l'ADSL

 

 

 

1°) Introduction

 

Les procédés DSL (Digital Subscriber Line) permettent de faire transiter de l'information sur une ligne téléphonique d'usager (appelée "boucle locale", "paire de cuivre", ou "réseau local"), avec un débit atteingnant ou dépassant le mégabits par seconde (Mbps) -- à condition que la longueur de la ligne ne dépasse pas 6 km. Leur débit constitue un progrès considérable sur celui du RNIS (commercialisé en France sous l'appellation Numéris), lequel plafonne à 128 kilobits par seconde (Kbps).

 

Remarque : Attention ! En téléphonie, le préfixe K (Kilo) signifie 1000, et le préfixe M (Méga) 1 000 000, alors qu'en informatique le préfixe K signifie 1024, et le préfixe M 1 048 576.

 

Sous l'appellation xDSL on regroupe de nombreuses variantes, dont trois seulement émergent sur le marché.

Le débit asymétrique du procédé ADSL le réserve aux applications du type client/serveur : consultation d'Internet par les particuliers et les membres des petites entreprises, accès à distance (télétravail), et vidéo à la demande -- cette dernière application n'ayant pas connu de développement notable jusqu'à présent.

 2°) Principe de fonctionnement

 

La bande passante de la boucle locale est limitée à 4 KHz par des filtres mis en place par les compagnies de téléphone. Cette bande passante suffit pour le transport de la voix ; la fidélité -- qui nécessiterait 10 à 20 KHz -- n'est pas requise : il suffit que les deux interlocuteurs se comprennent, même si les voix de femmes ressemblent à des voix d'hommes, parce que les sons aigus manquent. Mais si on retire le filtre passe-bas, la bande réelle de la boucle locale dépasse le MHz lorsque la paire de cuivre est en bon état, et que sa longueur ne dépasse pas quelques kilomètres. Quand on dispose d'une bande de fréquence large d'un MHz, on peut la diviser en :

1000/4 = 250 canaux (de 4 Hz chacun)

Si un canal permet de faire passer 33,6 Kbps (ce que fournit un modem analogique branché sur une ligne téléphonique traditionnelle), on dispose d'un débit total de :

250 x 33,6 / 1000 = 8,4 Mbps

 

Là réside la base des procédés DSL.

En pratique on estime que l'ADSL est utilisable lorsque la longueur de la boucle locale ne dépasse pas six kilomètres ; cette condition est remplie à plus de de 80 % dans les pays développés. A titre d'exemple, la figure 1 montre ce qui se passe en Angletterre ; les autres pays d'Europe ont une situation similaire. Aux Etats-Unis, où l'habitat est plus dispersé, les boucles locales dont la longueur dépasse six kilomètres représentent environ 13 % du total. Il y a dans le monde 900 millions de ligens téléphoniques, et on estiome que 70 à 80 % d'entre elles peuvent accepter les procédés DSL.

 

Figure 1 - Distribution des longueurs de boucle locale aux Etats-Unis et en Angleterre

 

Dans le cas particulier du procédé ADSL, les fréquences sont utilisées comme le montre la figure ci-dessous. La bande la plus basse (0-4 KHz) est réservée à la téléphonie analogique traditionnelle (le transport de la voix). La bande intermédiaire est réservée au trafic montant de données, la bande la plus élevée (qui est aussi la plus large) au trafic descendant.

 

 

Figure 2 - Utilisation des fréquences dans le procédé ADSL

 

A l'extrémité de la ligne téléphonique qui se trouve chez l'usager, on installe un "splitter" (Figure 3). Ce dispositif est constitué :

  

Figure 3 - Installation de l'ADSL chez l'utilisateur (ancienne version avec splitter)

 

 

Le modem ADSL se présente :

 

Dans une petite entreprise, on peut regrouper les micro-ordinateurs sur un même réseau Ethernet, et raccorder ce dernier au modem ADSL via un concentrateur (certains constructeurs envisagent de regrouper les deux appareils en un seul). On peut ainsi interroger Internet à partir de chacun des postes, en n'utilisant qu'une seule ligne téléphonique -- et une seule adresse IP, si le modem permet d'attribuer l'adresse à la volée.

