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ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ .À L'ÉCOL

ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ .À L'ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE COMME EXIGENCE PARTIELLE À L'OBTENTION D'UNE MAITRISE EN GÉNIE AVEC CONCENTRATION RÉSEAUX DE TÉLÉCOMMUNICATION M.Ing. PAR MANTELET, Guillaume ÉTUDE DE LA PROBLÉMATIQUE ET DES SOLUTIONS DE SURVEILLANCE DE RÉSEAUX OPTIQUES PASSIFS MONTRÉAL, LE 30 JUILLET 2007 © Mantelet, 2007 CE MÉMOIRE A ÉTÉ ÉVALUÉ PAR UN JURY COMPOSÉ DE: Mme Christine Tremblay, directeur de mémoire Département de génie électrique à l'École de technologie supérieure M. André Girard, codirecteur de mémoire EXFO Electro-Optical Engineering Inc. M. Michel Kadoch, président du jury Département de génie logiciel et des TI à 1 'École de technologie supérieure M. François Gagnon, membre du jury Département de génie électrique à l'École de technologie supérieure IL A FAIT L'OBJET D'UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC LE 17 JUILLET 2007 À L'ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE REMERCIEMENTS Je souhaite exprimer mes remerciements les plus chaleureux à tous ceux et celles qui ont permis la réalisation de ce mémoire, tout particulièrement Christine Tremblay, mon directeur de maîtrise, pour son encadrement, son soutien, sa patience et sa présence tout au long de la réalisation de ce projet d'étude captivant. Dans l'attente de pouvoir goûter aux délices du« cafénéantage »prochainement, je remercie également André Girard, superviseur chez EXFO ingénierie électro optique, pour ses questions pertinentes, et ses remarques éclairantes, qui furent d'un grand intérêt dans 1' avancement de 1' étude. J'aimerai aussi exprimer ma profonde reconnaissance envers Michel Leclerc, ingénieur chez EXFO, pour avoir mis à ma disposition, données, connaissances et outils nécessaires à la pleine réussite du projet, ainsi qu'à Bruno Giguère pour sa contribution à une partie de l'étude. Mes sincères remerciements à Greg Schinn, pour son support tout au long du projet, ainsi " qu'à Michel Leblanc, Nicholas Gagnon, et Robert Baribault, pour leurs commentaires et remarques d'une grande aide pour l'étude. Enfin, je tiens à exprimer ma gratitude envers ma famille, ainsi qu'à mes amis, sans qui il aurait été impossible de mener cette expérience enrichissante. ÉTUDE DE LA PROBLÉMATIQUE ET DES SOLUTIONS DE SURVEILLANCE DE RÉSEAUX OPTIQUES PASSIFS MANTELET, Guillaum<~ RÉSUMÉ Un bris survenant sur un réseau d'accès constitue une gêne pour l'usager, dans la mesure où sa connexion à l'Internet est temporairement interrompue. L'opérateur doit donc être en mesure de lui offrir un réseau fiable, et mettre en œuvre toute une instrumentation spécialisée dans la surveillance de ses réseaux afin de pouvoir intervenir au plus vite en cas de défaillance. L'objectif primaire de ce projet de recherche est de définir un système de surveillance adapté aux réseaux d'accès optique passifs, en fonction des contraintes liées à leur topologie et à leurs propriétés physiques. Ce mémoire abordera donc les particularités propres à ces réseaux, avant d'inventorier les instrumentations existant dans le domaine optique capables d'être déployés sur de tels réseaux. La problématique de surveillance, basée sur des critères techniques et économiques, y ~era alors présentée. Puis, une revue étendue de la littérature scientifique sur le sujet y sera présentée. Cette revue sera agrémentée d'une analyse des coûts d'installation et de maintenance, et de couverture associés à chacune des solutions potentielles de surveillance identifiées. Ceci permettra l'identification d'une solution jugée optimale en fonction de la problématique établie. Ensuite, le mémoire détaille les caractéristiques de chaque composante de la solution, ainsi que des résultats de simulation effectués pour valider les performances du système de surveillance obtenu. Par ailleurs, des limites seront déterminées, et les contraintes qu'elles impliquent, identifiées. Ce projet aboutit enfin à la définition d'un système de surveillance dont les forces, les faiblesses et les recommandations associées à son déploiement sont décrites. STUDY OF PROBLEMS AND MONITORING SOLUTIONS IN PASSIVE OPTICAL NETWORKS MANTELET, Guillaume ABSTRACT A fault occurring on an access network constitutes an inconvenience for the subscriber who pays for the service delivered by the operator, insofar as its connection to the Internet is stopped. Then, the operator must be able to offer a reliable network to his customers, and to carry out a who le instrumentation specialized in the monitoring of his networks, in order to be able to step in as fast as possible in the event of a failure. The primary objective of this research project is to define a monitoring system adapted to the passive optical networks, according to the constraints related to their topology, their architecture and their physical properties. This review will approach the specifie characteristics of these networks, before inventorying the instrumentations existing in the optical field which are able to be deployed on such networks. The problems of monitoring, based on technical and economie criteria, will then be revealed. Next, a wide study of the scientific literature on the subject will be presented. An analysis of the costs of installation and maintenance, and coverage associated with each potential solution of monitoring identified wiH be added to this study. This will allow the identification of a solution considered to be optimal according to the established problems, solution that we considered original and unique. Then, the report details the characteristics of each component of this solution, as well as results of simulation carried out to valida te the performances of the monitoring system obtained. In addition, technical bounds will bè determined as well as the constraints which they imply. This project led finally to the definition of a monitoring system based on this solution whose forces, weaknesses and recommendations associated with its deployment are described. TABLE DES MATIÈID:S Page INTRODUCTION .............................. : ...................................................................................... _1 CHAPITRE 1 MISE EN CONTEXTE ...................................................................................... 4 1.1 Descriptions générales ................................................................................................... 4 1.1.1 Les réseaux d'accès optiques passifs dans le monde d'aujourd'hui.. ............. .4 1 1 2 Q , , ' 'f . . ' 1 . . ? 5 . . u est ce qu un reseau pas si optique po mt a mu tipomts ........................... .. 1.2 Topologie d'un réseau optique passif point à multipoints ............................................. 6 1.3 Types génériques de réseau optique passif.. .................................................................. 8 CHAPITRE 2 PROBLEMATIQUE LIEE A LA SURVEILLANCE D'UN PON ................. 