ADSL – Accès haute vitesse à Internet par ligne téléphonique ordinaire

Une nouvelle technique permet de se servir d’une ligne bifilaire normale pour transmettre des données à débit élevé : ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) offre aux abonnés des télécoms la possibilité de multiplier le vitesse de leur accès Internet.

Nous décrivons ici la technique ADSL et les offres déjà disponibles.

 

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Presque chaque foyer dispose d’un raccordement téléphonique sous forme de paire torsadée de conducteurs de cuivre. En cherchant à accroître le débit
dont dispose l’abonné sans recourir à de nouvelles liaisons ou aux fibres optiques, on a effectué des essais destinés à étudier l’aptitude de l’infrastructure
existante à fournir des débits élevés.

Les bases des méthodes xDSL actuelles, les Digital Subscriber Lines, datent d’il y a plus de 10 ans. Les méthodes DSL ont toutes recours à la paire de conducteurs de cuivre disponible pour multiplier le débit des données par un spectre de fréquence élargi. ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) est actuellement au point et est offert par les télécoms et les exploitants de réseaux aux États-Unis et en Europe.

Les procédé de modulation de ADSL CAP (Carrierless Amplitude and Phase modulation) et DMT (Discrete MultiTone) ont été discutés et testés.

La norme ADSL T1.413 a été agrée fin 1997 par ANSI (American National Standards Institute) et la modulation DMT, plus efficace que CAP, retenue à
cet effet. Ce procédé de modulation est décrit ci-dessous.

ADSL en bref :

ADSL signifie Asymmetric Digital Subscriber Line. On entend par « Asymmetric » l’asymétrie des taux de transfert : Downstream indique le transfert du
central au client.

ADSL permet de transférer jusqu’à 8 Mbits/s au client dans ce mode. Le transfert du client au central par ADSL ne dépasse pas 1 Mbits/s. On parle de direction Upstream (montant), car les données du client doivent quasiment lutter contre le courant pour parvenir au central. En pratique, on n’atteint toutefois pas tout à fait les taux maxima car les grandeurs parasites de la paire de cuivre peuvent réduire sensiblement le débit.

Le processus de transmission est adaptif, c’est-à-dire qu’il adapte le débit aux conditions du raccordement. ADSL s’adapte même dynamiquement au cours d’une communication lorsque les grandeurs parasites (par exemple la diaphonie causée par une autre ligne téléphonique du faisceau) varient.

Les débits downstream (descendant) et upstream les plus élevés possibles dépendent donc fortement des caractéristiques du raccordement utilisé : la
longueur de la liaison avec le central joue un rôle décisif. La distance entre le centre et l’abonné est en moyenne d’environ 2 km en Allemagne.

Seul un nombre restreint de lignes dépassent 4 km. ADSL permet normalement de transférer de 6 Mbits/s à 8 Mbits/s par des lignes ne dépassant pas 3 km sans perturbations excessives.

La section des conducteurs d’un raccordement d’abonné constitue un autre facteur de qualité. Le torsadage des conducteurs signifie en principe que l’impédance de la ligne est constante, mais cette situation idéale peut être fortement compromise par les épissures, le passage à d’autres types de conducteurs, les boîtiers de connexion et les terminaux raccordés.

Le débit maximum est alors plus ou moins fortement limité par le signal réfléchi aux points de réflexion.

La qualité du câblage chez l’abonné n’est enfin pas le moindre facteur déterminant la vitesse du débit downstream.

L’utilisation des autres conducteurs du faisceau joue aussi un rôle.

S’ils assurent aussi des transmissions ADSL, il faut compter avec la diaphonie entre paires voisines. Une commutation des conducteurs pour améliorer
le découplage des deux itinéraires ADSL améliore parfois la situation, à condition que le trafic ADSL ne soit pas trop élevé.

Les champs d’application de la technique ADSL sont constitués par tous les services multimédias qui sont indubitablement les principaux consommateurs
actuels d’accès rapide à Internet.