 

A l'autre extrémité de la ligne, dans le standard de la compagnie de téléphone, on installe également un splitter (Figure 4). Son filtre passe-bas aiguille la voix vers un commutateur de circuits. Son filtre passe-haut est relié à un modem, qui reconstitue les données numériques, et les dirige vers un réseau de transmission de données numériques. L'ensemble de ces dispositifs est appelé DSLAM (DSL Access Multiplexer), parce qu'il regroupe le trafic issu de plusieurs lignes d'usager sur une même ligne à haut débit.

La conception du DSLAM permet :

 

 

Figure 4 - Installation de l'ADSL dans le central de la compagnie de téléphone (ancienne version avec splitter)

  Le procédé ADSL possède les propriétés caractéristiques suivantes :

 

 

3°) La norme G.Lite

 Jusqu'à présent, le procédé ADSL s'est développé fort lentement, et ce pour les raisons suivantes :

 

Les acteurs des télécommunications ont compris que l'ADSL ne pourrait pas se développer si une normalisation du matériel n'intervenait pas rapidement (le procédé ADSL lui-même est normalisé depuis 1993, sous le numéro ANSI 1.413). Pour ce faire, au mois de février 1998, un organisme de concertation, appelé UAWG (Universal ADSL Working Group), a été créé par Compaq, Intel et Microsoft. Il regroupe aujourd'hui plus de 130 entreprises des secteurs de l'informatique, des réseaux et des télécommunications de divers pays (France Télécom en fait partie depuis le mois de mai dernier). Les travaux de cet organisme ont été menés rapidement, mais dans la discrétion : pas question de laisser les disputes relatives à la paternité du procédé ou des brevets se dérouler sur la place publique, comme ce fut le cas de manière outrancière pour le modem 56 K. Les plus optimistes pensent que la version définitive de la norme sera adoptée au mois de juin 1999, mais l'industrie n'attendra pas cette date pour se mettre à l'uvre, et l'on trouvera probablement les nouveaux modems dans le commerce d'ici quelques mois.

 

La norme G.Lite, qui définit la version "légère" de l'ADSL (encore appelée "Universal ADSL", "splitterless ADSL", ou "lite ADSL"), règle les principaux problèmes :

 

Discussion

 

Les débits

.

Le débit d'une ligne ADSL est fonction :

 

La figure 5 illustre cette situation dans le cas du débit descendant. La longueur de la boucle locale, qui figure en abcisses, a été limitée à 6 Km, ce qui correspond à près de 80% des lignes d'usager dans le monde. La droite horizontale bleue représente la limitation du débit par le modem (7 Mbps dans cet exemple). La courbe rouge représente la limitation du débit résultant de l'atténuation du signal par la ligne (loi en inverse du carré de la distance) ; si la qualité de la ligne se dégrade, la courbe rouge se décale vers le bas. La courbe verte représente le débit mesuré expérimentalement. La zone des débits admissibles est représentée en jaune : comme on peut le voir, le débit descendant prévu par la nouvelle norme (1,5 Mbps) s'y inscrit facilement. Les auteurs de la norme ont donc choisi, avec prudence, une valeur de débit descendant qui permet de faire face à toutes les situations, sans pousser la technique dans ses derniers retranchements.

 

 


Figure 5 : Variation du débit descendant avec la longueur de la boucle locale

 

Le débit maximum d'Internet peut dépasser le Mbps si des conditions très particulières sont remplies : heure creuse, serveur web bien dimensionné et relié au backbone le plus proche par une ligne à fort débit, client disposant d'une excellente liaison. Le débit le plus élevé que nous ayons observé valait 600 Kbps ; en heures creuses (six heures du matin), nous obtenons couramment plusieurs centaines de Kbps pour des liaisons avec les Etats-Unis. Il ne faut pas s'attendre à bénéficier de débits plus élevés sous peu : tous les efforts des fournisseurs d'accès tendent à ajuster la capacité des réseaux à l'augmentation rapide du nombre des internautes, et cette situation durera encore plusieurs années. Enfin, le débit observé par l'utilisateur pendant les heures pleines peut descendre à quelques Kbps seulement -- parfois même moins ! -- par suite de l'encombrement du réseau.

