Eléments d'analyse des réseaux d'accès optiques et ingénierie de trafic sur ces réseaux

par Minh Thanh Ngo

Thèse de doctorat en Informatique et réseaux

Sous la direction de Gérard Hébuterne.


  • Résumé

    Depuis plusieurs années, on assiste à une très forte accélération des débits supportés par les réseaux de télécommunication. Cette accélération est en partie due à une augmentation de nombre d'abonnés résidentiels ou professionnels mais elle est surtout la conséquence de l'évolution des technologies d'accès qui permettent désormais d'offrir le ``haut débit". Dans un passé récent, les principales technologies d'accès filaire sont d'une part les technologies xDSL (qui exploitent les boucles de cuivre déployées à l'origine pour le téléphone) et celles s'appuyant les réseaux câblés (qui ont été déployés pour distribuer la télévision). La tendance actuelle, pour les réseaux d'accès filaires, s'appuie sur les technologies optiques dites ``FTTx" (Fiber To The Home/Curb/Building/Premises). Les réseaux d'accès optiques diffèrent des précédents par le support physique employé pour transporter l'information. Dans le cas des réseaux d'accès optiques, il s'agit de fibres optiques, qui ont la plus grande capacité de tous les supports physiques utilisés aujourd'hui. Utiliser un tel support physique permet potentiellement de fournir à l'usager une bande passante considérable. Cependant, l'architecture de tels réseaux soulève un grand nombre de questions. Pour des raisons d'économie, il est nécessaire d'une part de limiter le génie civil (dont le coût est dominant dans le déploiement du réseau), et d'autre part de limiter le nombre d'équipements actifs (qui présentent des coûts d'investissement et de fonctionnement supérieurs aux équipements passifs). Une solution souvent proposée consiste à déployer des arbres de distribution, et de concentrer l'intelligence du réseau d'accès (ses éléments actifs) à la racine de l'arbre : c'est la définition d'un PON (Passive Optical Network). L'absence d'équipements actifs dans les éléments terminaux, et le partage de la capacité de transmission de la fibre entre plusieurs usagers, en particulier dans le sens montant, imposent la mise en \oe uvre de mécanismes contrôlant le multiplexage. Ces mécanismes sont implémentés dans des protocoles d'accès au medium (MAC), qui sont l'objet principal du travail de cette thèse. Le trafic descendant est diffusé vers tous les usagers, chaque extrémité filtrant le trafic qui lui est destiné. L'accès au réseau du trafic montant doit par contre être contrôlé strictement afin d'éviter les collisions. Cette thèse propose des mécanismes pouvant être implémentés dans une MAC pour PON Ethernet (EPON) afin de contrôler le trafic montant. Nous montrons que les mécanismes proposés peuvent d'une part supporter des classes de trafic différentes, d'autre part coupler l'allocation de ressource au contrôle d'accès et enfin utiliser efficacement la capacité du réseau en terme de trafic montant. Les mécanismes et processus proposés dans la thèse sont majoritairement analysés par simulation, la complexité du fonctionnement d'un PON excluant l'usage de modèles analytiques, sauf pour des études simples rapportés au Chapitre 3. Un cadre de simulation complet, décrit dans le Chapitre 4, a été construit à l'aide de Network Simulator. Ce cadre nous a permis de comparer le fonctionnement des mécanismes proposés avec les mécanismes considérés comme faisant partie de l'état de l'art. En particulier, nous montrons dans le Chapitre 5 que nos mécanismes, simples d'implémentation, fonctionnent nettement mieux que les mécanismes classiques en ce qui concerne le support de trafics temps réels, tout en assurant un taux d'occupation quasiment optimal de la capacité montante. Plus généralement, nous positionnons dans le Chapitre 6 les mécanismes proposés dans une problématique générale du plan de commande pour les réseaux d'accès optique passifs. Des conclusions et perspectives sont données au Chapitre 7.

  • Titre traduit

    Traffic engineering in optical access network


  • Résumé

    In recent years, the telecommunications industry observes a tremendous increasing of broadband access penetration level. Indeed, the number of subscribers with access to broadband Internet connections either at home or work is growing steadily. This can be explained both by the emergence of rich content applications and by the drop in access prices due to the broadband technologies' evolution and the fierce competition between access networks operators. The current trend in wired access networks are FTTx optical technologies (Fiber To The Home / Curb / Building / Premises), which present an alternative to xDSL networks (using copper loops deployed primarily for the phone system) and cable networks (using cable infrastructures originally deployed for TV distribution). The optical access networks differ first by the physical medium used to carry information. In the case of optical access networks, it is fiber, which have the largest capacity of all physical media used today. Using such a physical medium would potentially provide more bandwidth to the subscribers. However, optical access network architectures raises many issues. For economic reasons, it is necessary to limit both civil engineering (which cost is dominant), and the number of active equipments (which cost more than passive equipment from CAPEX and OPEX points of views). A popular solution is to deploy a tree architecture, and to focus the intelligence of the access network (active elements) at the root of the tree: this corresponds to a Passive Optical Network (PON). The absence of active equipment in the terminals, and the sharing of transmission capacity of fiber among several users, especially for upstream traffic, require the implementation of mechanisms used for controlling multiplexing. These mechanisms are implemented in MAC protocols, which are the main subject of this thesis. Downstream traffic is broadcasted and each end-point filters its own traffic. On the other hand, upstream traffic has to be controlled in order to avoid collisions. The present thesis presents mechanisms that can be implemented in a MAC for Ethernet PON (EPON) in order to control upstream traffic. We show that the proposed mechanisms can support multiple classes of traffic, can couple resource allocation with access control and can finally efficiently use the upstream capacity of the EPON. The various mechanism proposed in the present work are mostly analyzed by simulation; this is because the overall behavior of a PON is too complex to be analytically analyzed, except for simple studies reported in Chapter 3. A comprehensive simulation framework, based on Network Simulator, has been designed and is presented in Chapter 4. This framework has enabled the comparison between state of the art mechanisms and our proposals. We show in Chapter 5 that our mechanisms are simple to implement and behave significantly better than classical mechanisms regarding real time traffic support, while ensuring a quasi-optimal use of upstream bandwidth. More generally, we show in Chapter 6 how our mechanisms are part of a global command plane for PONs. Conclusions and perspectives are outlined in Chapter7.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XIV-61 p.-mult. pag.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 57-[62]. Résumé en français et en anglais

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  • Cote : 621.382 NGO ele
  • Bibliothèque : Télécom SudParis & Télécom Ecole de Management. Médiathèque.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : THESE-2009-NGO
  • Bibliothèque : Télécom SudParis & Télécom Ecole de Management. Médiathèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : THESE-2009-NGO
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