Les réseaux de télécommunications HFC modernes doivent être capables d'offrir une large gamme d'applications et de services à leurs abonnés. La plupart de ces services nécessitent une communication bidirectionnelle entre la station de tête et l'équipement terminal de l'abonné, et donc un canal de liaison montante ou de retour. À titre d'exemple, la figure 1 illustre l'infrastructure d'un réseau HFC bidirectionnel. Les nœuds optiques convertissent le signal optique en signal électrique pour la liaison descendante et inversement pour la liaison montante, ce qui requiert un émetteur optique. Le canal de retour des réseaux HFC occupe la partie basse du spectre. Cette bande passante est partagée par tous les foyers desservis par un même nœud optique. Les signaux de retour provenant de différents nœuds atteignent la station de tête par des chemins différents ou sont multiplexés à différentes longueurs d'onde. Ainsi, un signal généré par l'équipement terminal d'un abonné parcourt le réseau de distribution coaxial, traversant des amplificateurs bidirectionnels jusqu'au nœud optique. À ce niveau, les signaux de retour de tous les abonnés convergent, sont convertis en signaux optiques par le laser de retour et transmis à la station de tête.
Afin de pouvoir utiliser les mêmes récepteurs que ceux utilisés pour la télévision terrestre, les réseaux câblés utilisent la même bande de fréquences pour la liaison descendante. Les systèmes HFC étendent toutefois cette bande jusqu'à 862 MHz, voire 1 GHz, laissant la partie inférieure du spectre (5-42 MHz aux États-Unis et 5-65 MHz en Europe) comme canal de retour pour les commandes, car cette zone est plus sujette aux interférences. Un grand nombre de chaînes de télévision analogiques peuvent être incluses dans la bande passante utilisable, sachant qu'avec la norme américaine NTSC, une chaîne de télévision occupe une bande passante de 6 MHz, tandis qu'avec les normes européennes PAL ou SECAM, cette bande passante n'est que de 7 ou 8 MHz. Dans le cas des signaux numériques, un canal RF de 6 MHz peut fournir un débit de données de 27 Mbit/s du centre de réseau à l'utilisateur final grâce aux techniques de transmission 64QAM, voire plus (jusqu'à 38 Mbit/s) avec la modulation 256QAM. Dans le sens inverse, de l'utilisateur vers le nœud de tête de réseau, des modulations plus simples comme la QPSK sont utilisées. Celle-ci offre un débit compris entre 256 kbit/s et 5 Mbit/s et ne nécessite pas d'équipement sophistiqué au domicile de l'utilisateur. La DPSK peut également être utilisée ; bien que légèrement plus lente, elle offre une meilleure immunité aux interférences.
Modems câble : normes DOCSIS
L'accès à Internet à des débits toujours plus élevés représente une opportunité commerciale majeure pour les nouveaux réseaux d'accès haut débit. Les réseaux HFC, utilisant des modems spécialement conçus pour les communications numériques sur câbles, peuvent offrir des services d'accès aux données comme Internet à des vitesses bien supérieures à celles de l'ADSL. De fait, les modems câble ont transformé les réseaux CATV/HFC en véritables fournisseurs de services de télécommunications vidéo, voix et données.
Un modem câble typique se caractérise par son fonctionnement asymétrique : il reçoit des données à des débits allant jusqu’à 30 Mbit/s et peut émettre jusqu’à 10 Mbit/s. Il se connecte au réseau HFC via un connecteur coaxial de type F et à l’ordinateur de l’abonné via une carte Ethernet. La réception des données s’effectue sur un canal de 6 à 8 MHz dans la bande 606-862 MHz, généralement avec une modulation numérique 64QAM. Le modem câble démodule le signal reçu et encapsule le flux binaire dans des paquets Ethernet. L’abonné perçoit ainsi le réseau HFC comme un seul et vaste réseau local (LAN). En amont, le modem câble décompose les paquets Ethernet reçus de l’ordinateur et les convertit en cellules ATM ou en trames propriétaires. Ensuite, sur un canal de 2 MHz dans le spectre de retour, les données sont transmises à la tête de réseau en utilisant une modulation QPSK. La figure 2 illustre un exemple de modem câble.
Les normes applicables à ces types de modems ont évolué au fil du temps, mais aujourd'hui, la grande majorité repose sur la norme DOCSIS. La spécification DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) est une norme internationale développée par CableLabs avec la contribution de nombreuses entreprises, dont ARRIS, Broadcom, Cisco, Conexant, Correlant, Intel, Motorola, Netgear, Terayon et Texas Instruments. Plus précisément, elle définit les exigences d'interface des modems câble pour une utilisation dans les systèmes de distribution de données par câble, c'est-à-dire les services numériques sur les réseaux CATV/HFC. Ainsi, DOCSIS permet le transfert de données à haut débit via les canaux RF du système CATV, permettant aux opérateurs de CATV de proposer un accès Internet grâce à leur infrastructure HFC existante.