 

Le débit prévu pour l'ADSL dans le sens descendant (1,5 Mbps) est donc largement dimensionné, ce qui présente les avantages suivants.

 

Le débit prévu dans le sens montant (384 Kbps) est plus que suffisant pour l'interrogation d'Internet (l'internaute envoie essentiellement de courtes requêtes vers le serveur), et le courrier électronique (les gros attachements sont rares, et souvent prohibés par les webmestres). Cette valeur notable du débit montant sera en outre appréciée :

 

 

Un procédé splitterless

 

L'intégration du splitter au modem est un facteur de réduction des coûts, car la transformation d'une ligne ordinaire en ligne ADSL ne nécessite plus l'intervention d'un agent de la telco au domicile de l'abonné. La nouvelle norme rend l'ADSL "splitterless", au grand soulagement de ses partisans, qui avait fait du splitter leur bête noire. Un journaliste a prétendu, sans rire, qu'il avait fallu six visites d'un technicien pour installer et configurer un splitter à son domicile...

 

Une implantation facile

 

L'utilisation d'un modem Plug and Play s'impose : aujourd'hui, les utilisateurs de micro-ordinateurs (et plus spécialement les particuliers) n'admettent plus que les périphériques soient difficiles à configurer. "Plug and Play" signifie que le modem doit être automatiquement reconnu et configuré par le système d'exploitation. Le fait que ce dernier soit "ADSL-ready" facilite l'écriture des programmes pilotes par les fabricants de modems (ex : Windows 98), et leur installation par l'utilisateur. On notera que l'utilisation du connecteur USB (pour relier le modem à l'ordinateur) va de pair avec le caractère Plug and Play.

 

La fin d'une vieille querelle

 

En choisissant le procédé de modulation DMT, la norme règle une longue et vieille querelle qui freinait le développement des procédés DSL depuis des années. Dans le procédé DMT, les fréquences utilisées pour les trafics montant et descendant sont divisées en bandes de 4 KHz, chacune étant utilisée au mieux compte tenu de son rapport signal/bruit. La norme favorise donc la technique la plus performante, et assure l'interopérabilité au moindre coût.

 

 

 

 4°) ANNEXES

 

4-1 Une architecture ADSL

Pour complèter un circuit ADSL, il est nécessaire de disposer d'un ADSL Network Termination (ANT) du côté utilisateur et un Access Adapter (AA) au terminal téléphonique. L'ANT est composé du modem ADSL proprement dit, et d'un coupleurs POTS (pots splitter). L'AA est composé d'un rack contenant un ensemble de modems ADSL, chacun étant lui-même raccordé à un coupleurs POTS. L'AA est également composé d'un Network Interface (NI) qui permet d'assurer la connexion avec n'importe quel type de réseau (ATM...).

L'ANT fait interface avec le terminal de l'abonné (PC, TV) et assure une connexion transparente de la ligne de l'abonné au réseau PSTN. Au coeur des deux AA et ANT, se trouve un modem ADSL qui module et demodule les données numériques en utilisant des algorithmes complexes, de sorte qu'elles puissent être transmises sur la paire torsadées. Les coupleurs POTS sont utilisés pour combiner les services téléphoniques analogiques et les services ADSL numériques, permettant ainsi aux services téléphoniques traditionnels de coexister avec les nouveaux services rapides sur la même paires torsadés. D'une manière général, le couple modem ADSL et coupleurs POTS sont regroupés au sein d'un même boîtier "le modem ADSL".


       

4-2 Les primitives de service

Nous allons décrire dans ce qui suit les primitives de service utilisées par les modems ADSL. Etant donné que nous nous trouvons au niveau physique (NIV1 du modèle OSI), il en existe un nombre limité:

Primitives

Paramètres

Req.

Ind

Resp

Conf

Connect

Numéro de telephone de l’appelé

X

X

X

X

Disconnect

 

X

X

 

 

Data

Données à transmettre

X

X

 

 

La primitive CONNECT va permettre au modem appelant d'établir la liaison avec le destinataire. Dans le cas de modems ADSL, une phase d'initialisation du circuit est nécessaire. Cette phase se compose de trois opérations :

Activation de la ligne et réception de la confirmation du récepteur.

