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OFFICE PARLEMENTAIRE D'ÉVALUATION

DES CHOIX SCIENTIFIQUES ET TECHNOLOGIQUES

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RAPPORT

sur les réseaux grands débits et l'entrée dans la société de l'information,

par m. Pierre LAFFITTE,

Sénateur,

tome II

annexes techniques

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Déposé sur le Bureau de l'Assemblée nationale Déposé sur le Bureau du Sénat

par M. Robert GALLEY par M. Henri REVOL

Président de l'Office, Vice-Président de l'Office,

CHAPITRE I

GÉNÉRALITÉS

I. COMMUNICATION ET CODE

Tout contact interpersonnel repose sur un système de code. Les mimiques et expressions et le langage primitif articulé permettaient déjà une communication plus élaborée pour l'espèce humaine que pour les primates. L'invention de signes écrits, pictogrammes, idéogrammes et alphabets constituait un progrès sensible permettant le stockage et la transmission à distance.

Bien entendu, ces télécommunications primitives enrichies grâce aux techniques de l'imprimerie se sont accélérées avec l'utilisation de codes nouveaux. Le télégraphe de Chappe, les signaux optiques dans la Marine, l'invention par Morse en 1836 du télégraphe et de l'alphabet morse ont ouvert la voie des télécommunications modernes. L'utilisation systématique des applications de l'électricité et de l'électromagnétisme ont développé l'usage des télégrammes, du téléphone, du bélinogramme par voie de fils qui ont sillonné les pays industrialisés. La radiodiffusion et la télévision par voie hertzienne et depuis peu par voie satellitaire ont généralisé un système d'information et de communication au fil du siècle qui se termine.

Les techniques utilisées étaient variées mais utilisaient pour l'essentiel des systèmes d'ondes électromagnétiques ou électriques. Ce qui est nouveau, c'est désormais la simplification et l'unification possible des transmissions par l'utilisation d'un code simplifié binaire.

A. Quoi de neuf ?

a) Le numérique supplante l'analogique

Le code binaire est déjà présent dans l'alphabet morse (une brève ou une longue, c'est déjà le 0-1 de l'informatique. C'est l'unité élémentaire d'information, le bit ( Binary digital unit )). Pour comprendre l'importance de ce code simple, il faut se rappeler les caractéristiques des fonctions exponentielles en mathématique.

La numérisation utilise des chaînes de codes élémentaires qu'on peut schématiser sous forme de succession de 0 et de 1 (par exemple : 01001110 ). Il y a ainsi 256 possibilités de combinaisons pour huit 0 ou 1 successifs.

Si vous multipliez un nombre par lui-même plusieurs fois par exemple 2 multiplié huit fois par lui-même, c'est ce que les mathématiciens appellent 2 à la puissance 8 (28), c'est-à-dire 256.

L'informatique, qui est basée sur le codage binaire, permet de stocker et manipuler des milliards de ces informations élémentaires en des temps infimes.

L'industrie informatique depuis plus de quinze ans multiplie par deux les capacités de traitement des matériels et des programmes qu'elle fabrique tous les dix-huit mois à prix constant. C'est ce que l'on appelle parfois la loi de Moore. Rien ne permet de penser que l'on approche d'une saturation et il est probable que les quinze ans à venir verront encore une multiplication par 2 à la puissance 10 (210), c'est-à-dire multiplier par 1024 les capacités à prix constant (ou diviser par 10 le prix et multiplier par 100 les capacités).

Il faut bien se rendre compte de ce que ceci représente. Aujourd'hui, un micro-ordinateur coûtant 10.000 francs, c'est-à-dire accessible à la majorité des PMI, des commerçants, des professions libérales et d'une partie du grand public, est aussi puissant que ce qui coûtait 1 million de francs et nécessitait une salle climatisée il y a quinze ans. Bien entendu, ceci était réservé à des entreprises de taille confortable.

