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Développer l'Internet 11 novembre 2019

Solutions pour le trafic de retour dans les réseaux communautaires

Que sont les réseaux communautaires ?

Les réseaux communautaires sont des réseaux souvent détenus et gérés collectivement par une communauté à des fins communautaires et sans but lucratif. Ce sont des réseaux développés et exploités par un groupe pour répondre à des besoins de communication, par exemple pour offrir un accès Internet abordable à une communauté. Les collectifs, les communautés autochtones ou les organisations de la société civile à but non lucratif les utilisent pour communiquer et se connecter en vertu des principes de participation démocratique de leurs membres, d’équité, d’égalité des sexes, de diversité.

L’Internet est un réseau mondial. Tous les systèmes interconnectés ont besoin d’une liaison de retour pour fonctionner. La liaison secondaire est l’infrastructure du premier kilomètre et demi, ou celle centrale qui met l’Internet à disposition de la communauté ; les utilisateurs peuvent alors utiliser les technologies du dernier kilomètre et demi pour fournir des services comme l’Internet pour la navigation sur le Web, les communications mobiles et la télévision via la connexion à leur domicile, entreprise et autres institutions.

Le présent document porte principalement sur les réseaux communautaires dans les régions rurales et reculées, en particulier les communautés autochtones d’Amérique du Nord.

L’acheminement du trafic de retour à partir d’un réseau communautaire ou d’un petit fournisseur de services Internet est un élément essentiel de l’exploitation du réseau et de la prestation des services.

Solutions de retour fixe (filaire)

Retour par fibre optique

La fibre optique, en verre ou en plastique, peut être utilisée pour transmettre des données sous forme d’ondes lumineuses sur de longues distances. C’est généralement le support physique le plus utilisé pour l’interconnexion des composants essentiels du réseau, ainsi que pour l’agrégation du trafic de la périphérie du réseau vers le cœur. Avec la baisse constante du prix des câbles à fibres optiques et l’apparition sur le marché de solutions de déploiement plus efficaces, la fibre optique est devenue une option de plus en plus populaire auprès des fournisseurs de services.

La technologie du multiplexage par répartition en longueur d’onde (WDM) combine plusieurs signaux optiques sur la même fibre, en transportant chaque signal sur une longueur d’onde ou une couleur de lumière différente. Le WDM peut être un multiplexeur par répartition en longueur d’onde grossière (CDWM) ou dense (DWDM). Le CWDM fournit 8 canaux utilisant 8 longueurs d’onde, tandis que le DWDM utilise un espacement étroit des canaux pour fournir un débit beaucoup plus élevé par fibre. Les systèmes modernes peuvent traiter jusqu’à 160 signaux, chacun avec une bande passante de 10 Gbps pour une capacité théorique totale de 1,6 Tbps par fibre[1]. Le câble à fibre optique reliant de multiples communautés ainsi que des entreprises, des bibliothèques et d’autres institutions générera des volumes de trafic élevés. Dans ce cas, l’adoption de solutions WDM permettra de maximiser l’utilisation des câbles à fibre optique déployés.

Le coût relatif du déploiement dépend de la quantité de travaux de génie civil nécessaires pour suspendre la fibre à des poteaux, ou pour effectuer des forages directionnels, des tranchées ou des excavations de conduits. Le prix du câble de fibre optique lui-même n’est pas significatif par rapport au coût de la main-d’œuvre et du développement de l’infrastructure. De nombreuses organisations ont demandé la mise en place de politiques “d’excavation unique” qui obligeraient les communautés à déployer la fibre noire ou des canalisations dédiées lors des travaux routiers afin de réduire considérablement le coût de déploiement. Un autre point à considérer est qu’il sera peut-être nécessaire de demander une autorisation d’excavation aux autorités compétentes.

Liaison de retour en cuivre (DSL)

Les lignes en cuivre sont traditionnellement utilisées pour le transit du trafic retour à grande vitesse, d’un abonné au réseau central. Les technologies de ligne d’abonné numérique (DSL) disponibles peuvent augmenter la largeur de la bande passante sur les lignes de cuivre tout en prenant en charge une largeur de bande plus faible pour les longues distances. Les technologies ADSL2+ (ligne d’abonné numérique asynchrone) et VDSL2 (ligne d’abonné numérique à très haut débit) permettent de transporter jusqu’à 100 mégabits par seconde (Mpbs) à des distances allant jusqu’à 400 m, et 40 Mpbs peuvent être pris en charge avec des portées allant jusqu’à 1 km. Dans les communautés urbaines, le DSL peut être utilisé pour regrouper le trafic des nœuds d’utilisateurs finaux (par exemple, les points d’accès WiFi) vers le nœud de réseau central le plus proche (ou le bureau central).

Là où les lignes en cuivre sont déjà déployées, le coût du service est relativement peu élevé. Les limites de distance pour le service à haut débit sont le principal défi. Si ce n’est déjà fait, on peut recourir à des technologies à fibre optique ou sans fil.