Vérification du matériel émetteur/récepteur.

Analyse du canal. En fait ADSL utilise des techniques de modulation particulière (DMT : Discrete Multi-Tone ou encore CAP : Carrierless Amplitude Phase). Ces techniques permettent d'utiliser la partie de la bande passante la moins soumise aux perturbations (bruit...). Pour ce faire, une phase préalable au transfert est l'analyse des conditions de la ligne.

La primitive CONNECT.req est utilisée par une entité de niveau deux (liaison de données) qui demande d'établir une connexion. CONNECT.ind indique à l'entité destinatrice qu'on veut établir une liaison avec celle-ci. Cette entité de niveau deux va renvoyer un CONNECT.resp pour indiquer qu'elle est d'accord d'établir une liaison avec une entité paire. La dernière primitive, le CONNECT.conf, est employée pour indiquer à l'entité de niveau deux réceptrice que la liaison a bien été ouverte. Certains problèmes peuvent survenir, par exemple la ligne est coupée, ou le modem récepteur est en panne ou hors tension...Dans ce cas, il n'y aura jamais de CONNECT.resp, et l'entité initiatrice cessera d'émettre.

L'entité émettrice peut cesser la communication, dans ce cas un DISCONNECT.req va être utilisé par l'entité de niveau deux émetrice, l'entité de niveau deux réceptrice étant avertie par un DICONNECT.ind.

L'entité réceptrice peut également cesser la communication.

La primitive DATA va permettre à l'entité de niveau deux émettrice d'envoyer ses données vers l'entité réceptrice, une fois la communication établie.

La primitive DATA peut également être utilisée par l'entité réceptrice pour envoyer des informations de contrôle vers son émetteur.

 

4-3 Le Format des Trames ADSL

Le format des trames ADSL utilise une "super-trame", composée de 69 trames. En voici le format :

Frame0 – CRC0-7

Bits de correction d’erreurs

Frame1 – Indicators bits 0-7

Bits pour les functions OAM ( Operation And Maintenance ).

Frame2 à frame33

Trames normales

Frame34

 

Frame35

 

Frame36 à frame67

 

Frame68

 

Format d’une trame

Fast Byte

Bits de synchronisation

Fast Data

Données utilisateur

FEC (forward error control)

Bits de correction d’erreurs

Interleaved data

Données utilisateur

      On peut remarquer en regardant ces formats de trames, qu'il existe un système de correction d'erreurs, prévu au sein même d'ADSL. On pourrait donc placer ADSL entre le niveau physique et le niveau liaison. En effet, la correction d'erreurs est normalement dédiée au niveau supérieur. Les données "upstream" et "downstream" sont placées respectivement dans les "intreleaved buffer" et "fast data buffer". Les trames OAM sont des trames véhiculant des informations propres à la gestion du réseau (gestion de flux...). Les "indicators bits", quant à eux permettent de véhiculer des informations telles que les adresses des destinataires...

Cette page ne donne qu'une idée incomplète du format des trames; les informations en notre possession restant limitées.   

4-4 Les principes de ADSL

Les communications téléphoniques nécessitent une largeur de bande de 4 Khz, or les câbles reliant les centraux téléphoniques aux utilisateurs possèdent tous une bande passante d'environ 1 Mhz. On constate donc qu'il reste une bande passante de 966 Khz qui est inutilisée. Les modems ADSL ont été conçus pour utiliser l'entièreté de la bande passante disponible sur les câbles tout en permettant l'utilisation normale du téléphone.

Avec cette technique, la bande passante est divisée en trois parties : un canal à haute vitesse, un canal à moyenne vitesse et un canal conventionnel pour le téléphone. Ce dernier sera toujours opérationnel en cas de panne du modem. Cette approche "multi-canaux" permet en outre aux utilisateurs d'accéder au WWW ou tout autre serveur tout en téléphonant ou envoyant un fax par exemple.

Fig. 1 : répartition de la bande passante.

