Briser le goulot d'étranglement du métro

Dans la soi-disant colonne vertébrale du système de télécommunications, les gros tuyaux qui déversent des données à travers les continents, le nom du jeu est la vitesse brute ( voir Construire une meilleure épine dorsale , ). Mais les données qui transitent par le réseau fédérateur des télécommunications ne peuvent remplir leur mission tant qu'elles ne sont pas acheminées via la boucle métropolitaine, un réseau complexe de câbles et de commutateurs qui fournit ces bits aux entreprises, usines, écoles et foyers. C'est là que le flux d'informations se réduit à un filet relatif, car la boucle du métro est tout aussi enchevêtrée que la circulation aux heures de pointe du centre-ville. Si la révolution du haut débit doit devenir une réalité, le goulot d'étranglement métropolitain doit être brisé.

Mais c'est un défi de taille. Les mises à niveau de la boucle du métro ont été beaucoup plus lentes à venir que les avancées de la dorsale. Les raisons vont des contraintes de coûts plus strictes à la bureaucratie urbaine en passant par la présence d'une infrastructure de télécommunications patchwork datant des années 1970 et 1980. Mais la R&D visant spécifiquement la boucle du métro pousse lentement une variété de solutions hors du laboratoire et dans les rues. Et si nous voulons vraiment du haut débit, ces correctifs fonctionnent mieux.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juin 2001

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Lien faible

Pour saisir l'ampleur du goulot d'étranglement, considérons la place du réseau de métro dans l'écologie des télécoms. Dans la dorsale, les vitesses de transmission sont mesurées en billions de bits par seconde. Du côté de l'utilisateur, les réseaux à haut débit fonctionnent à des milliards de bits par seconde (gigabits). Mais les systèmes de métro qui relient ces deux réseaux à grande vitesse ne fonctionnent qu'à des millions de bits par seconde (mégabits). C'est le goulot d'étranglement, déplore Steve Schilling, président des réseaux d'accès chez Nortel Networks. Et cette constriction de la boucle métropolitaine n'est pas seulement un problème pour les entreprises qui gèrent les réseaux. Les gens ordinaires le ressentent comme des signaux d'occupation de la ligne interurbaine et des navigateurs Web bloqués.

Si vous cherchez un coupable ici, ne pointez pas du doigt les compagnies de téléphone qui gèrent la boucle du métro. Ils planifiaient prudemment (du moins, pensaient-ils) une croissance régulière des communications vocales, ce qui était à l'époque leur pain quotidien. Puis, avec tout le monde, ils ont été pris de court par l'explosion du Net. Il y a deux ou trois ans, nous avons commencé à rencontrer des problèmes de capacité dans les zones urbaines, explique Stuart Elby, qui dirige le développement des réseaux connectés à Internet chez Verizon, la compagnie de téléphone desservant New York et la Nouvelle-Angleterre. Des vitesses de 2,5 gigabits par seconde, suffisantes pour gérer le trafic généré par le Net, ne sont courantes que dans le cœur des grandes villes comme New York ou Boston, où Verizon utilise un câble à fibre optique à 48 brins. Les vitesses de boucle de métro plus typiques vont de 1,5 à 600 mégabits par seconde environ.

Et il n'y a pas de relâchement en vue pour les opérations de métro assiégées. De plus en plus d'applications émergent à mesure que vous disposez de plus de bande passante, explique Claude Romans, analyste au cabinet d'études de marché RHK du sud de San Francisco. Si la télévision numérique démarre un jour, par exemple, elle pourrait engloutir d'énormes morceaux de bande passante ; il faut 1,5 gigabits par seconde pour transmettre un seul canal vidéo haute définition de qualité studio (bien que les consommateurs ne verront qu'une version compressée de 20 mégabits par seconde). Ce genre d'assaut de données mettra la boucle du métro à genoux sans mises à niveau technologiques importantes.

Le ralentissement actuel et futur de la transmission affecte les deux principaux composants de la structure en étoile de la boucle métropolitaine. La portion d'accès du réseau - les rayons - transmet des signaux aux quartiers résidentiels et aux immeubles de bureaux individuels. Ces lignes d'accès se connectent à l'anneau de collecte, qui transporte les signaux dans une zone métropolitaine, reliant les centres de services des compagnies de téléphone et d'autres grands centres de trafic, tels que les fournisseurs de services Internet et les grandes universités.