Les premiers essais d’ADSL ont toutefois aussi porté sur l’acceptation dans les domaines du téléachat, de l’enseignement à distance, de la vidéo à la
demande, de la musique à la demande et ainsi de suite.

Capture11.b c

Figure 1. Spectre ADSL dans le cas de

a) la téléphonie analogique (fonctionnement FDM)
b) RNIS (fonctionnement FDM)
c) la téléphonie analogique (fonctionnement avec compensation d’écho).

Le spectre ADSL :

Un signal DMT ADSL est composé en majeure partie d’un grand nombre de porteuses modulées indépendamment qui sont transmises par les deux fils de cuivre au-delà de la bande normale de la parole.

La figure 1 représente le spectre de fréquence du signal : la norme ADSL initiale prévoit de laisser libre la gamme de fréquence entre 0 et 26 kHz pour la téléphonie analogique actuelle (POTS = Plain Old Telephone Service). Outre la bande vocale (de 300 Hz à 4,3 kHz), cette gamme contient des signaux tels que les impulsions de taxation (allemandes) de 16 kHz.

Entre 26 kHz et 1,130 MHz se trouvent 256 canaux, occupant chacun 4,3125 kHz de largeur de bande.

Les fréquences centrales des canaux sont aussi distantes de 4,3125 kHz. Chaque porteuse upstream et downstream est modulée QAM (amplitude en quadrature) et contient entre 2 bits/s par Hz et un maximum de 15 bits/s par Hz.

Le débit des informations est adaptif, c’est-à-dire que chaque porteuse se voit attribuer son propre paramétrage QAM (…, 64QAM, 32QAM, 16QAM, 8QAM, QPSK) lors de la phase d’initialisation en fonction du rapport signal/bruit. Plus la distance signal/bruit est élevée et plus l’échelon de paramétrage QAM est élevé, et donc plus les bits/s et les Hz le sont.

Une porteuse individuelle du signal DMT peut dont juste transmettre 64,7 kbits/s, ce qui représente théoriquement une capacité maximale de plus de 16 Mbits/s avec 256 porteuses.

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Figure 2. Distribution des bits selon le rapport signal/bruit.

On voit que même si les conditions de liaison sont optimales, seule la moitié de cette capacité est utilisable.

Comme on l’a déjà fait remarquer, de mauvaises conditions de liaison ou une longueur relativement élevée de celle ci ont pour effet de diminuer l’occupation
des bits d’une porteuse, donc le degré de modulation QAM lors de l’établissement de la liaison pour assurer une transmission fiable avec cette porteuse.

Il peut même arriver que des plages entières de porteuses soient éliminées du signal DMT parce qu’une atténuation trop élevée, des sources de
perturbations locales, etc. rendent les fréquences correspondantes inutilisables.

Il va sans dire qu’on peut alors faire une croix sur les 8 Mbits/s.

Selon la norme, il existe deux façons d’attribuer chaque porteuse downstream et upstream : on peut faire appel au mode de fonctionnement FDM (Frequency Division Multiplexing, figure 1a et figure 1b) qui est relativement peu complexe pour répartir les gammes de fréquence entre downstream et upstream.

Les 26 premières porteuses constituent le canal upstream, tandis que les porteuses 27 à 256 contiennent les données downstream. On peut aussi, selon la norme ADSL, travailler en mode de compensation d’écho.

Dans ce cas, les directions downstream et upstream se partagent une gamme de fréquence commune (porteuses de 1 à 26).

Le termineur permet de séparer les données downstream et upstream selon leur direction (figure 1c). Cela conduit bien entendu à une capacité accrue du flux de données en direction downstream, car les 112 kHz initiaux de la bande ADSL contiennent les porteuses qui peuvent être correctement transmises.

Les fréquences plus élevées sont plus fortement amorties. Pour que ce processus fonctionne correctement, il est indispensable d’utiliser un correcteur
d’écho qui élimine le restant éventuel de l’autre flux de données.

La norme ADSL décrit par ailleurs ce second procédé d’attribution des fréquences sous le nom de Category 2 ADSL.