1 0 2.1 Appareils et techniques de surveillance ....................................................................... IO 2.1.1 La méthode OTDR ........................................................................................ 10 2.1.1.1 Principe de l'OTDR ......................................................................... 10 2.1.1.2 Limitations de l'OTDR .................................................................... 12 2.1.1.3 L'OTDR accordable ........................................................................ 12 2.1.1.4 OTDR Raman ou Brillouin ........................... ; .................................. 13 2.1.2 La méthode OFDR ......................................................................................... 13 2.1.2.1 Principe de 1' OFDR ......................................................................... .14 2.1.2.2 Limites de cette méthode ................................................................. 15 2.1.2.3 Transformées d'un signal tempord ................................................. 15 2.1.3 Méthode à base de phasemètre ...................................................................... 15 2.1.3.1 Principe de la méthode ...................................... ~ ............................. 16 2.1.3.2. Limites de la méthode ...................................................................... 17 2.1.3 .3 Modulation des impulsions de l'OTDR ........................................... 17 2.1.4 Cartographie de fautes ................................................................................... 17 2.2 Problématique économique ......................................................................................... 18 2.3 Problématique technique ..................................................... , ....................................... 19 2.4 Des éléments rendant une surveillance plus ardue ...................................................... 19 2.4.1 La connectique ............................................................................................... 20 2.4.2 Les coupleurs à fibre optique ......................................................................... 20 2.4.3 Les guide d'onde planaire et phasars .............................................................. 21 2.4.4 Contrainte liée à l'emploi des guide d'onde planaire .................................... 23 2.5 Placements de l'OTDR ..................................................................................... , ........... 24 2.5.1 Placement au niveau du diviseur de puissance .............................................. 24 2.5.2 Placement au terminal de l'usager ................................................................. 25 2.5.3 Placement au terminal du fournisseur d'accès .............................................. 26 2.6 . Accumulation des signaux rétrodiffusés et réfléchis ................................................... 27 2.7 Caractérisation des événements .................................................................................... 28 2.8 Dégradations de performance ....................................................................................... 29 2.8.1 Dégradations du diviseur de puissance .......................................................... 29 2.8.2 Dégradations de la fibre optique ..................................................................... 30 1 / VII 2. 9 Rupture de service ....................................................................................................... 3 3 2.9.1 Rupture au niveau du diviseur de puissance .................................................. 33 2.9.2 Rupture au niveau de la fibre optique ............................................................ 35 2.10 Dépannage et surveillance ...................... , ................................. · ................................... 36 2.11 Discrimination de la fibre optique endommagée ......................................................... 3 7 2.11.1 Discrimination directe ................................................................................... 3 7 2.11.2 Discrimination indirecte ................................................................................ 3 7 2.12 Solutions de dépannage, solutions de surveillance ....................................................... 38 CHAPITRE 3 EVALUATION DES SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES ........................... 39 3 .1 OTD R au CO ................................................................................................................ 3 9 3 .1.1 Principe de la méthode ...................................... : ........................................... 39 3 .1.2 Considérations économiques ........... ~ ............................................................. 40 3 .1.3 Surveillance in-situ ........................................................................................ 40 3.1.4 Surveillance par interruption des transmissions ............................................ 42 3.2 ONT uniques identifiables depuis le CO .................................................................... .43 3.3 3.4 3.5 3.2.1 3.2.2 ' 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3.2.8 Principe de la méthode .................................................................................. 43 Considérations économiques ......................................................................... 43 Fibre optiques de longueurs différentes ......................................................... 43 Réseaux de Bragg comme signature ............................................................. .44 Réflectances simples ...................................................................................... 45 Réseaux de Bragg comme marqueurs .......................................................... .46 Routage des signaux de test ........................................................................... 49 OCDMA ......................................................................... ; .............................. 51 Détection bidirectionnelle ............................................................................................ 53 3 . 3 .1 Principe de la méthode .................................................................................. 53 3.3 .2 Considérations économiques ......................................................................... 53 3.3.3 Intervention de la maintenance chez l'usager ................................................ 54 3.3 .4 Implémentation d'une solution protocolaire .................................................. 56 3.3 .5 Asservissement des OTDR distants ............................................................... 56 3.3.6 Utilisation des récepteurs des ONT ..................................................... : ......... 59 3.3. 7 Solution de Fibersafe ..................................................................................... 60 Fibre optiques noires ......................................................... 0 ......................................... 61 3 . 4.1 Principe de la méthode .................................................................................. 61 3 .4 uploads/Ingenierie_Lourd/ gpon-mantelet-guillaume.pdf