En résumé, la liaison de retour câblée est généralement la solution privilégiée dans les cas où le coût de l’excavation de la fibre optique peut être couvert et où les autorisations nécessaires pour les travaux de génie civil sont obtenues.

Solutions de liaison de retour sans fil

Solutions de liaison de retour par satellite

La liaison de retour par satellite est généralement déployée dans les communautés rurales ou reculées où la liaison par fibre optique n’est pas fiable ou disponible. Bien que la liaison de retour par satellite offre une grande couverture adaptée aux régions reculées, elle souffre traditionnellement de retards de communication et d’un débit limité dans les deux sens du trafic (vers et depuis l’utilisateur final).

Les fournisseurs de satellites ont amélioré la bande passante et la latence en mettant en œuvre des technologies telles que différentes solutions de mise en cache, où le contenu est stocké dans des endroits plus proches de l’utilisateur final. Ces approches permettent d’utiliser des solutions satellitaires prenant en charge 150 Mbps en téléchargement vers l’utilisateur et 10 Mbps en téléchargement vers le satellite. La liaison de retour par satellite utilise le spectre sous licence (Tableau 1). Pour plus d’informations sur le spectre, veuillez consulter le rapport de l’Internet Society intitulé “Innovation in Spectrum Management”.[2]

Le temps nécessaire au déploiement d’un service par satellite peut être important, en particulier dans les communautés reculées. De plus, le service et l’entretien de l’équipement local sont difficiles en raison de l’emplacement typiquement reculé de l’équipement. Le coût est relativement élevé par rapport à la liaison par fibre optique et la bande passante disponible par connexion satellite est relativement limitée. Le principal avantage est la portée du service par satellite pour les collectivités reculées.

Liaison de retour par satellite en orbite basse (LEO)

L’avènement des solutions satellitaires en orbite basse a grandement amélioré la latence des communications (c’est-à-dire le délai de bout en bout). En 1997, l’Union internationale des télécommunications (UIT) des Nations Unies a ouvert près de 7 GHz du spectre de la bande Ku (12-18 GHz) à l’échelle mondiale pour connecter le monde par le biais des futurs systèmes de satellites.

Plus récemment, plusieurs initiatives ont commencé à étudier la viabilité de l’utilisation d’un grand nombre de satellites (300 à 500 pour une couverture mondiale) positionnés sur des orbites nettement plus basses (500 à 1 200 km au lieu de 36 000 km) pour fournir des services de communication fiables. Le fait de se trouver sur des orbites plus basses permet de réduire considérablement les délais d’aller-retour.

Les LEO de OneWeb

OneWeb construit une constellation de satellites LEO pour réduire la fracture numérique. La structure de sa constellation comprend au départ 650 satellites répartis sur 12 plans polaires à 1 200 km, et passera à 1 980 satellites au fil du temps pour ajouter de la capacité supplémentaire.[3]

OneWeb a son siège social à Londres, au Royaume-Uni, et possède des bureaux à McLean, en Virginie, à Cocoa Beach, en Floride, en Californie et plus encore. OneWeb possède un centre de contrôle de mission satellite et un centre de contrôle du réseau terrestre à Londres et à McLean, en Virginie, pour piloter et gérer la constellation. OneWeb a également des stations au sol positionnées dans le monde entier pour surveiller et contrôler les satellites. Elles sont situées pour l’instant en Norvège, au Canada et en Italie, et il est prévu d’en installer prochainement dans d’autres pays. Plus de 40 stations au sol seront chargées de connecter l’ensemble de la constellation OneWeb au réseau terrestre, y compris à Internet, une fois qu’elle sera entièrement lancée.

Figure 1. Solution LEO de OneWeb[4]

La solution OneWeb LEO est conçue pour fournir des services à haute vitesse et à faible latence à des vitesses de plus de 400 Mbps, permettant un accès Internet bidirectionnel rapide en temps réel et la diffusion de vidéos en Full HD depuis l’espace.[5]

LEO de Telesat

Telesat fournit une constellation de satellites de pointe en orbite basse (~1 000 km de la terre ; ~35 fois plus près que les satellites traditionnels) qui vise à s’intégrer de façon transparente aux réseaux terrestres. Le réseau mondial offrira un débit de qualité similaire à celui de la fibre optique (liaisons Gbps ; faible latence 2-4 msec) avec une couverture mondiale. Le système permet une allocation dynamique de la capacité en fonction de la demande réelle.[6]

Le réseau mondial de Telesat en orbite basse s’intégrera de façon transparente aux réseaux terrestres à travers le monde grâce à environ 50 stations d’atterrissage réparties dans le monde entier. Avec ~300 satellites évolués en orbite à ~1 000 km de la Terre, le réseau de Telesat en bande Ka en orbite basse fournira des térabits de capacité abordable et de haute performance à n’importe quel endroit sur la Terre où il y a une demande.[7]

Figure 2. Réseau mondial LEO de Telesat

Conçu pour être conforme aux spécifications du Multiservice Ethernet Forum (MEF), le service LEO de Telesat fournira un service de transport Ethernet de couche 2 prêt à l’emploi pour connecter les terminaux des clients en zones reculées (sites mobiles communautaires et d’entreprises reculés, etc.) aux points de présence urbains.[8] Il offrira une solution à haut débit (liens Gbps) et à faible latence (30 à 50 ms) de qualité fibre (Figure 2).

