ces réseaux optiques haut débit. Nous présentons les solutions mises en œuvre et les pistes de recherche envisagées dans tous les seg- ments de ces réseaux afin d’en augmenter l’effica- cité énergétique. Perspectives d’évolution des réseaux énergétique Electricity consumption rise for ICT is expected as more and more people are making intensive use of computers, mobile phones, web-based services and high-definition video and television. Following this, energy sufficient solutions are studied in the areas of “data centers and cloud computing” and “telecommunication networks”. In this article, we focus on research activities performed to get high data bit rate optical networks with a good quality of service, a good network efficiency with the best energy efficiency. We present some research perspectives related to the development of sleeping mode technique, new transmission data format proposal to match physical and user data bit rate in optical access networks. The evolution of core and metropolitan networks to elastics networks is also presented through research activities on new hybrid optical and electrical switches and P-OADM technique. ABSTRACT 44 REE N°2/2013 L'AVENIR D'INTERNET Technologies des réseaux actuels Dans un pays donné, la structure hiérarchique d’un ré- seau de télécommunications fait en général apparaître des réseaux domestiques, des réseaux d’accès, des réseaux mé- tropolitains et un réseau cœur en partant de l’utilisateur et en remontant jusqu’au cœur du réseau (figure 1) [4]. Le réseau domestique ou réseau d’appartement est rac- cordé au réseau d’accès par une passerelle domestique (ou box). Les technologies du réseau d’accès sont principalement les technologies xDSL1 qui s’appuient sur l’infrastructure téléphonique : les paires de cuivre auxquelles on a ajouté des modems DSL. Elles permettent d’atteindre un débit de quelques Mbit/s suffisant pour offrir un service triple play (Internet, téléphone, télévision), à condition que la ligne ne soit pas trop longue. Quant aux technologies optiques, de type FTTH2 , elles permettent de répondre à la demande croissante des abon- nés en services multimédia comme la vidéo sur Internet, les communications peer to peer… en accédant à des débits plus élevés indépendamment de la distance séparant l’abon- né du nœud de raccordement. Ces technologies se déclinent en trois sous-catégories : les réseaux optiques passifs point- à-point et point-multipoint, ainsi que les réseaux optiques actifs. Ces dernières années, de nombreux pays ont déployé des réseaux d’accès optiques passifs PON [5] : la technique 1 DSL : Digital Subscriber Line. 2 FTTH : Fiber To The Home: Fibre jusqu’à la maison. Gigabit PON (GPON) est majoritairement déployée en Europe et en Amérique du Nord tandis que la technique Ethernet PON (EPON) domine le marché en Asie. Le réseau d’accès est connecté au réseau métropoli- tain constitué des sous-réseaux métropolitains d’accès et de cœur. Le sous-réseau métropolitain d’accès réalise l’agréga- tion du trafic en provenance de différents réseaux d’accès et le sous-réseau métropolitain de cœur effectue le raccorde- ment des sous-réseaux métropolitains d’accès, facilite la mise à l’échelle du réseau métropolitain, et fournit un ou plusieurs points de connexion au réseau cœur. L’acheminement des données entre les différents réseaux métropolitains est réalisé grâce aux réseaux cœur national et international : le réseau national, à l’échelle d’un pays, adopte généralement une topologie maillée. Le réseau maillé international, à l’échelle de plusieurs pays, réalise l’intercon- nexion des réseaux nationaux : il s’appuie sur des systèmes de transmission sous-marins, satellitaires ou terrestres. Les réseaux cœur et métropolitain sont constitués d’une infrastructure physique (génie civil, câbles optiques ou élec- triques), d’une infrastructure de transmission, généralement optique, qui fournit des liens de transmission entre les diffé- rents points du réseau et d’une couche IP (ou IP sur MPLS) qui gère le transport des flux ou le trafic de données en s’appuyant sur l’infrastructure optique. Pour diriger les flux de données dans les réseaux, on intègre à l’infrastructure optique des nœuds de commutation tout optique ou des Figure 1 : Hiérarchie