Avant d'expliquer CAP et DMT, il nous semble utile de faire un bref rappel sur les deux techniques de base de codage en ligne, sur la "Modulation d'Amplitude", sur la "Modulation de Phase", et sur FDM.

 

Codage de ligne.

Le codage de ligne est en fait l'opération qui consiste à coder les "zéros" et les "un" sur une ligne téléphonique. Il existe deux techniques de codage de ligne : le NRZ (non-return-to-zero) et le Manchester (utilisé principalement pour Ethernet).

NRZ génère deux valeurs discrètes basées sur le voltage de la ligne pour transmettre chaque bit. Avec cette technique, deux valeurs possibles sont disponibles pour transmettre un bit d'information (une valeur pour transmettre un "1" et une autre pour transmettre un" 0") pour chaque signal émit. Il utilise un voltage négatif pour un bit à "1" et un voltage positif pour un bit à "0". Pour cette raison, NRZ est considéré comme une forme de simple de modulation d'amplitude.

Manchester est une technique très fréquemment utilisée. Pour cette dernière; un bit d'information à "1" est transformé en un signal électrique subissant en son milieu un transition de 1 vers 0 tandis qu'un bit à "0" est transformé en un signal électrique subissant une transition de 0 vers 1. Avec cette technique, il existe au moins une transition par bit qui permet une meilleure synchronisation du récepteur sur l'émetteur. Il en résulte un certain gaspillage de la bande passante et donc une perte de capacité utile.

Malgré que ces techniques de codage sont relativement inefficaces dans l'utilisation de la bande passante, elles ont connu un succès important pour deux raisons :

Les câbles LAN (câbles coaxiaux 10Base2 ou 10Base5...) qui couvrent de relatives courtes distances ont une largeur de bande importante qui permet un certain gaspillage;

Ces techniques de codage binaire sont simples et bon marché à implémenter.

Afin de prendre au maximum avantage de la largeur de bande, d'autres techniques de codage ont été développées pour générer plus de deux valeurs possibles distinctes par signal. Ce qui a permis d'encoder plus d'un bit par impulsion.

Les deux techniques sont la modulation d'amplitude et la modulation de phase.

 

Modulation d'amplitude.

NRZ utilise deux niveaux d'amplitude pour encoder les bits d'information. En augmentant le nombre possible de niveaux d'amplitude, il est possible de transmettre plus de deux bits par impulsion.

Par exemple, si la technique de codage de ligne utilise quatre niveaux d'amplitude (un voltage positif "important", un voltage positif "moyen", un voltage négatif "important" et un voltage négatif "moyen"), il est possible de transmettre par impulsion deux bits. Chaque voltage correspondra respectivement au couple de bits 00, 11, 01, 10.

En augmentant encore le nombre de niveaux d'amplitude, on peut encore augmenter le nombre de bits d'information émis à chaque impulsion. Si on utilise 8 niveaux d'amplitude (4 positifs et 4 négatifs), chaque impulsion pourra transmettre un groupe de trois bits.

On peut encore continuer le raisonnement pour arriver au cas plus général: m bits d'information peuvent être transmis en une impulsion s'il est possible de générer 2m niveaux d'amplitude.

 

Modulation de phase.

Pour la modulation de phase, la distinction entre "0" et "1" est effectuée par un signal qui commence à des emplacements différents de la sinusoïde (phase).

Fig. 2 : Modulation de phase en quatre moments

Sur la figure n°2, on peut remarquer quatre endroits différents où la sinusoïde peut débuter, ce qui permet de coder quatre informations différentes (00, 01, 10, 11).

Pour coder un couple de bits "00" la phase doit débuter à 0°. Si la séquence de bits à envoyer change, on doit opérer un décalage de phase. Dans le cas ou la séquence de bits devient 01, la sinusoïde doit être décalée de 90° etc.

En général, lorsqu'on peut coder n bits par instant de modulation on parle d'un codage à n dimensions.

Fig. 3 : Codage de ligne à une ou deux dimensions

FDM (Frequency Division Multiplexing).

La largeur de la bande passante disponible est divisée en sous-canaux et chaque sous-canal peut être utilisé pour transmettre des informations de manière indépendante.