Figure 3. Réseau de fibre virtuelle LEO de Telesat

Une comparaison technique entre les caractéristiques des principaux systèmes de constellation de satellites en orbite terrestre basse, effectuée par des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) en 2018, a permis de conclure que le système de Telesat offre une efficacité supérieure en termes de Gbps moyen par satellite.[9]

En résumé, les LEO fourniront des services de connectivité et de liaison de retour très attrayants aux communautés reculées, en offrant une bande passante plus élevée et un délai plus court que les services satellitaires traditionnels. Les délais de déploiement des LEO seront similaires à ceux du satellite, tandis que le coût du service devrait être inférieur compte tenu du nombre de constellations assurant la couverture.

Liaison hertzienne de retour par hyperfréquence

Les hyperfréquences sont une technologie éprouvée pour le trafic de retour ; elles sont peu coûteuses, peuvent être déployées en quelques jours. Elles proposent en outre une portée de plusieurs kilomètres. Les solutions techniques fournissent des hyperfréquences avec une bande passante à haut débit (des centaines de Mbps).

La ligne de visée (où aucune colline ou montagne n’entrave la propagation directe du signal hyperfréquence entre les antennes d’émission et de réception) a été une exigence pour le déploiement des liaisons hyperfréquences. Le fonctionnement à des fréquences plus élevées (par exemple, la bande E) permet un déploiement sans ligne de visée, sur des distances plus courtes.

Les solutions de liaison hyperfréquence se situent généralement dans les bandes de 7 à 40 GHz (Tableau 1), ainsi que dans les bandes hyperfréquences supérieures, comme la bande V (60 GHz) et la bande E (70/80 GHz) (Tableau 2).

Une considération clé pour la liaison de retour hyperfréquence est que la gamme de fréquences 7 à 40 GHz est une gamme sous licence, nécessitant une approbation réglementaire (licence) pour fonctionner.

En résumé, la liaison de retour hyperfréquence est une solution intéressante si la ligne de visée est disponible et que la licence pour le spectre nécessaire est obtenue.

Autres solutions sans fil

Le WiFi (spectre sans licence à 2,4 GHz ou 5 GHz) ainsi que les espaces blancs TV (fréquences de radiodiffusion inutilisées dans le spectre sans fil) sont d’autres solutions de liaison de retour sans fil de plus en plus adoptées dans les réseaux des communautés rurales.[10]

Conclusions

Le câble à fibre optique est la solution privilégiée pour la liaison de retour lorsque cela est possible. Dans les collectivités rurales ou reculées, le service par satellite peut être la seule solution de liaison de retour disponible. L’avènement des LEO promet d’offrir une meilleure couverture et des capacités de bande passante plus élevées aux communautés rurales et reculées.

Annexe disponible dans la version PDF.

Notes de fin

[1] GSMA, Mobile Backhaul Options, novembre 2018, https://www.gsma.com/spectrum/resources/mobile-backhaul-options/

[2] Internet Society, Innovations in Spectrum Management, https://www.internetsociety.org/wp-content/uploads/2019/03/InnovationsinSpectrumManagement_March2019-EN-1.pdf

[3] MIT, “A Technical Comparison of Three Low Orbit Satellite Constellation Systems to Provide Global Broadband”, Portillo I. et al., International Astronautical Congress 2018, http://www.mit.edu/~portillo/files/Comparison-LEO-IAC-2018-slides.pdf

[4] OneWeb, https://www.oneweb.world/technology#video

[5] OneWeb, https://www.oneweb.world/technology#video

[6] Telesat, https://www.telesat.com/services/leo/why-leo

[7] Telesat, https://www.telesat.com/services/leo/why-leo

[8] Telesat, https://www.telesat.com/services/leo/why-leo

[9] MIT, “A Technical Comparison of Three Low Orbit Satellite Constellation Systems to Provide Global Broadband”, Portillo I. et al., International Astronautical Congress 2018, http://www.mit.edu/~portillo/files/Comparison-LEO-IAC-2018-slides.pdf

[10] Internet Society, Innovations in Spectrum Management, https://www.internetsociety.org/wp-content/uploads/2019/03/InnovationsinSpectrumManagement_March2019-EN-1.pdf

[11] GSMA, Mobile Backhaul Options, novembre 2018, https://www.gsma.com/spectrum/resources/mobile-backhaul-options/

[12] GSMA, Mobile Backhaul Options, novembre 2018, https://www.gsma.com/spectrum/resources/mobile-backhaul-options/

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