Les différences de niveau atteignant 50 dB entre les porteuses inférieures et supérieures sont provoquées par les distorsions dues à l’atténuation et doivent
être détectées par les égalisateurs de canaux extrêmement raffinés du modem ADSL.

Les porteuses trop affaiblies ne peuvent transmettre les données. Grâce au codage dynamique des conducteurs (qui dépend du rapport signal/bruit mesuré) et à l’égalisateur de canaux, on parvient toutefois à tirer parti de conditions aussi défavorables pour effectuer la transmission de données.

La figure 2 reproduit schématiquement le comportement du rapport S/N et du débit binaire attribué en fonction du numéro de porteuse (1 à 256).

ADSL et RNIS :

La figure 1b indique les conditions pour les abonnés à raccordement téléphonique numérique RNIS. Le signal RNIS de 2 x 64 kbits/s (128 kbits/s)
s’étend normalement jusqu’à 80 kHz.

En Allemagne, sa bande de fréquence s’étend même jusqu’à 120 kHz. Pour pouvoir aussi offrir ADSL comme extension à vitesse élevée avec des raccordements RNIS, il a fallu trouver une méthode de combiner les signaux ADSL à RNIS.

Il aurait été possible d’utiliser alternativement RNIS et ADSL selon les besoins. Mais cela aurait eu pour conséquence de lier RNIS et ADSL et d’empêcher leur utilisation simultanée.

C’est pourquoi on a décidé de s’écarter de la norme en ne faisant commencer le signal DMT qu’à 140 kHz. Si la distance entre porteuses et la largeur de bande de la modulation restent inchangées (4,3125 kHz chacune), il ne reste que 224 porteuses.

Cette solution a été justifiée et recommandée à posteriori dans l’annexe B de la norme ADSL.

Le problème que cette méthode pose avec RNIS est que les porteuses les plus basses sont réservées, selon la norme ADSL, au test de la liaison lors
de la connexion par des séquences d’apprentissage et à la détermination du débit binaire de chaque porteuse DMT.

Comme elles sont inaccessibles dans le cas de la solution RNIS, force est de recourir à d’autres porteuses du domaine upstream pour l’établissement
de la connexion, en contradiction avec la norme ADSL.

L’annexe B contient la description de ce procédé.

La raison pour laquelle on fait appel aux porteuses les plus basses lors de l’établissement de la connexion est qu’elles sont celles qui, à ce moment-là,
peuvent être transmises le plus loin dans la ligne de l’abonné, de sorte que l’établissement initial de la connexion avec le modem ADSL d’un abonné,
même éloigné (3 à 4 km), reste toujours possible.

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Structures des modem ADSL :

La structure des modems utilisés avec ADSL est représentée de manière schématique et simplifiée dans la figure 3. Le circuit est en principe identique
côté central.

La seule différence réside dans la distribution d’ADSL à plusieurs abonnés (par exemple 4). On parle alors aussi de DSLM (Digital Subscriber Line Multiplexer).

Les données envoyées (données upstream côté abonné, données downstream côté central) sont transmises à un codeur qui attribue les N porteuses
du signal DMT. Cela est effectué sur la base du tableau de chargement des bits (Bit Loading) créé lors de l’établissement de la connexion qui indique le nombre de bits/s que chaque porteuse est en mesure de transmettre.

Le codeur effectue aussi une correction Reed-Solomon FEC (Forward Error Correction).

Les bits sont ensuite traités en parallèle par un C.I. qui effectue une IFFT (transformée de Fourier rapide inverse). On obtient ainsi à partir du spectre numérique de fréquence sur N bits des porteuses individuelles le signal temporel associé sous forme de nombre complexe de 2N bits (partie réelle + partie imaginaire).

Un en-tête de synchronisation est ajouté cycliquement après la conversion parallèle/sérielle. La distorsion des signaux émis et reçus provoquée intentionnellement par le suppresseur d’écho compense les échos de la liaison.

Il se règle automatiquement lors de l’établissement de la connexion par une séquence d’apprentissage. Le signal émis (Tx) peut être finalement être converti D/A et envoyé à la ligne au moyen d’un diplexeur séparant les voies d’émission et de réception.