La première spécification DOCSIS (version 1.0) a été publiée en mars 1997, suivie d'une révision (version 1.1) en avril 1999. Cependant, face à la demande croissante de services symétriques en temps réel, tels que la VoIP (voix sur IP), DOCSIS a été révisée une nouvelle fois afin d'améliorer les débits de transmission montante et d'intégrer des fonctionnalités de qualité de service (QoS). Cette révision (DOCSIS 2.0) a été publiée en janvier 2002. L'Union internationale des télécommunications (UIT) a adopté les deux versions comme normes internationales : DOCSIS 1.1 dans sa recommandation UIT-T J.112 et DOCSIS 2.0 dans sa recommandation J.122. Enfin, la spécification DOCSIS 3.0 a été récemment publiée. Elle comprend plusieurs améliorations, notamment une capacité de canal accrue, une sécurité réseau renforcée, l'extension de l'espace d'adressage IPv6 et le déploiement de nouvelles offres de services.
Les plans de fréquences des systèmes de télévision par câble (CATV) étant différents en Europe et aux États-Unis, les normes DOCSIS ont été adaptées à l'Europe. Ces adaptations ont été publiées sous le nom d'EuroDOCSIS. Les principales différences concernent la bande passante des chaînes de télévision : les chaînes câblées européennes sont conformes à la norme PAL avec une bande passante de 8 MHz, tandis qu’en Amérique du Nord, les chaînes NTSC ont une bande passante de 6 MHz. Cette bande passante plus élevée des architectures EuroDOCSIS permet une capacité de données supérieure sur les liaisons descendantes. De même, d’autres variantes de DOCSIS sont également utilisées au Japon.
Dans les articles suivants, nous présenterons plus en détail les spécifications et les exigences de la norme DOCSIS, ainsi que les tests effectués sur les systèmes et réseaux HFC basés sur cette norme.
Instrumentation de test
Parmi les mesures les plus typiques à mettre en œuvre dans ces réseaux figurent : la détection des pertes de signal, le balayage du système, la surveillance des canaux vidéo analogiques et numériques, les tests de service DOCSIS, la VoIP, la maintenance des voies aller et retour, etc.À titre d'exemple, certains équipements disponibles sur le marché sont décrits ci-dessous. JDSU propose une gamme spécifique d'instruments pour le test des réseaux HFC. La figure 3 présente le DSAM-6000, un multimètre à balayage permettant de mesurer la qualité des canaux vidéo analogiques et numériques, ainsi que des porteuses DOCSIS et VoIP (PacketCable). Il couvre une plage de fréquences de 4 à 1000 MHz et analyse les canaux descendants et montants. Ses fonctionnalités incluent : la mesure du niveau du signal (rapport signal/bruit, inclinaison), la surveillance de la bande passante complète (jusqu'à 999 canaux), les diagrammes de constellation pour les modulations numériques, le taux d'erreur binaire (TEB), le taux d'erreur de modulation (TEM), le nombre de secondes avec erreurs (ES), le nombre de secondes avec de nombreuses erreurs (SES), etc. PROMAX est également une entreprise reconnue pour sa gamme de produits de test des réseaux de télécommunications. Concernant la télévision par câble, elle offre une gamme complète d'équipements pour la surveillance des canaux câblés et de la modulation numérique. Parmi ceux-ci, le PROMAX-26 (figure 4) se distingue. Cet analyseur de systèmes de transmission DOCSIS et EuroDOCSIS est conçu pour l'installation et la maintenance de services interactifs haut débit (vidéo, voix et données) sur les réseaux câblés. Il intègre une fonction d'acquisition (enregistrement) permettant l'enregistrement et le stockage des mesures pour une consultation ultérieure, leur transfert vers un PC ou leur impression. Il permet également le contrôle de paramètres de qualité similaires à ceux mentionnés précédemment. Enfin, Sunrise Telecom, fournisseur de solutions de test pour réseaux câblés haut débit, propose une gamme complète de solutions de test, incluant les technologies VoIP et DOCSIS. La figure 4 présente un exemple de cet équipement.
La distribution des services « triple play » (voix, vidéo et données) sur les réseaux HFC exige la sélection et l'utilisation d'applications et d'équipements de test appropriés. De nombreuses solutions de test sont disponibles sur le marché, couvrant l'ensemble du réseau, de la tête de réseau aux nœuds distants, voire aux équipements clients. Concernant la fibre optique, des équipements tels que les réflectomètres optiques (OTDR) et les analyseurs de spectre optique ont déjà été présentés dans des articles précédents. Cependant, les réseaux CATV/HFC nécessitent des équipements supplémentaires pour le dépannage lors de l'activation, la certification, les tests de service, la maintenance et la surveillance du réseau.