du réseau de télécommunications, de l’abonné au réseau métropolitain de cœur. REE N°2/2013 45 Perspectives d’évolution des réseaux optiques vers une meilleure efficacité énergétique brasseurs Optique-Electrique-Optique. Les nœuds de com- mutation tout optique sont fabriqués à partir de commuta- teurs de type WSS (“Wavelength Selective Switch”) intégrant des MEMs (“Micro-Electro-Mechanical Systems”) et des multiplexeurs/démultiplexeurs WDM. En résumé, ces équi- pements permettent d’aiguiller le trafic dans les réseaux tout en essayant d’optimiser la configuration des chemins suivis et le coût d’acheminement des flux de données. Parallèlement aux réseaux filaires décrits ci-dessus, coexiste aussi le réseau mobile qui a sa propre hiérarchie réseau. Elle est très comparable à celle du réseau fixe pour sa partie filaire, à laquelle sont connectées les stations de base. La partie sans fil est le réseau radio entre l’utilisateur et les stations de base : ce dernier peut être fixe (norme Wi-Fi) ou mobile (normes GSM, UMTS, 3G, 4G…). Des études de réduction énergétique dans les réseaux mobiles sont égale- ment en cours mais elles ne seront pas abordées dans cet article. Les grands axes d’évolution de l’infrastructure optique Le challenge des travaux de recherche actuels est de pro- poser des concepts de systèmes et réseaux où l’optique tien- dra une place de plus en plus importante et où l’efficacité énergétique sera optimale aussi bien au niveau de la couche électrique que de la couche optique. Dans cet article, nous nous concentrerons sur les pistes de recherche à explorer en vue d’une réduction de la consommation énergétique, segment de réseau optique par segment de réseau optique. Le réseau cœur Des flux très importants de données y sont transportés grâce au multiplexage en longueur d’onde (WDM3 ) qui permet de transmettre simultanément plusieurs longueurs d’onde sur une même fibre optique. Elles sont espacées suivant une grille définie par l’UIT4 au pas de 0,8 nm/100 GHz ou de 0,4 nm/ 50 GHz voire de 0,2 nm/25 GHz. Les flux de données à des débits très élevés (10 Gbit/s, 40 Gbit/s, 100 Gbit/s ou plus) sont généralement structurés en paquets IP : ils sont soit por- tés directement par les longueurs d’onde du spectre WDM soit indirectement par une couche de type SDH5 . Dans un réseau cœur IP, les éléments consommateurs d’énergie sont principalement les routeurs ou commutateurs électriques aiguillant les paquets IP, les commutateurs actifs 3 WDM : Wavelength Division Multiplexing (Multiplexage en longueur d’onde). 4 UIT : Union Internationale des Télécommunications. 5 SDH : Synchronous Digital Hierarchy : hiérarchie de multiplexage nu- mérique synchrone. optiques aiguillant les signaux optiques, les transpondeurs qui convertissent les signaux électriques en signaux optiques, les amplificateurs optiques et les équipements de la couche SDH, lorsqu’elle existe. A noter que les éléments de base des commutateurs optiques seront les multiplexeurs optiques d’insertion/extraction (OADM6 ). Aujourd’hui, la couche optique mettant en œuvre la tech- nique WDM, offre une connectivité en mode circuit entre les différents nœuds du réseau. Cependant, le mode circuit transporte de façon peu efficace les trafics irréguliers en temps et en intensité. Le mode paquet lui s’adapte bien à ces profils de trafics sporadiques mais nécessite des mémoires tampon non disponibles en technologie optique. On est donc face à une double problématique : comment assurer que chaque canal WDM centré autour d’une longueur d’onde est bien rempli afin d’optimiser son utilisation et comment limi- ter la consommation d’énergie des réseaux face à des trafics sporadiques ? Les pistes d’études que nous allons présenter, ont donc pour objectif d’adapter au mieux les ressources en longueurs d’onde des réseaux aux fluctuations en débit du trafic tout en optimisant au mieux leur efficacité énergétique. Vers des réseaux optique élastiques La première piste envisagée consiste à conserver le mode circuit, et à le modifier afin de le rendre plus flexible et mieux adapté au trafic à transporter : on introduit le concept d’élasticité dans les réseaux optiques en associant une variation du débit physique des transpondeurs des nœuds à une variation de