Le signal reçu (Rx) passe d’un diplexeur à un convertisseur A/D qui envoie lui aussi le signal d’entrée numérisé à un suppresseur d’écho.

Comme pour l’émission, le suppresseur d’écho « répare » les dommages causés par l’écho de la liaison au flux de données reçu. Un égaliseur, toujours
réglé correctement par des séquences d’apprentissage lors de l’établissement de la connexion, puis lors de l’utilisation de celle-ci, élimine la distorsion
de la courbe de réponse.

L’entête du flux de données est ensuite extrait. Une fois la conversion série/parallèle effectuée, un segment exactement défini du signal temporel
numérisé est envoyé au composant FFT (Fast Fourier Transform) sous forme de mot de 2N bits.

La transformée de Fourier rapide permet de revenir des 2N bits du domaine temporel au domaine de fréquence, ce qui fournit les états de phase de la porteuse modulée QAM sous la forme de N bits en parallèle.

Le décodeur doit enfin replacer les bits de chaque porteuse DMT dans le bon ordre sur la base d’un tableau de chargement des bits chargé à cet effet. Il inverse toutefois en premier lieu le codage Reed-Solomon, dont la puissance permet de corriger de nombreux bits erronés.

Un grand nombre de fabricants de semi-conducteurs sont actuellement en mesure d’offrir des jeux de puces et autres composants spécialement destinés
aux modems ADSL. Citons Motorola (jeu de puces Copper Gold), STMicroelectronics, Alcatel (jeu de puces DynaMite), Broadcom, GlobeSpan et
Texas Instruments.

Les modems ADSL constituent aussi un défi pour les réalisateurs dans le domaine analogique. Le signal DMT exige une linéarité très poussée des
amplificateurs et des circuits attaquant les lignes.

Le facteur de crête (rapport entre la puissance de pointe et la puissance effective) est très élevé, ce qui veut dire que les circuits d’attaque doivent
comporter de fortes réserves.

C’est la raison pour laquelle des fabricants comme Burr Brown et Analog Devices offrent des C.I. spécialement conçus à cet effet. L’équipement des
centraux pose, lui aussi, quelques problèmes, car il faut prévoir jusqu’à 12W par raccordement ADSL dans le bâti des liaisons d’abonnés.

La dissipation de chaleur devient le problème majeur lorsque le matériel est disposé de façon compacte.

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Figure 4. Schéma de principe de l’équipement de ligne ADSL.

Équipement des liaisons ADSL :

Comment un raccordement téléphonique ADSL se présente-t-il côté abonné et côté central ? La figure 4 le révèle en détail. Chacun des deux diviseurs
ADSL connectés au départ même du raccordement côté central et abonné contient d’excellents filtres passe-haut, c’est à dire à flancs raides, pour le spectre ADSL.

Des filtres passebas se chargent de filtrer le signal analogique usuel du téléphone ou le signal RNIS sur la liaison de raccordement et à partir de celle-ci.

Le diviseur de l’abonné qui veut se servir de ADSL doit bien entendu être raccordé à un modem de ce type. Le modem comporte un récepteur (RX) du signal downstream à débit élevé et un émetteur (TX) destiné au signal upstream envoyé par l’abonné. Les données upstream et downstream contiennent les données utiles plus des données de gestion et de commande.

Il faut que le central puisse commuter tous les abonnés qui le désirent sur des terminaisons de ligne ADSL. Ces terminaisons constituent le complément
du modem ADSL : un émetteur downstream (TX) transmet le flux de données à débit élevé au raccordement en passant par le diviseur.

Le débit des données du récepteur upstream (RX) n’est que moyen. Un multiplexeur DSLM (Digital Subscriber Line Multiplexer) permet de répartir les canaux ADSL entre plusieurs abonnés.

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Figure 5. Structure du système lors de l’adoption de ADSL.

Structure du système ADSL :

Quelle est la suite des opérations, une fois sorti de l’équipement de liaison ADSL et du modem ADSL ? La figure 5 donne la réponse. On rencontre
encore les diviseurs du central et des abonnés.