Dans le même temps, les systèmes de télécommunications s'adaptent. Les matériels de commutation numérisés permettent de gérer des réseaux à grand débit (on parle de Mégabit, soit 1 million de bits par seconde, et de gigabits, soit 1 milliard de bits par seconde). Les fibres optiques, les réseaux de satellites, tout est en place pour gérer les grands débits.

Dans quinze ans, avec des micros cent fois plus puissants coûtant mille francs, raccordés à des réseaux mondiaux grands débits, c'est une certitude.

Le tout numérique est en marche. Comment transformer un texte, une image, des sons en successions de codes binaires.

•  Pour un texte, il suffit d'afficher l'une des 256 combinaisons qui sont liées à une série de 8 bits (un octet) à une lettre minuscule, majuscule, accentuée ou à un chiffre ou un symbole mathématique. Si l'on considère que ceci ne suffit pas, car l'on veut ajouter des lettres grecques, cyrilliques, arabes, chinois, etc..., il suffit de prendre deux octets. Ceci donne 256 x 256 combinaisons, c'est-à-dire plus de 66.000.

•  Pour les images et les images animées, on introduit un codage qui utilise la décomposition d'une image en carreaux élémentaires, les pixels.

Il convient de noter que la photographie correspond (par le noircissement des grains de la pellicule photographique) à une démarche physique analogue. La finesse de définition d'une pellicule photographique est liée à la taille des particules élémentaires qui noircissent sous l'action des photons. Pour la numérisation, une image peut être découpée en bandes horizontales et en bandes verticales. Souvent, pour la commodité, on prend un nombre correspondant à une puissance de 2 par exemple 512 lignes (c'est-à-dire 2 à la puissance 9). Une image carrée pourra ainsi être découpée en 512 lignes et 512 colonnes. Chaque petit carreau pour une image de 50 cm aura alors près de 1 mm de côté. Il sera repéré par 9 + 9 = 18 bits et on peut lui affecter une nuance de gris ou une couleur. Dans les prospectus pour micro-informatique, on parle parfois de 256 nuances de gris ou de 1 million de couleurs. Ceci correspond à 8 bits pour la nuance de gris (2 à la puissance 8) et 20 bits pour la couleur (2 à la puissance 20).

Transcrire en numérique une image est simple, mais cela nécessite un grand nombre d'informations élémentaires. Dans note exemple, nous avons 512 x 512 pixels chacun repéré par 26 bits (son abscisse, son ordonnée, sa teinte de gris). Des logiciels de compression permettent de diminuer le nombre d'informations élémentaires qui transcrivent les caractéristiques d'une image. Il en va de même pour des images animées. On comprend donc que dès qu'il s'agit de transmettre des images, il faut de grands débits.

Dans les transmissions de données ou d'images, il est possible d'utiliser des logiciels de compaction qui diminuent momentanément la définition des images (ou même supprimer en cas d'images animées, certaines images) si les débits ne sont pas suffisants pour transmettre la totalité des informations désirées. Certes, le résultat sera moins bon, mais néanmoins acceptable. Pour le son, par contre, une insuffisance de débit peut être catastrophique.

•  Un son pur est caractérisé par une fréquence de vibration. La combinaison de fréquences de vibration d'intensité différente et parfois diphasées, produit des sons composites comme les voix, la musique, etc.

Dans le cas des transmissions analogiques du téléphone, le microphone transforme physiquement les diverses fréquences et leurs intensités en phénomènes vibratoires de même fréquence et dans le même rapport d'intensité transmis par voie électrique et éventuellement retransmise par voie électromagnétique. Le récepteur retransforme ces vibrations électriques en vibrations sonores.

Il est possible de coder de façon numérique, pour chacune des vibrations émises, la fréquence, l'intensité, la phase et reconstituer l'ensemble. A l'arrivée, les codes numériques seront décodés et retransmis.