l’espacement entre canaux WDM. Par exemple, si dans un canal WDM dédié au transport d’un flux de données à 100 Gbit/s, on doit transporter un débit crête ne dépassant pas 10 Gbit/s à format de modu- lation constant, on peut tenter de diminuer le débit du canal WDM à la valeur de 10 Gbit/s, le recentrer sur une nouvelle longueur d’onde et, par la même occasion, modifier l’espace- ment intercanal WDM (concept de grille flexible). Ainsi, dans les réseaux élastiques, on abandonne le concept de système WDM avec grille à espacement figé des longueurs d’onde au profit d’un système WDM avec grille flexible. Cette gestion dynamique du réseau permet d’opti- miser l’efficacité spectrale du réseau optique (débit/espace- ment inter-canal en bit/s/Hz) et d’envisager l’extinction de canaux WDM : ainsi on favorise un meilleur remplissage des canaux et on réduit la consommation énergétique en étei- gnant certains transpondeurs, cartes de ligne et parties des brasseurs optiques OXC7 ... 6 OADM : Optical Add-Drop Multiplexer : Multiplexeur optique d’Inser- tion Extraction (MIE). 7 OXC : Optical Cross Connect : Brasseur optique. 46 REE N°2/2013 L'AVENIR D'INTERNET Une technique de mise en veille de certaines parties des OXC a également été introduite en redirigeant les trafics por- tés par les longueurs d’onde les moins remplies, vers des longueurs d’onde partiellement remplies. Cette technique at- tractive, est néanmoins bridée par des constantes de temps assez grandes : elle marche bien lors d’importants bascule- ments de trafic qui peuvent s’effectuer avec une périodicité relativement élevée. Notons que les deux possibilités que nous venons de présenter, peuvent engendrer des instabilités comme des phénomènes non linéaires ou interactions physiques entre les canaux lorsqu’on les rapproche : il conviendra de les iden- tifier et de les quantifier. Des études sont également en cours pour déterminer comment éviter les situations de blocage qui peuvent se produire lors de l’établissement de nouvelles connexions. Ces situations peuvent résulter non seulement de la non-disponibilité de la ressource en longueur d’onde mais aussi de la non-disponibilité de l’espacement intercanal souhaité. Il est également important de prendre en compte le temps de réaction du réseau de l’ordre de plusieurs minutes voire quelques heures. Vers les paquets optiques La seconde piste consiste à envisager l’introduction de paquets optiques commutés dans le réseau optique. Cette piste, moins classique dans le domaine des réseaux optiques « habitués » au mode circuit, est cependant en phase avec l’historique de l’évolution du réseau de télécom- munications (du mode circuit vers le mode paquet IP). Cette technique appelée OPS8 associe dans un paquet optique généralement de longueur fixe, un champ entête de paquet et une charge utile transportés soit sur une même longueur d’onde, soit sur des longueurs d’onde différentes. Elle met également en œuvre une synchronisation du réseau et constitue un mode connecté contrairement à la technologie de commutation de rafales OBS9 . Cette technique envoie un champ entête en avance par rapport à la rafale, pour ou- vrir et réserver les ressources nécessaires dans les nœuds à traverser, sans aucune garantie de succès. La technique OBS est donc très peu adaptée à une gestion efficace de la qualité de service et plutôt proposée pour des services se contentant d’un service “best effort”. La technique OSS10 dérivée de l’OPS, met en œuvre des paquets dont le champ entête est transporté sur une autre longueur d’onde, mais reste virtuellement attaché à la charge utile. Cela permet d’avoir une synchronisation du réseau, mais surtout cela 8 OPS : Optical Packet Switching : Commutation de paquets optiques. 9 OBS : Optical Burst Switching Commutation de rafales optiques. 