Les progrès technologiques aident à débloquer à la fois l'anneau de collecte et les lignes d'accès. Les fibres optiques, qui dominent déjà l'anneau de collecte, remplacent de plus en plus le cuivre résiduel dans les lignes d'accès, en pavant les chemins de terre avec un asphalte lisse et moderne. Et les nouvelles technologies de transmission optique injectent davantage de données dans les réseaux déjà en place.

Bits d'emballage et longueurs d'onde

Le levage le plus lourd dans un système de métro est généralement effectué par l'anneau de collecte, qui fait tout le tour de la région, offrant un accès local au fur et à mesure. Pour surmonter le goulot d'étranglement de la bande passante ici, les ingénieurs ont deux choix de base : ils peuvent augmenter le débit binaire sur un seul faisceau de lumière traversant une fibre, ou ils peuvent multiplier la capacité en utilisant plusieurs longueurs d'onde comme supports d'informations. Dans la seconde alternative, connue sous le nom de multiplexage par répartition en longueur d'onde, chaque fibre transporte plusieurs faisceaux lumineux de différentes couleurs, avec un signal numérique différent codé dans chaque faisceau. Plus vous pouvez intégrer de longueurs d'onde, plus vous déplacez d'informations. (Ces couleurs sont en fait différentes nuances d'infrarouge et sont invisibles à l'œil.)

Les deux approches sont maintenant expérimentées par les entreprises qui gèrent la boucle du métro. Divers problèmes techniques rendent difficile l'augmentation du débit binaire. Mais en encourageant les développements récents, deux leaders des réseaux optiques - Ciena et Nortel Networks - ont démontré une transmission à longueur d'onde unique de 40 gigabits par seconde sur des longueurs de fibre typiques d'un réseau métropolitain. C'est un grand pas en avant par rapport aux 2,5 gigabits par seconde auxquels fonctionnent les réseaux de métro les plus rapides d'aujourd'hui. Cependant, retirer cet exploit de recherche du laboratoire et dans les rues nécessitera des progrès dans l'électronique qui manipule les signaux, car les puces standard ne fonctionnent pas encore aussi vite.

S'enfouir

Un voyage autour de l'anneau de collecte du métro montre qu'il est bourré de fibres ; le cuivre a été presque banni. Mais dans les lignes d'accès à la périphérie du réseau - les liens qui relient l'anneau aux maisons et aux entreprises - la fibre coexiste toujours avec son homologue à l'ancienne. La fibre s'enfonce chaque jour davantage dans le réseau d'accès, mais le chemin à parcourir est encore long, déclare Brian McFadden, président des réseaux photoniques chez Nortel Networks.

C'est compréhensible. Même si la fibre est moins chère à exploiter et plus stable que le cuivre, les entreprises établies ne peuvent pas se permettre d'arracher tous leurs câbles installés à la fois. La quantité d'infrastructures est énorme; même changer quelques pour cent par an est un investissement énorme, déclare Elby de Verizon. C'est pourquoi un consortium de fabricants d'équipements de télécommunications et de fournisseurs de services s'efforce de développer des voies évolutives pour rapprocher toujours plus la fibre des maisons et des bureaux qui utilisent le réseau.

La technologie clé de cette évolution, appelée réseau optique passif, étend la portée de la fibre optique plus loin aux marges. Pour que cette technique fonctionne, au moins un service de fibre doit déjà être en place ; mais l'optique passive amène la fibre à des parties du réseau désormais desservies uniquement par le cuivre.

Voici comment fonctionne l'optique passive. Un émetteur d'une installation centrale génère un signal optique à l'un des deux débits de données standard du système téléphonique - 155 ou 622 mégabits par seconde. Ce signal est un composite, qui comprend des informations pour jusqu'à 32 utilisateurs. Un coupleur optique passif - qui ne nécessite aucune alimentation électrique - répartit ensuite ce signal entre des fibres qui se connectent directement aux utilisateurs finaux ou à d'autres points de dérivation. L'équipement à l'extrémité de chacune de ces fibres trie les signaux, ne relayant que ceux destinés à l'utilisateur local. L'émetteur central peut réaffecter la bande passante entre les clients presque instantanément.

Pour une compagnie de téléphone, la mise en réseau optique passive offre un moyen attrayant d'étendre la portée de la fibre optique avec un minimum de tracas. La conception passive réduit les coûts de matériel, d'exploitation et d'installation. De plus, les équipements sensibles nécessaires pour transmettre, recevoir et rediriger les signaux optiques sont conservés en sécurité à l'intérieur des bâtiments aux extrémités du système. Et comme le réseau optique passif ne nécessite aucune alimentation électrique entre ses extrémités, il nécessite généralement moins de maintenance que les réseaux basés sur des composants actifs.