•  La numérisation présente de très grands avantages sur le plan de la qualité de transmission, sur les systèmes de stockage de données notamment.

L'altération de signaux transmis en analogique est irrémédiable. Or, des impondérables existent notamment dans le cas de transmission d'ondes électromagnétiques dans l'atmosphère (les perturbations atmosphériques par exemple).

La souplesse du numérique permet des redondances et donc la détection automatique et la réparation d'erreurs fortuites introduites accidentellement dans une série (un paquet) de données élémentaires. Les techniques de transmission par paquets disposant chacun d'un code repère, permet de faciliter l'optimisation des circuits. La combinaison de transmission sans altération (avec corrections automatiques de celles qui se produisaient) de données images et sons est une percée technique importante. Le cryptage et décryptage -donc la confidentialité- est rendue techniquement plus aisée. Et l'industrie du numérique poursuit sa marche ascendante dans des secteurs les plus variés de l'économie.

b) La commutation

Ce mot n'est pas issu du langage des informaticiens, il vient du milieu "télécommunications". Connecter à la demande par des moyens simples des personnes entre elles est depuis toujours le métier des personnes engagées dans le téléphone. Initialement, on utilise des moyens manuels. Les célèbres demoiselles du téléphone installées dans des centrales d'aiguillage connectaient un interlocuteur repéré par sa fiche, soit avec le numéro qu'il demandait repéré par sa fiche, soit avec un autre central qui pouvait disposer de la fiche du numéro demandé, ou le réaiguiller vers sa destination finale. Le demandeur parisien ou lyonnais se connectait ainsi au 22 à Asnières, passant parfois par des centraux éloignés.

Cette commutation a fortement évolué mais reste le cœur du métier des télécommunicants.

Les centraux de commutation, lorsque tous les signaux transmis étaient analogiques, étaient basés sur des systèmes analogiques et le sont encore totalement ou partiellement dans de nombreux pays. Ils sont peu à peu transformés en appareils de commutation numérique et la France à cet égard a une certaine avance.

Elle avait aussi une certaine avance dans les systèmes et logiciels de transmission numériques par paquets.

c) L'apparition de l'informatique communicante

Les échanges de données informatiques peuvent se passer de commutation en recourant à des réseaux locaux à ressources partagées (à structure en anneau, style Ethernet, ou token ring ou en ligne) ou, pour les grandes distances, à des liaisons spécialisées, le plus souvent louées aux opérateurs publics.

En outre, les informaticiens se sont longtemps distingués des "télécommunicants" par le mode non connecté de leurs liaisons (sur les réseaux téléphoniques, vous décrochez, vous avez la tonalité, la ligne est disponible. Dans les réseaux informatiques, pour qu'une liaison soit établie, un protocole de communication doit d'abord être établi entre deux machines).

Enfin, les informaticiens considéraient souvent que l'intelligence doit résider dans le terminal, contrairement aux télécommunicants pour lesquels l'intelligence doit résider dans les nœuds de leurs réseaux, les centraux. On notera, à cet égard, l'évolution del'informaticien qui, avec les network computeurs et des serveurs puissants, tend à prendre une coloration franchement télécommunicante.

L'accès à la commutation des réseaux informatiques a contribué à les rapprocher quelque peu des réseaux téléphoniques, mais il s'agit de deux modes de commutation initialement différents. Dans les réseaux téléphoniques, la communication suivait toujours le même trajet pendant la durée de la liaison (les mêmes lignes sont utilisées) ; il y avait commutation de circuits. Pour les échanges informatiques, les données numérisées sont regroupées en paquets qui peuvent emprunter des itinéraires différents, au gré des échanges, pour arriver à destination, en fonction de l'encombrement des différentes voies du réseau. Il y a commutation de paquets. Ceux-ci sont remis en bon ordre à l'arrivée.

La technique des réseaux à grands débits avec ATM combine les avantages des deux formules.