10 OSS : Optical Slot Switching : Commutation d’intervalles de temps optiques. évite de démoduler les données de la charge utile lorsque ce n’est pas nécessaire. C’est pourquoi cette technologie sera très adaptée à la technique de transfert optique dynamique décrite ci-dessous. Dans cette seconde piste, on est donc dans une perspective d’un réseau tout paquet, où l’optique apporte une avancée signi- ficative précisée dans la suite. Mais cette orientation soulève la question suivante : comment réaliser un commutateur/rou- teur rapide sans mémoire optique, et sans fonction com- plexe de traitement de données comme la régénération optique, la conversion de longueur d’onde tout optique ? Des technologies hybrides La réponse la plus pragmatique, consiste à adopter une technologie hybride (optique, électronique) afin de tirer bénéfice du meilleur de chaque technologie. Parmi les fonc- tions optiques prometteuses, on peut citer : La fonction « commutation en optique intégrée asso- ciée à la technique WDM ». Un commutateur de ce type pourrait commuter de très gros volumes de trafic, pouvant aller jusqu’à plusieurs dizaines de Tbit/s, en associant un très haut débit par longueur d’onde (1 Tbit/s) et un grand nombre de longueurs d’ondes par accès (>10). Avec un commutateur 8x8, 10 longueurs d’ondes par port, et 1 Tbit/s par longueur d’onde, on pourrait avoir un commutateur d’une capacité de 80 Tbit/s dans un composant hybride en optique intégré. Ce développement repose sur des études qui ont montré que le routage optique est moins consommateur en énergie que le routage électrique : évoluer vers le routage optique devrait donc permettre à terme d’évoluer vers des réseaux cœur plus efficaces en énergie à condition de lever quelques verrous technologiques dont la rapidité de commutation. La figure 2 montre l’évolution de l’énergie par bit consom- mée en fonction de la capacité de commutation d’un commutateur optique spatial à base de portes optiques fabriquées avec des amplificateurs optiques à semi-conduc- teur, et d’un commutateur électronique. Pour une capacité de commutation de 1 Tbit/s, la consommation d’énergie de la commutation optique est 400 fois inférieure à celle de la commutation électronique. Ce résultat obtenu avec des hypothèses basées sur les performances actuelles de la technologie optique, montre que la technologie de com- mutation optique a un fort potentiel de gain énergétique. Le cône indique l’incertitude de l’extrapolation faite. La fonction « transfert optique dynamique ». Il s’agit d’une fonction permettant d’éviter de faire traverser un sys- tème de commutation électronique, par des données qui pourraient être maintenues dans le domaine optique. Le mode dynamique est réalisable grâce au mode paquet : en REE N°2/2013 47 Perspectives d’évolution des réseaux optiques vers une meilleure efficacité énergétique temps réel, les paquets qui n’ont pas à subir la conversion optique électrique, traversent de manière transparente (op- tique) les nœuds de commutation. Cette fonction évite donc de traiter, dans le domaine électronique, l’ensemble du trafic arrivant sur les nœuds de commutation ; seules les données devant être extraites ou insérées, y sont traitées. Pour réaliser cette fonction de transfert optique dynamique, nous avons donc besoin d’un système d’insertion et d’extraction de pa- quets dans le domaine optique. La figure 3 montre ce que pourrait être l’évolution des architectures des commutateurs du cœur du réseau en éliminant les fonctions consomma- trices d’énergie de niveau 3. Dans cette approche, ce sont les nœuds en périphérie du réseau cœur qui gèrent la couche 3 ou couche IP. Les nœuds au cœur du réseau peuvent donc se limiter à un traitement de niveau 2 ou 2,5 pour assurer un mode connecté adapté à une gestion efficace des classes de service exigeantes de type premium. La fonction « diffusion et sélection des données ». Cette fonction est actuellement exploitée dans la couche transport du réseau cœur national en utilisant des multi- plexeurs/démultiplexeurs de type WSS. Elle est également utilisée dans les réseaux d’accès optiques passifs PON. Elle pourrait à terme concerner les architectures optiques à com- mutation rapide utilisant des P-OADM. La fonction « accordabilité en longueur d’onde ». Des diodes laser accordables en longueur d’onde sont actuelle- ment intégrées dans les émetteurs optiques afin de pouvoir disposer de sources optiques à des longueurs d’ondes dif- férentes tout en évitant de stocker des composants à dif- férentes longueurs d’onde. Nous verrons dans la suite, que cette fonction peut être utilisée pour rendre plus dynamique un réseau en banalisant une longueur d’onde quand on veut insérer de nouvelles données. Le