La terminaison de ligne ADSL y est connectée dans le central. Elle est raccordée à 155 Mbits/s à la dorsale ATM par un commutateur ATM.

Le côté abonné comporte un modem ADSL équipé d’une interface ATM F25,6 (25,6 Mbits/s) ou d’une interface LAN (plus lente) 10BaseT.

Le PC qui suit doit disposer d’une carte ATM ou réseau idoine pour commander parfaitement l’interface du modem ADSL.

La figure 5 indique que, dans le cas de RNIS également, il faut intercaler la terminaison NTBa (Network Termination, terminaison du réseau de l’accès
de base) à la suite du diviseur.

Établissement de la connexion :

Les nombreuses possibilités de réglage d’un système de transmission ADSL requièrent, lors de l’établissement de la connexion, l’échange d’un protocole
complexe qui permet au central et au modem ADSL de se communiquer leur configuration respective.

Les deux modems saisissent les courbes de réponse dans les deux directions de transmission en envoyant des fréquences pures (porteuses) dont le
niveau sera enregistré par l’autre modem.

Le débit binaire des canaux downstream et upstream ainsi que le procédé à utiliser pour séparer les directions (FDM ou compensation d’écho) est ensuite déterminé au moyen d’une séquence d’apprentissage.

C’est à ce point que se décide le débit binaire maximum réalisable des lignes de raccordement individuelles.

ADSL peut aussi venir à bout de perturbations variant dans le temps. L’échange de bits (Bit Swapping) permettra de modifier en direct l’attribution des bits aux porteuses.

Cette phase de démarrage passablement élaborée de ADSL prend plus de 20 secondes et même parfois plus d’une minute. Mais c’est le prix à payer
pour optimiser le débit de chaque porteuse.

Lorsqu’une connexion ADSL est déjà établie, il peut arriver qu’un changement brusque des paramètres de la liaison dérègle à tel point les paramètres
soigneusement mis au point de l’égaliseur que la capacité de transfert s’effondre brusquement.

Il faut naturellement éviter que la correction de l’égaliseur permettant de rétablir complètement la liaison ne dure de nouveau 20 à 60 secondes. Il est donc
possible d’avoir recours à une procédure de réglage abrégée qui détermine rapidement les nouveaux paramètres de l’égaliseur en se basant sur les paramètres de la liaison déterminés lors de l’établissement de la connexion.

La liaison ADSL est en général rétablie au bout de 1 à 2 secondes. Cela exige toutefois que le modem ADSL surveille continuellement la qualité de transmission de chaque porteuse.

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Figure 6. ADSL Lite.

ADSL allégé :

Une fois la norme ADSL définie, un groupe de fabricants (parmi lesquels Microsoft, Intel et Compaq) ont fondé le groupe de travail UAWG (Universal
ADSL Working Group). Leur but était de se débarrasser du diviseur côté abonné, considéré jusque là comme indispensable.

L’équipement d’un canal ADSL côté central se limiterait ainsi à la terminaison de ligne (SLIC = Subscriber Line Interface) et du côté abonné à un
modem ADSL et une carte réseau ATM/Ethernet.

Le diviseur côté abonné, qui n’est pas précisément bon marché, serait éliminé (figure 6). Ce procédé dénommé aussi ‘G.Lite’ ou ‘Universal ADSL’ a été normalisé par l’UIT en tant que ITU-Standard G992.2 – Splitterless ADSL.

Non content de « soustraire » le diviseur de G.Lite, on a encore divisé par 2 le nombre de porteuses (128 au lieu de 256). Le nombre de bits par seconde et
de hertz passe donc de 15 à 8 et les configurations QAM sont simplifiées d’autant.

Le taux downstream est réduit à environ 1,5 Mbits/s, tandis qu’il est encore possible de faire parvenir 500 kbits/s upstream. Il est en outre possible de réduire à tel point le niveau de sortie que la puissance absorbée et les impératifs de linéarité des étages d’attaque analogiques s’en trouvent fortement réduits. Cela garantit aussi un fonctionnement sans diviseur dépourvu interférences du téléphone analogique (POTS).