Internet, dont on connaît le succès mondial, utilise la commutation par paquets, tout en empruntant, au besoin, les infrastructures du réseau téléphonique commuté. Les modems permettent, en effet, aujourd'hui, de convertir le langage de l'ordinateur en signaux compatibles avec le parcours des réseaux téléphoniques (même dans leurs parties encore analogiques).

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La numérisation de la transmission de toutes les données et l'avènement de réseaux informatiques commutés a donc des conséquences très importantes :

•  permettre à l'image et au son d'être véhiculés sur tous les réseaux téléphoniques et informatiques ;

•  donner la possibilité de rendre ainsi "multimédia" les terminaux qui, à la différence des téléviseurs, ne l'étaient pas encore (ordinateurs, visiophones) en ajoutant de l'image et/ou du son ;

•  stocker sur le même support images, son, texte ;

•  multiplier les capacités de diffusion grâce à la compression de données qui sera évoquée plus loin ;

•  accéder à distance à la demande, en temps réel, à des données multimédia à travers les différents réseaux (grâce à la nouvelle architecture informatique client/serveur).

Cette même période de l'après-guerre a vu aussi apparaître des moyens nouveaux de s'attaquer à l'éternel problème des télécommunications, évoqué plus haut, à savoir la saturation progressive des capacités disponibles.

d) Les ondes millimétriques

En ce qui concerne la transmission par les ondes électromagnétiques ("le hertzien") la solution classique pour acquérir des capacités de diffusion supplémentaires était et demeure la recherche d'autres bandes de fréquences.

Après les grandes ondes, les ondes moyennes, puis les ondes courtes, on en est aujourd'hui à explorer les possibilités d'ondes millimétriques ou micro-ondes auxquelles correspondent les systèmes de diffusion MMDS (en anglais Micro Waves Multipoint Distribution System ), dont il est beaucoup question en ce moment.

e) Le satellite

Par ailleurs, le recours au satellite, comme relais de diffusion ou de communication, permet de pallier la rareté des fréquences disponibles au sol (les interférences sont évitées grâce à des directions de propagation, montantes et descendantes, différentes de celles utilisées à terre). Mais des problèmes d'encombrement d'orbites et de fréquences commencent aussi à se poser dans l'espace.

f) La fibre optique

S'agissant des systèmes filaires de transmission, après le câble coaxial, est apparu en laboratoire, à la fin des années soixante, un nouveau matériau : la fibre de verre ou fibre optique. Si l'idée d'utiliser les ondes optiques dans le domaine des télétransmissions n'est pas nouvelle, les progrès techniques (transmissibilité, pertes d'énergie, ....., etc.) de ce nouveau support place les télécommunications dans une situation inédite. Les capacités de transmission de la fibre optique semblent actuellement suffisantes pour supporter de très grands débits, d'autant plus que leur coût a fortement chuté.

g) La compression de données

Autre rupture complète avec le passé : la "compression de données" permet, pour la première fois, d'agir également sur la demande de capacités de transmission (que l'on arrive à réduire pour un signal donné) au lieu de se contenter de chercher uniquement à augmenter systématiquement l'offre de capacité.

Les progrès réalisés dans ce domaine ont été tels que ce qui paraissait constituer le principal obstacle du numérique (la maîtrise d'un flux considérable de données) en est devenu l'un des principaux atouts. La compression numérique de données permet, par exemple, de multiplier par un facteur de cinq ou six le nombre de chaînes de télévision passant par l'intermédiaire d'un répéteur de satellite.