réseau métropolitain Diverses topologies de réseau métropolitain ont été dé- ployées dans le monde comme les réseaux en anneau SDH sur WDM ou les réseaux maillés Ethernet. On retrouve les mêmes éléments consommateurs d’énergie, « rencontrés » dans les réseaux cœurs. Lorsqu’on a recours à des réseaux maillés Ethernet, il faut bien sur ajouter les éléments qui les constituent comme les commutateurs Ethernet, les passerelles… Figure 2 : Perspectives et comparaison de consommation énergétique entre commutation optique et commutation électronique. Figure 3 : Evolution possible des architectures de commutation de cœur dans le réseau. A terme, le commutateur électronique au niveau L2, la structure d’insertion/extraction en longueur d’onde et le routage IP au niveaux L3 et L2,5 seront remplacés par un commutateur optique avec des fonctions aussi complexes aux niveaux L2 ou L2,5 mais sans niveau L3 consommateur d’énergie. 48 REE N°2/2013 L'AVENIR D'INTERNET Le sous-réseau métropolitain d’accès Le sous-réseau métropolitain d’accès permet d’agréger les flux d’un ensemble de réseaux d’accès. Une nouvelle direction de recherche consiste à absorber le réseau métropolitain d’accès dans le réseau d’accès en propo- sant notamment un réseau d’accès de type PON WDM. La technique WDM est alors exploitée directement dans le réseau d’accès, pour agréger la capacité de plusieurs réseaux d’accès optiques mono-longueur d’onde. Étant donnée la topologie en arbre du réseau PON, la fonction d’agrégation du réseau métropolitain d’accès se trouve ainsi directement assurée par le tronc du PON (figure 4). Le sous-réseau métropolitain de cœur La topologie maillée de ce réseau permet à une partie du trafic de rester dans le réseau métropolitain sans aller dans le réseau cœur. Ceci conduit de nombreux fournisseurs de ser- vices à y connecter certains de leurs serveurs d’applications afin de réduire le volume de données à transporter dans le réseau cœur ainsi que le temps d’accès aux applications : c’est le cas par exemple du service vidéo à la demande. La technologie P-OADM11 a été proposée par diffé- rents fournisseurs d’équipements [6][7][8]. Elle permet d’optimiser l’utilisation des ressources optiques dans les réseaux métropolitains tout en considérant des paquets de données, fréquemment encapsulés dans des trames Ether- net. Ces paquets présentent un champ entête transporté sur 11 P-OADM : Packet Optical Add/Drop Multiplexer : Multiplexeur d’Inser- tion et Extraction Optique de Paquets. une longueur d’onde séparée, et émise en même temps que la charge utile. La technologie P-OADM permet de réaliser la fonction de transfert optique dynamique de données, décrite dans le paragraphe précédent. Cette nouvelle fonctionnalité pourrait conduire à des réductions énergétiques si elle était mise en œuvre dans les réseaux métropolitains. A noter qu’un sous-réseau métropolitain de cœur de type Ethernet ou IP/MPLS reste nécessaire pour interconnecter les anneaux faisant appel à cette technologie : ceci, afin d’offrir une couverture géographique plus large, et afin de faire face notamment à la montée en débit dans le réseau métropolitain. La figure 5 décrit le schéma fonctionnel d’un nœud de type P-OADM [6]. Adaptés à une topologie physique en anneau, ces nœuds permettent de gérer en temps réel des slots12 de don- nées optiques qui circulent sur l’anneau optique. Certains slots de données entrants sont transférés de manière directe sans conversion optoélectronique, d’autres sont extraits en ligne. L’ai- guillage des slots en ligne transportés sur différentes longueurs d’onde ( i), est rendu possible grâce à la lecture du canal de contrôle ( c) transportant les champs entête des slots optiques. Il est possible d’extraire et d’insérer des slots gérés par la carte de ligne à l’aide d’une unité de commande gérée par le canal de contrôle. Les slots extraits sont reçus par un ou plusieurs récepteurs, fonctionnant à une longueur d’onde fixe ou accor- dable. Les slots à insérer sont émis par un ou plusieurs lasers accordables en longueur d’onde afin d’optimiser l’utilisation de la ressource optique. La fonction diffusion est rendue possible 12 Slots : intervalles de temps. Figure 4 : Evolution possible du modèle A vers le modèle B, en vue d’une