Une technologie de cheval noir qui a récemment rejoint le réseau métropolitain, appelée Gigabit Ethernet, augmente encore plus la vitesse. Ces systèmes utilisent des fibres pour transmettre des informations au format Ethernet couramment utilisé pour les réseaux informatiques de bureau. Leurs débits de données d'un gigabit par seconde laissent les autres technologies de ligne d'accès dans la poussière. Un gigabit équivaut à 1 000 mégabits ; La transmission en gigabits par seconde permettrait, par exemple, de supprimer tout le contenu d'un CD en moins d'une seconde.

Dans un Ethernet Gigabit, un pipeline à fibre unique va à un point de commutation central. Cet agrégateur Ethernet, comme on l'appelle, distribue les signaux jusqu'à 200 fibres. Chaque fibre de sortie, comme la fibre d'entrée, peut transporter jusqu'à un gigabit par seconde pour de courtes rafales, mais la vitesse de sortie totale ne peut pas dépasser l'entrée. Un boîtier agrégateur de la taille d'une cabine téléphonique peut desservir plus de 200 foyers dans un rayon allant jusqu'à 10 kilomètres. C'est bien au-delà de la portée des lignes d'abonnés numériques, ou DSL, le service de la compagnie de téléphone qui fournit des connexions à large bande via un câble en cuivre.

Gigabit Ethernet peut fonctionner comme une solution bon marché pour contourner les compagnies de téléphone pour la fourniture d'un accès à large bande. C'est pourquoi un consortium d'entreprises et d'universités à but non lucratif basé à Ottawa, en Ontario, appelé Canarie, fait la promotion de la technologie pour les connexions à large bande aux écoles à court d'argent. Aux États-Unis, la startup World Wide Packets basée à Veradale, WA, a développé sa propre version de la technologie pour les télécommunications rurales. Il teste sur le terrain un système à Ephrata, WA, pour le district de services publics du comté de Grant.

Régime riche en fibres

Le simple fait de tisser davantage de fibres dans le réseau métropolitain ne résoudra pas tous les problèmes qui surgissent dans les zones urbaines. Les systèmes d'aujourd'hui reposent sur un mélange parfois maladroit de technologie électronique et optique. De minuscules lasers lancent des faisceaux lumineux porteurs de données dans les fibres optiques. À l'autre extrémité, la lumière frappe un capteur photoélectrique, qui convertit les flashs allumés et éteints en un signal électrique que les commutateurs électroniques dirigent vers sa destination appropriée. Une telle commutation électronique fonctionne bien aux vitesses modestes de 2,5 gigabits par seconde qui sont maintenant couramment utilisées dans le métro.

Mais commencez à augmenter le débit de données, et les circuits électroniques ont du mal à suivre le potentiel des réseaux optiques. La solution : des commutateurs tout optiques qui redirigent les signaux lumineux sans les convertir en électrons. Plus le débit binaire est élevé, plus l'avantage du tout optique est grand. En effet, lorsque vous atteignez 40 gigabits par seconde, il n'y a pas d'alternative à la commutation tout optique, déclare Lawrence Gasman, président de Communications Industry Researchers.

Arriver à un métro tout optique ne sera pas simple, car cela nécessitera la construction de nouveaux réseaux. Pour les compagnies de téléphone établies, le fardeau peut ne pas être écrasant, car la plupart des câbles urbains souterrains existants sont enfilés dans des conduits enterrés, et les compagnies de téléphone peuvent souvent retirer les vieux câbles et en tirer de nouveaux, comme elles l'ont fait lorsqu'elles ont remplacé le cuivre par des câbles à fibre optique dans le années 1980. Les nouvelles entreprises, en revanche, doivent construire de nouveaux réseaux complets. L'une de ces entreprises, Metromedia Fiber Network, prévoit de s'étendre au-delà de sa base de New York et d'installer près de six millions de kilomètres de fibre dans 67 villes d'Amérique du Nord et d'Europe d'ici 2004.

Mais qu'ils posent des réseaux entièrement nouveaux ou tentent de modifier les systèmes existants pour améliorer leurs performances, les constructeurs et les exploitants des boucles de métro qui unissent les populations les plus concentrées de logements accomplissent une tâche cruciale. La dorsale et les réseaux d'entreprise qui longent la boucle du métro s'accélèrent chaque année. Si le goulot d'étranglement du métro n'est pas rompu, le haut débit restera à peine plus qu'une idée intelligente que certains techniciens avaient autrefois.

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