TP 5 TELECOM : ADSL. Préparation

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1 TP 5 TELECOM : ADSL LP RSFS - Philippe REDIEN Cédric MAZURIER Cédric JARDIN Malo DELABBAYE Le but du TP est d'étudier le fonctionnement d'une ligne ADSL et de comparer différentes conditions d'environnement avec un testeur. 1. Schéma de connexion ADSL : Préparation 2. Technique Duplexage 1) Time Division Duplexing (TDD) Un seul canal de fréquence est utilisé pour les deux sens de transmission. Le TDD est aussi utilisé pour la communication de point à multipoint. Il suppose de ménager un temps de garde pour changer le sens de l exploitation de la transmission. Ce temps de garde dépend du temps total de transmission (round trip delay). Le TDD convient aux flux asymétriques à caractère non prédictible (par exemple, le trafic de données du système EV-DO, evolution data only). 2) Frequency Division Duplexing (FDD) Un canal de fréquence est réservé pour chacun des deux sens de transmission. Le FDD convient à la communication point à point, à flux symétrique à caractère prédictible (par exemple, le service vocal utilisé en EV-DV, evolution data and voice). Modulation et codage La transmission ADSL se fait en bande de base pour cela les techniques de codage et modulation sont étroitement liés. Les termes de codage et modulation peuvent être indifféremment utilisés. Il existe différentes façons de traiter la porteuse HF, en fonction de la donnée à transmettre. Dans le cas de l'adsl on utilise, une des deux techniques : TP 5 : ADSL 22/10/2007 page 1/11

2 - CAP - DMT 1) CAP (Carrierless Amplitude and Phase Modulation) qui est une variante de la technologie QAM (Quadratique Amplitude Modulation). Très utilisé au début de l ère ADSL, ce type de modulation n a jamais été correctement normalisé et, de ce fait, il n y a pas d interopérabilité possible entre équipements de fabrications différentes. 2) DMT (Discret Multi Tone) est une technique de modulation plus récente. Son principe repose sur l utilisation d un grand nombre de sous-porteuses réparties sur la bande de fréquence utilisée par le système. Ces techniques utilisent une modulation en phase et en amplitude (QAM). Elles sont apparues en complément au codage 2B/1Q utilisé notamment pour le RNIS. Bande de fréquence Dans l'adsl, il y a deux flux indépendants et simultanés. L'ADSL utilise la bande passante de la paire de cuivre de 10 à 1104 khz, découpée en 256 canaux de 4,312 khz dont la modulation (donc le débit) dépend de l atténuation et du bruit sur chaque canal. Le débit maximum peut atteindre 64 kbit/s par canal, soit un maximum théorique de 16 Mbits/s. Les premiers canaux de fréquence basse ne sont pas utilisés : 16 canaux numérotés de 0 à 15 pour l'adsl dit "option A" sont réservés aux fréquences de la téléphonie analogique classique et à leurs trois premiers harmoniques non totalement atténués sur la plupart des dispositifs analogiques y compris les micro-filtres ADSL l'adsl "option B" réserve davantage de canaux pour cohabiter avec le RNIS, option non utilisée en France (mais utilisée en Allemagne) sur des lignes louées dédiées, il est possible de ne réserver aucun canal et d'exploiter tous les canaux, et deux canaux spéciaux sont réservés le canal 16 au milieu des canaux utilisés pour le débit montant sert à la signalisation et la télémesure, le canal 64 joue le même rôle au début des canaux réservés pour le débit descendants. L ADSL 2+ utilise, en plus, les fréquences de 1,1 à 2,2 MHz. Sa bande passante est d'environ 2 MHz et peut atteindre une capacité de 22 Mbit/s en IP, soit 28 Mbit/s en ATM, dans de bonnes conditions. En ADSL, les canaux de fréquence utilisables sont répartis de façon asymétriques entre les canaux montant et les canaux descendants bien plus nombreux (et certains équipements supportent le mode de fonctionnement en semi-duplex pour un nombre limité de canaux partagés). Chaque canal est typiquement exploité et codé en ATM, de sorte qu'une même cellule ATM (de 48 octets) n'est véhiculée que sur un seul des canaux. Tous les canaux de fréquences disponibles peuvent être utilisés simultanément, et le débit total résulte du débit ATM utilisable sur chacun des canaux dans un sens donné. Débit binaire et rapidité de modulation Technologie ADSL ADSL2 ADSL2+ Définition Asymmetric DSL Asymmetric DSL Asymmetric DSL Mode de transmission Asymétrique Asymétrique Asymétrique Débit download Débit upload Distance max Mbps Kbps 5.4 km Mbps 1 Mbps 5.8 km Mbps 5.8 km Mbps TP 5 : ADSL 22/10/2007 page 2/11