simplification du réseau tout en ayant la même capacité d’agrégation. REE N°2/2013 49 Perspectives d’évolution des réseaux optiques vers une meilleure efficacité énergétique au travers de l’utilisation d’un coupleur optique à l’intérieur de la structure P-OADM. Enfin, le canal de contrôle est réinséré à la sortie du P-OADM afin de transmettre les nouveaux champs entête réorganisés dans l’unité de commande du nœud. La figure 6 compare les trois technologies : Ethernet, R- OADM et P-OADM afin d’identifier l’intérêt énergétique de la solution P-OADM. Dans ce cas d’étude, la technologie P- OADM est de type porte optique afin de gérer le trafic tra- versant la structure. Chaque réseau en anneau comporte un nœud central raccordé au réseau métropolitain de cœur (Hub). On suppose une topologie logique maillée (chaque nœud peut dialoguer en direct avec n’importe quel autre nœud de l’anneau). Enfin, on considère que la technologie Ethernet a un rapport entre la charge offerte et la charge entrante dans le réseau de 100 %, la technologie P-OADM une efficacité de 80 % et la technologie R-OADM une effi- cacité paramétrable de 10 % à 80 %. Ce rapport est appelé « efficacité réseau ». Il apparaît que la technologie P-OADM est toujours plus efficace sur le plan énergétique que les deux autres techno- logies, que ce soit en début de vie du réseau ou à la capa- cité maximale du réseau (400Gbit/s) grâce à un nombre de transpondeurs limités uniquement à la demande cliente. On observe une surconsommation de la technologie R-OADM en début de vie du réseau, essentiellement due à un sur- approvisionnement en cartes de ligne pour offrir la connec- tivité totale entre les différents nœuds du réseau. Quant à la technologie Ethernet, elle est pénalisée par une conversion systématique de tout le trafic. Les réseaux d’accès optiques passifs PON Les réseaux d’accès optiques sont les derniers kilomètres du réseau de télécommunications permettant de connecter les abonnés au nœud de raccordement d’abonnés (NRA). Le réseau EPON transporte des données encapsulées dans des trames Ethernet. Dans le sens descendant, les trames Ethernet émises par l’OLT (situé dans le NRA) sont transmises dans une fibre commune et distribuées via un coupleur passif 1:N vers les N ONUs (où les N branches de sortie du coupleur peuvent varier entre 4 et 64). Les paquets diffusés par l’OLT sont en- suite extraits à leur destination par l’ONU lorsqu’il reconnaît l’adresse MAC des paquets (MAC : Media Access Control). Dans le sens remontant, les trames de données issues des différents ONUs partagent la bande passante de la fibre com- mune. Pour éviter d’éventuelles collisions en cas d’émission simultanée de plusieurs ONU, une technique d’accès multiple à répartition dans le temps (AMRT) est mise en œuvre. L’allo- Figure 5 : Schéma fonctionnel d’un nœud de type P-OADM permettant de gérer en temps réel des slots optiques arrivant. Figure 6 : Facteur de surconsommation des technologies Ethernet et R-OADM par rapport à la technologie P-OADM. Capacité du réseau (Gbit/s) 50 REE N°2/2013 L'AVENIR D'INTERNET cation des intervalles de temps est gérée dynamiquement par l’OLT après instauration d’un dialogue entre l’OLT et les ONUs souhaitant remonter des données (figure 7). La répartition de la consommation électrique des réseaux au Japon, pays où le taux de pénétration de la technologie FTTH est la plus forte au monde est représentée en figure 8. Elle met en évidence la part de la consommation énergétique due aux réseaux d’accès optiques. Dans le cas des réseaux FFTH, les ONUs sont localisés dans le domicile. Les opéra- teurs de télécommunications peuvent les mettre en veille à distance : ceci permet de diminuer la consommation énergé- tique d’un facteur 10 par rapport à un ONU actif [9]. Une autre piste consiste à rapprocher le débit physique autant que possible du débit de l’utilisateur. Les labora- toires de recherches Bell Labs ont exploré cette piste en éva- luant une nouvelle technique de diffusion des données vers les récepteurs des différents ONUs (figure 9) [10]. Au lieu de diffuser des données sous forme de paquets IP, les bits des différents paquets sont entrelacés et diffusés au rythme du débit utilisateur. Cela permet de traiter les données reçues par