La compression de données correspond à ce que l'on appelle le "codage source" du signal. Ce codage permet, par l'utilisation d'algorithmes complexes, de réduire à l'origine le débit de données numériques à transmettre en éliminant les redondances, en reconstituant à l'arrivée des éléments manquants, etc... C'est la compression de données qui a permis, comme cela a déjà été mentionné, la numérisation, capitale, de la transmission des images et, notamment, des images animées.

h) Utilisation des fréquences, modulation et multiplexage de fréquences

Les ondes électromagnétiques sont caractérisées soit par la longueur d'onde, soit par la fréquence, nombre d'ondulations par seconde mesurée en hertz ou mégahertz. Une transmission par voie hertzienne utilise une bande de fréquences. Ainsi, l'espace alloué en France à chaque chaîne de télévision terrestre hertzienne est de 8 mégahertz, ce qui était nécessaire pour transmettre par voie analogue les images animées.

Les bandes de fréquences de radiodiffusion sont moins larges. Les fréquences sont une ressource rare et le développement des usages conduit à contrôler leur utilisation et à l'optimiser. Ce sera le rôle de l'agence des fréquences créée par la loi de 1996.

Pour optimiser l'usage des fréquences, on a mis au point des techniques de modulation de fréquences et de multiplexage analogiques. Désormais, peu à peu le numérique substitue des techniques plus performantes de multiplexage temporel (pour lesquelles l'unité de base n'est plus la bande de fréquences mais un intervalle de temps). Le multiplexage temporel a notamment l'avantage de permettre des commutations sans démultiplexage.

Quant à la modulation de fréquence, bien connue des mélomanes, elle sera peu à peu remplacée par la radiodiffusion numérique avec meilleure qualité de son et transport simultané de données ou d'images sur récepteurs radio dotés d'un écran. C'est déjà le cas pour les produits diffusés et expérimentés en Europe par le Club DAB initié par Roland Faure, ancien responsable de Radio France et membre du CSA.

i) L'agence des fréquences

Soulignons ici que l'affectation de bandes de fréquences de 8 mégahertz à des chaînes de télévision hertzienne n'est que provisoire, car l'autorisation donnée est limitée à la diffusion d'un programme. Dès lors qu'avec la même bande on pourrait diffuser jusqu'à dix programmes, il n'est pas pensable de ne pas remettre à la disposition de la nation les neuf dizièmes de ces bandes affectées qui peuvent être utilisées par exemple à d'autres méthodes de communication : téléphonie mobile, système de soins, urgences en matière de sécurité civile, etc. L'agence des fréquences a été créée pour cet objectif et la gestion des fréquences ne saurait rester pour cette raison aux mains d'un organisme qui, tel le CSA, ne s'occupe que d'un mode d'utilisation de l'espace hertzien et dont le rôle essentiel est le contrôle des contenus.

j) Notions de débits

La notion de débit est relative. On parle aujourd'hui de hauts débits à propos de visioconférences ou de transferts de fichiers à 2 Mégabits (2 millions de bits) par seconde, par comparaison au trafic d'une voie téléphonique qui n'est que de 64 Kbit (64 mille bits) par seconde. Une image de qualité SECAM nécessite entre 5 et 6 Mégabit/s. La limite supérieure actuelle avoisine 140 Mbit/s (télévision haute définition, liaisons spécialisées informatiques). Mais, pour demain, il est question de "réseaux gigabits" (milliards de bits), voire terabits (milliers de milliards !).

Quelques exemples de débits numériques

•  S'agissant de la parole, le nombre d'échantillons est de 8000 à 256 niveaux (codage à 8 bits) par seconde.

Le débit est donc de 8000 x 8 = 64 kbit/s.

•  Pour le signal de télévision, 625 lignes, contenant chacune 370 éléments d'image (points dénommés "pixels) avec 24 bits de couleur, sont balayées au rythme de 24 images par seconde ; s'y ajoutent les 64 kbit/s de son.

Le débit de la source est donc de 370 x 625 x 24 x 24 + 64.000 =133.60 kbit/s arrondis à 140 Mbit/s.

Après compression, ces débits peuvent être ramenés à 16 kbit/s (bientôt 8) pour le téléphone et, selon la qualité, de 30 Mbits (liaisons entre stations) à 5 ou 6 Mbit/s (réception SECAM) pour la télévision.