3 Le trafic total s'obtient en le décomposant en cellules ATM élémentaires (chacune étant préfixée par 5 octets indiquant le numéro de circuit virtuel (VCC = numéro de VCI et numéro de VPI) pour leur routage et un octet de drapeaux pour la classe de service) contenant chacune 48 octets utiles. Cette fragmentation est automatique dans les modems et les cellules sont émises aléatoirement sur tous les canaux libres. À la réception, le débit entrant pour un VCC identifié est réassemblé par une couche d'adaptation (AAL5 pour le trafic numérique) qui permet de les remettre dans l'ordre et de contrôler leur qualité, afin de réobtenir un débit série continu, permettant d'implanter un protocole de niveau supérieur. Le trafic ATM ne supporte pas nativement une récupération des erreurs, et c'est une couche supérieure (LLC/SNAP, Ethernet/PPPoE, PPPoA, IP, MER en fonction des fournisseurs et protocoles supportés) qui permet de détecter les données manquantes (perdues dans des cellules ATM mal reçues), et éventuellement d'effectuer une auto-correction ou demander une retransmission. En revanche les modems ADSL maintiennent en permanence des statistiques sur les taux d'erreur constatés sur chacun des canaux, et peuvent autoadapter la modulation de chaque canal en fonction de ce critère pour en réduire le débit utile (ou décider d'ignorer totalement un canal avec un taux d'erreur trop élevé). Cette évaluation est toujours faite au démarrage (phase de synchronisation) sur l'ensemble des canaux supportés par l'envoi de données de tests et l'échange d'information entre les deux modems via les deux canaux de service réservés. Modulation QAM (quadrature Amplitude Modulation) : La modulation mono-porteuse QAM consiste à associer à toute suite de n bits appelée symbole un point particulier au sein d une constellation. Cela correspond à une combinaison d'une modulation de phase et d'amplitude, ceci afin d'augmenter le nombre d'état par symbole. La porteuse est transmise en ligne avec le signal modulé, la démodulation se faisant au niveau du récepteur. Cette technique pose certaines difficultés dues à la distorsion de phase de la porteuse inhérente à la propagation. QAM Les différentes modulations QAM qui sont utilisées par les modems ADSL sont : 4-QAM, 16-QAM, 32-QAM, 64- A la différence du codage 2B/1Q, les code CAP et DMT, dérivés du QAM, sont typiquement passe-bande et peuvent opérer sur une bande de fréquence spécifiée. Ceci va permettre de séparer les canaux réservés à la ligne téléphonique, la réception et l'émission de données. Modulation CAP (Carrierless Amplitude/Phase modulation) : En parallèle au développement du codage 2B/1Q, une entreprise américaine AT&T/Paradyne a développé le CAP. Le codage CAP utilise une porteuse unique. La porteuse modulée est supprimée avant la transmission, d'où le qualificatif de carrierless, puis reconstruite par le modem récepteur. Cette technique est très semblable à la Modulation d'amplitude en Quadrature (QAM) mais n'utilise pas la transposition en fréquence. De ce fait, elle est purement numérique et est implémentée avec des processeurs DSP qui réalisent le traitement numérique du signal. La bande passante disponible est divisée en trois canaux par un multiplexage FDM. Les canaux montants et descendants ne sont pas subdivisés en canaux plus étroits. Toute dégradation du rapport signal sur bruit S/B dans une bande de fréquence donnée, perturbe la qualité de l ensemble du canal donc réduit la capacité globale de l accès. Cette diminution de la capacité revient à diminuer d un bit la taille du symbole de la constellation, c est à dire à réduire par deux les performances. TP 5 : ADSL 22/10/2007 page 3/11