l’ONU non pas au débit physique de la fibre commune, mais au débit utilisateur. Le récepteur ne comprend alors qu’une photodiode large bande, et un échantillonneur permettant d’extraire les bits sur la liaison haut débit, à une fréquence d’ex- traction correspondant au débit utilisateur. Ainsi toute l’électro- nique de traitement des données est à plus basse fréquence et ceci permet de réduire la consommation électrique jusqu’à un facteur 30 par rapport à une structure conventionnelle trai- tant les paquets au débit de l’interface physique. Le réseau domestique L’optimisation énergétique d’un réseau domestique passe par la suppression dans le domicile de tout élément non utile, par une meilleure mutualisation des appareils, par l’adoption de technologies à haut débit économes en énergie et par la mise en œuvre de la convergence entre les réseaux domestiques fixe et mobile pour éviter d’utiliser deux réseaux en parallèle. La suppression dans le domicile de tout élément inutile La multiplicité d’ordinateurs et de téléphones dans le do- micile engendre une empreinte carbone non négligeable. La figure 10 montre les possibilités d’optimisation énergétique des différents éléments situés dans un appartement. Figure 7 : Architecture d’un réseau Ethernet PON. Figure 8 : Répartition de la consommation électrique dans les réseaux cœur et métropolitain (Coeur IP), dans les réseaux d’accès (ONU et OLT), dans les réseaux métropolitains accès (Agrégation) au Japon (figure reconstituée à partir de la source : A. Otakan IEEE 802.3 Interim Meeting Corée du Sud, 2008). REE N°2/2013 51 Perspectives d’évolution des réseaux optiques vers une meilleure efficacité énergétique En ce qui concerne les PC, un premier axe consiste- rait à avoir une seule base dans le domicile pouvant se relier à n’importe quel terminal reconnu. Ainsi, à terme les tablettes remplaceraient les Lap Top, pour une meilleure efficacité énergétique. Il apparaît aussi, qu’il est important de limiter les interfaces utilisateur à des interfaces passives telles que les claviers vidéo projetés, la manipulation d’ob- jets virtualisés, et d’utiliser des écrans muraux optimisés en consommation électrique. Un deuxième axe serait de mettre en œuvre une pas- serelle domestique virtuelle qui ne se trouverait plus dans le domicile mais dans un local central. On mutua- liserait ainsi les éléments consommateurs d’énergie, en of- frant une solution plus flexible en termes de bande passante chez l’abonné, plus simple pour l’abonné qui n’aurait plus à gérer sa box. Cette solution serait également plus simple côté opérateur qui pourrait offrir de nouveaux services et adapter son matériel aux besoins de l’abonné sans lui imposer de contraintes, ni à mettre en œuvre des processus complexes de télégestion du logiciel des passerelles domestiques de son réseau. L’adoption de nouvelles technologies économes en énergie à haut débit Le transport d’applications haut débit dans le domicile est un problème non négligeable : il faudra transmettre des flux de données avec des débits pouvant atteindre 10 Gbit/s. Di- verses technologies de fibre optique sont considérées dans les nouvelles architectures de réseaux domestiques optiques comme les fibres plastiques, multimode voire même mono- mode suivant les performances en bande passante deman- dée et en pertes tolérées. Figure 9 : Comparaison de la technologie PON actuellement déployée et de la technologie d’entrelacement de bits. Figure 10 : Motivations pour augmenter l’efficacité énergétique des réseaux montrant l’effort à réaliser chez l’abonné. Accord de régulation et de volonté (code de conduite (EU)), “Top Runner Regulation” (Japon), ”Carrier Requirement” (USA). 