Enfin, ADSL Lite s’efforce d’atteindre le niveau d’exploitation Category 2 dans lequel upstream et downstream se partagent la gamme inférieure de fréquence ADSL grâce à la compensation d’écho.

Cela assure de bonnes conditions de transmission pour toutes les porteuses.

La simplification que cette forme d’ADSL représente pour le client en constitue la motivation. Outre les coûts du diviseur, on peut aussi tirer un trait
sur l’alimentation par la prise de l’abonné (embase femelle). Les coûts de montage à domicile du diviseur ADSL et de sa mise en service disparaissent.

Les spécialistes font toutefois remarquer que ADSL Lite ne fonctionnera du premier coup que dans la moitié des foyers. Il faudra tout d’abord corriger le câblage domestique de l’autre moitié.

Alors qu’une forte tendance en direction de ADSL Lite se dessine aux États- Unis, l’Europe serait plutôt sceptique.

La majorité des systèmes ADSL installés ici le seront avec un diviseur côté abonné.

ADSL – Pour qui ?

Si l’on suppose qu’une longueur de connexion d’environ 3 km marque la limite d’utilisation de ADSL, il est possible de fournir à 85 % des abonnés ces
services de données rapides.

Ne pourront être raccordés par ADSL tous les abonnés qui ne disposent pas de leur propre liaison dans le central mais dont les lignes de raccordement
sont déjà réunies auparavant par multiplexeurs (systèmes PCM2, PCM4 et AslMx). Il s’agit d’environ 10 % des raccordements téléphoniques en Allemagne.

En guise de conclusion :

ADSL est une nouvelle technologie qui permet de mieux tirer parti des liaisons téléphoniques actuelles. Même si les raccordements ADSL privés ne fournissent tout d’abord que 1,5 Mbits/s downstream, cela signifie quand même un accroissement de la vitesse de 27 par rapport aux modems 56K usuels.

Il sera possible de faire son entrée dans la technique ADSL par ce que l’on nomme des modems hybrides capables de traiter aussi bien la norme analogique V.90 qu’ADSL. Les adaptations à tout changement des normes restera toujours possible par téléchargement de modules de micrologiciel.

Et quel sera le successeur d’ADSL ?
Réponse : VDSL, Very high bit-rate Digital Subscriber Line.

Les laboratoires de recherche industrielle travaillent à l’extension du domaine de fréquence vers le haut, donc à l’accroissement du nombre de porteuses.

Avec 2 000 porteuses, il est possible d’atteindre un débit de 52 Mbits/s downstream et un accroissement de 3,2 Mbits/s de capacité upstream.

Cela devrait suffir pour transférer le flot de données vidéo MPEG-2. Un petit inconvénient : VDSL a besoin de lignes de raccordement encore plus courtes que ADSL, maximum 1,5 km.

La solution serait naturellement de passer aux fibres optiques pour couvrir la distance du central aux armoires de distribution qui bordent les voies publiques. Mais il coulera jusque là encore beaucoup d’eau sous les ponts.

fin

Abréviations :

ADC : Analog to Digital Converter, convertisseur A/N
ADSL : Asymmetric Digital Subscriber Line
ATM : Asynchronous Transfer Mode, mode de transfert asynchrone
DAC : Digital to Analog Converter, convertisseur N/A
DSL : Digital Subscriber Line
DSLM : Digital Subsciber Line Multiplexer
FFT : Fast Fourier Transformation, transformation de Fourier rapide
IFFT : Inverse Fast Fourier Transformation, transformation de Fourier rapide inverse
ISDN : Integrated Services Digital Network
NTBa : Network Termination Base connection
PC : Personal Computer
POTS : Plain Old Telephone Service, Services de téléphone analogique
QAM : Quadrature Amplitude Modulation, Modulation en amplitude en quadrature
RX : Receiver, récepteurr
TX : Transmitter, émetteur

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