4 Les émetteurs-récepteurs CAP peuvent utiliser des constellations multiples créant 2n valeurs. N peut varier de 2 à 512 en fonction des caractéristiques de la ligne utilisée. On parle alors de N-CAP (2-CAP, 64-CAP, 512-CAP). Cette capacité à changer la taille des constellations, est utilisée par CAP pour s'adapter aux caractéristiques de la ligne. La période symbole du système CAP mono-porteuse est petite. En effet, la rapidité d un modem CAP est de khz. Ce qui est pénalisant, par rapport à la durée d un bruit impulsif qui serait égal ou inférieur à 500 µs. Modulation DMT (Discret Multitone) DMT a été adopté comme Norme par l'ansi et par l'etsi (Institue Européen de Normes de Télécommunications), ce qui permet une plus grande inter-opérabilité entre les équipements des différents constructeurs et le développement de l'adsl. La technique consiste à partager la bande passante disponible en un nombre élevé de canaux. Ces canaux reçoivent une modulation de type QAM et sont transmis en parallèle. Cette technique multi-porteuses nécessite de forts traitements numériques et n'a donc vu le jour qu'à partir du moment ou les DSP sont devenus abordables en matière de coûts. La norme ADSL spécifie l'utilisation de 256 sous-canaux, chacun des sous-canaux ayant une largeur de 4, KHz, soit une largeur de bande globale de khz. Le sous-canal 1 est réservé au canal téléphonique analogique. Les sous-canaux 2 à 6 sont réservés à la signalisation du canal téléphonique et servent de bande de garde avec les sous-canaux ADSL. 250 sous-canaux sont utilisés pour transporter le flux ADSL, sur une bande utile qui s étend de 25 khz à 1,1 MHz. La bande de garde entre 2 sous-canaux est de 300 Hz. Chacune des porteuses peut être modulée de 0 à 15 bits/s par HZ, ce qui permet un débit de 64 Kbps pour chacun de ces canaux de transmission. DMT alloue les données de manière à optimiser le débit de chaque canal c'est à dire d'adapter la transmission aux caractéristiques de la ligne téléphonique. Le nombre de bits portés sur chaque porteuse est variable, parce que les capacités internes de transport de chaque porteuse varie en fonction de leur fréquence. Plus la fréquence est élevée, et plus l'atténuation est importante, permettant aux fréquences les plus basses de transmettre le plus d'informations. De plus, on fait varier le nombre de bits par porteuse en fonction des conditions de transmission, en plaçant un nombre plus important de bit sur les canaux les plus robustes. Ainsi, pour éviter les perturbations dues au bruit ou les interférences radio il suffit de coder plus ou moins de bps/hz sur les porteuses. Principe de l allocation de capacité des sous-canaux correspondant au rapport signal sur bruit. Cette adaptation s effectue sur les 250 canaux. Phases de l établissement d une connexion : La connexion se fait en trois phases: > Etablissement du lien PPP > Authentification de l abonné grâce à un serveur RADIUS > Attribution d une adresse IP par le serveur RADIUS si l authentification a réussi TP 5 : ADSL 22/10/2007 page 4/11

5 Travaux pratiques 1. Connexion Netissimo 1 Voie montante : 160 kbits/s (Max IBR) Voie descendante : 608 kbits/s (Max IBR) BERT : VPI = 0 ; VCI = 21 ; UTILS% = 25% L'ADSL repose sur la technologie ATM et des circuits virtuels : celle ci gère des petits paquets de données sur 53 octets, dont 5 octets pour l en-tête et l adressage et 48 octets pour les données. ATM un service de transfert de données en mode connecté, une connexion devant être établie avant le transfert des informations. Le séquencement des cellules est assuré sur une même connexion. Les cellules d un flux applicatif sont transmises en mode asynchrone. On distingue 2 niveaux de connexion : - VP (Virtual Path) identifiée sur une interface par le champ VPI - VC (Virtual Channel) identifiée sur une interface par les champs (VPI, VCI) Un VP peut contenir plusieurs VC, une application utilise toujours une (ou plusieurs) connexion(s) de type VC. Le mode ATM permet de transporter ensemble des flux aux caractéristiques différentes : ces trafics sont transmis simultanément, mais à chacun d eux sera apporté un soin particulier selon sa nature. Pour cela, un mécanisme de qualité de service est mis en œuvre dans le réseau. VPI VCI Virtual Path Identifier = Identificateur de Conduit Virtuel Dans un réseau ATM, groupe de données, contenu dans l'en-tête d'une cellule, qui détermine le conduit virtuel que doit emprunter cette cellule. Virtual Channel Identifier = Identificateur de Voie Virtuelle Dans un réseau ATM, groupe de données, contenu dans l'en-tête d'une cellule, qui détermine la voie que doit emprunter cette cellule. A l'établissement de la connexion, le modem teste quelques fréquences et répartit le nombre de bits par QAM dans chaque sous-canal. Paramètres du testeur : On saisie les paramètres du flux à simuler MB visé 6 db Min FBR 500 Kb/s 608 Kb/s Max FBR 700 Kb/s 7000 Kb/s Min IBR 8 Kb/s 128 Kb/s Max IBR 320 Kb/s 608 Kb/s Max DSP Mesures : ATU Mode G.DMT G.DMT Type de modulation Interleave Tx 160 Kbps 608Kbps Débit mesuré Utilisation 24% 9% Taux d'occupation des sous-porteuses Marge Bruit 34,5 db 35,0dB Niveau de bruit sur la ligne Puissance Sortie 12,0 dbm 0,0 dbm Puissance du signal reçue Atténuation 0,5 db 0,0 db Atténuation sur la ligne Débit Possible 992 Kbps 7616 Kbps Débit maximum atteignable sur cette ligne TP 5 : ADSL 22/10/2007 page 5/11