52 REE N°2/2013 L'AVENIR D'INTERNET La convergence fixe-mobile pour éviter d’utiliser deux réseaux en parallèle La convergence fixe-mobile est probablement la plus prometteuse des techniques permettant d’optimiser la consommation énergétique. Un numéro unique serait attribué à chaque abonné : son terminal serait à la fois un ter- minal mobile à l’extérieur de son domicile et un terminal lié à son réseau fixe à l’intérieur de son domicile. Cette conver- gence devrait permettre de limiter la production de terminaux contribuant à diminuer l’empreinte carbone. La mutualisation de l’infrastructure au travers d’une convergence protocolaire devrait aussi ouvrir de nouvelles voies de connexion moins énergivores pour les stations de base. Conclusion De nombreuses perspectives d’évolution des réseaux optiques vers une meilleure efficacité énergétique sont ou- vertes. La montée en débit dans les réseaux contraint les constructeurs d’équipements et les opérateurs à identifier les limites des technologies actuelles et à envisager des solu- tions en rupture afin de réaliser des réseaux ayant une bonne qualité de service, une bonne efficacité réseau et une effica- cité énergétique optimale. Une augmentation de l’efficacité énergétique des réseaux optiques est atteignable en optimisant la consommation électrique des composants optiques et électroniques, tout en minimisant l’impact de la transmission et du réseau. La technologie optique permet, d’ores et déjà, d’atteindre un rapport énergie par bit (en nJ/bit) record dans les systèmes de transmission optique. Le défi de demain sera d’exploi- ter au mieux le potentiel de la technologie optique dans les nœuds de commutation et dans les nouveaux concepts de réseaux pour encore améliorer l’efficacité énergétique. Des perspectives de réduction de consommation ont été iden- tifiées dans l’ensemble des segments de réseaux optiques : elles concernent aussi bien la mise en veille d’équipements, qu’une simplification du réseau comme la mutualisation du réseau métropolitain d’accès et du réseau d’accès, qu’une adaptation du débit physique au débit utilisateur dans le réseau d’accès ou encore l’introduction de la technologie P-OADM dans les réseaux cœur et métropolitain. Références [1] P. Leishing & al., “Energy Footprint of ICT: Forecasts and Network Solutions”, OFC/NFOEC USA, 2009. [2] B. Lee & al., “Four and Eight Port Photonic Switches Monolirhically Integrated with CMOS Logic and Driver Circuits”, OEC/NFOEC USA, 2013. [3] M.Joindot&I.Joindot,«Lesréseauxdetélécommunications optiques : construuction, évolution et perspectives », REE, Revue de l’Electricité et de l’Electronique, pp. 24-39, n° 01, 2012. [4] R. S. Tucker, “Green Optical Communications - Part II: Energy Limitation in Networks”, IEEE Journal of selected Quantum Topics in Quantum Electronics, vol. 17, n°2, Marchè April 2011. [5] F. Merlaud, « Evolution des réseaux d’accès filaires, du haut au très haut débit », REE, Revue de l’Electricité et de l’Electronique, pp. 32-45, n° 11, 2010. [6] D. Chiaroni, « “Invited Paper: “Optical Packet Add/Drop Systems” », OFC/NFOEC USA, March 2010. [7] Intunenetworks, “Sub wavelength networking”, [En ligne]. Available: www.intunenetworks.com/home/shape-up_ technology_technical_introduction. [8] N. Deng & al., “An optical Multi-ring Burst Network for a Data Center”, OFC/NEOFC USA, Enaheim California, March 2013. [9] C. Lange, “Energy Efficiency of Load Adaptively Operated Telecommunication Networks”, OFC/NFOEC USA, 2013. [10] http://www.greentouch.org/index.php?page=Bi-PON. Catherine Lepers est professeur à l’Institut Mines-Telecom/ Telecom SudParis (IMT/TSP) depuis octobre 2008 et fait partie du sénat académique de la Fondation Campus Saclay. Ses acti- vités concernent les systèmes et réseaux optiques ainsi que les composants optoélectroniques. Elle est responsable des activi- tés d’enseignements du domaine physique à IMT/TSP. Elle dirige également le Master « Electrical and Optical engineering ». Ses thèmes de recherches actuels concernent les systèmes radio sur fibre, les réseaux locaux domestiques optiques et le dimension- nement multicouche dans les réseaux cœur optiques. Elle est auteur et co-auteur de plus de 70 publications. Dominique Chiaroni, est né à Ajaccio, en Corse en 1962. Il a été engagé en 1990 pour travailler au sein des Laboratoires de Mar- coussis sur des technologies de commutation optique et de trai- tement du signal optique. Expert en réseaux optiques travaillant actuellement au centre de recherche Bell Labs France faisant par- tie du Groupe Alcatel-Lucent, il a participé à de nombreux projets nationaux et internationaux. Membre du comité de pilotage de la conférence experte dans le domaine des techniques photoniques pour les systèmes de commutation, il cumule à ce jour plus de 200 publications et brevets. LES AUTEURS