 

La technologie CAP

CAP utilise aussi bien la modulation de phase que la modulation d'amplitude.

L'ensemble des combinaisons de bits qu'on peut envoyer à un instant de modulation donné se nomme une constellation. Chaque combinaison possible de bits est représentée par un point de cette constellation (voir Fig. 4). Ces combinaisons de bits sont obtenues par une combinaison de plusieurs valeurs d'amplitude possibles ainsi que par des décalages de phase. La figure 4 donne un exemple de constellation pour un 2-CAP (un décalage de phase de 180° et un niveau d'amplitude) et un 64-CAP (décalages de phase de 90° et quatre niveaux d'amplitude).

Fig. 4 Constellation pour un codage de ligne à 2-CAP et 64-CAP.

Les émetteurs-récepteurs CAP peuvent utiliser des constellations multiples qui créent 2n valeurs. Cependant en réaction aux différentes conditions de la ligne (bruit, défauts...), les algorithmes CAP peuvent étendre et contracter ces constellations (c-à-d N-CAP = 512-CAP, 64-CAP, 4-CAP, etc..). Cette capacité à changer la taille des constellations est une des deux façons utilisées par CAP pour s'adapter aux caractéristiques de la ligne. L'autre méthode est simplement de réduire la bande passante utilisée.

Contrairement à DMT, CAP ne subdivise pas la bande passante disponible au dessus des 4KHz en canaux étroits. CAP peut augmenter ou diminuer la largeur de bande qu'il utilise par incrément de 1Hz.

 

Dans les systèmes CAP, seulement deux canaux sont requis en plus de celui utilisé par le téléphone: "upstream" et "downstream". Ces canaux sont séparés par une technique "Frequency division multiplexing-FDM". Fig. 5

 

Fig. 5 Les canaux "Upstreams" et "Dowsnstream".

 

La technologie DMT

Le principe de DMT est de séparer la bande passante en 256 sous-bandes distinctes et de placer le signal digital sur des porteuses analogiques. DMT utilise le spectre entre 26 Khz et 1.1 Mhz pour les données. Pour inclure le service POTS (Plain Old Telephone Service), DMT utilise le spectre de 0 à 4 Khz. Le spectre au-dessus de 26 Khz est divisé en 256 canaux. DMT va en outre permettre d'adapter dynamiquement la capacité de chaque canal en fonction des caractéristiques de la ligne à ce moment. La bande passante restante sera utilisée pour la transmission des informations de contrôle propres à ADSL.

 

Fig.6 Utilisation de la bande passante par DMT.

La division de la bande passante disponible en un ensemble de sous-canaux indépendants, est la clé des performances obtenues par DMT. En mesurant la qualité de chaque sous-canal et en allouant un nombre de bits par canal basé sur la qualité de ce canal, DMT optimise le signal transmis sur chaque ligne. Ainsi, DMT évite d'utiliser des zones de la bande passante où l'atténuation du signal est trop importante.

Quand un système DMT est en opération, la qualité de chaque sous-canal est constamment surveillée, et des ajustements sont réalisés sur la distribution des bits pour maintenir les performances désirées. Donc si la qualité d'un sous-canal se dégrade au point que les performances du système soient compromises, un ou plusieurs bits de ce sous-canal sont déplacés vers un canal qui peut transporter des bits supplémentaires.

 

La bande passante est divisée en un grand nombre de canaux indépendants (Fig. 6), chacun pouvant supporter un nombre de bits proportionnel à son rapport signal/bruit (Fig. 7). L'adaptation de la charge est réalisée en augmentant ou diminuant simplement le nombre de bits supporté par chaque canal (Fig. 7 - 3ème graphique). Par exemple, en ADSL, la bande passante réservée aux transfert d'éléments autres que la voix et les informations de contrôle est divisée en 256 canaux indépendants. Chaque canal possède une bande passante de 4 Khz. Donc théoriquement, le débit maximum d'informations "downstream", c'est à dire du serveur vers le client, est de 256 canaux * 15 bits/canal * 4 Khz = 15 Mbps.

Fig7. Adaptation du taux de charge sur les canaux.