6 Courbe : Répartition du nombre de bits par porteuse (cf graphique et photos) La connexion Netissimo 1 utilise les sous-canaux 10 à 30 et 70 à 190 (avec un trou à 178) pour des modulations QAM sur 2 à 4 bits. Occupation spectrale (Oscilloscope) Le spectre de fréquences a la même forme que la courbe du testeur (cf capture d'écran). On utilise les curseurs pour obtenir les valeurs de fréquences et la bande passante Comparaison avec les mesures du testeur Sur l'oscilloscope, on retrouve les fréquences utilisées (variation et clignotements des fréquences utilisées) et les fréquences inutilisées (raies fixes). 2. Connexion Netissimo 2 Voie montante : 320 kbits/s (Max IBR) Voie descendante : 1216 kbits/s (Max IBR) BERT : VPI = 0 ; VCI = 21 ; UTILS% = 25% Paramètres du testeur : M. Max Add 8 db 8 db M.B min 3 db 3dB M.B visé 6 db 6 db Min FBR 500 Kb/s 608 Kb/s Max FBR 700 Kb/s 7000 Kb/s Min IBR 8 Kb/s 128 Kb/s Max IBR 320 Kb/s 608 Kb/s Max DSP TP 5 : ADSL 22/10/2007 page 6/11

7 Mesures : Mesure \ Voie Flux montant Flux descendant Flux montant 1 Flux descendant 2 ATU Mode G.DMT G.DMT G.DMT G.DMT Fast Tx 0 Kbps 0 Kbps 0 Kbps 0 Kbps 320 Kbps 1216 Kbps 160 Kbps 608Kbps 38% 17% 24% 9% 28,5 db 30,5 db 34,5 db 35,0dB 12,0 dbm 0,0 dbm 12,0 dbm 0,0 dbm 1,0 db 0,0 db 0,5 db 0,0 db 992 Kbps 7616 Kbps 992 Kbps 7616 Kbps Interleave Tx Utilisation Marge Bruit Puissance Sortie Atténuation Débit Possible On obtient un débit plus important en utilisant un pourcentage plus élevé de la bande passante (plus de sousporteuses) ;la marge de bruit est plus faible et l'atténuation est plus élevé en flux montant. Courbe : Répartition du nombre de bits par porteuse (cf graphique et photos) La connexion Netissimo 2 utilise plus de sous-canaux et plus de bits : typiquement les canaux 8 à 30 et 58 à 85 pour des modulations QAM sur 2 à 6 bits. On peut relever sur le testeur le nombre de bits utilisés pour chaque canal, ainsi que les fréquences correspondantes. Occupation spectrale (Oscilloscope) Le spectre de fréquences a la même forme que la courbe du testeur (cf capture d'écran). Comparaison avec les mesures du testeur On retrouve une utilisation plus étendue du spectre de fréquences. Plus le débit est élevé, plus on utilise de canaux de sousporteuses dans le signal modulé ADSL (QAM). TP 5 : ADSL 22/10/2007 page 7/11

8 3. Adaptation de connexion On perturbe la liaison Netissimo 2 et on refait les mesures. Mesures : 3.1 Stress par un bruit à bande étroite On applique un signal sinusoïdal de fréquence 700 khz et d'amplitude < 0,5V. ATU Mode G.DMT G.DMT Interleave Tx 320 Kbps 1216 Kbps Utilisation 41 % 18 % Marge Bruit 23,5 db 35,5 db Puissance Sortie 12 dbm 5 dbm Atténuation 8,5 db 5 db Débit Possible 896 Kbps 7616 Kbps Dès l'émission des basses fréquences sur la ligne, des erreurs sont détectées pas le testeur, une raie apparaît sur l'oscilloscope à la fréquence de 708 khz puis la ligne tombe. Quand on remonte la ligne, le modem teste la ligne et élimine la bande de fréquences autour de 700 Khz : les données sont réparties sur les autres sous-canaux. Raie à 708 KHz = perturbation.la zone des 700 KHz n'est plus utilisée TP 5 : ADSL 22/10/2007 page 8/11

9 Mesures : 3.2 Stress par une atténuation importante On simule l'atténuation d'une longue ligne en plaçant une résistante de 50 ohms puis 12 ohms, en parallèle avec la ligne. Mesure 50 ohms \ Voie Flux montant Flux descendant ATU Mode G.DMT G.DMT Interleave Tx 320 Kbps 1216 Kbps Utilisation 41 % 17 % Marge Bruit 23,5 db 35,5 db Puissance Sortie 12,0 dbm 7,0 dbm Atténuation 9,0 db 5,5 db Débit Possible 896 Kbps 7616 Kbps Mesure 12 ohms \ Voie Flux montant Flux descendant ATU Mode G.DMT G.DMT Interleave Tx 320 Kbps 1216 Kbps Utilisation 51 % 18 % Marge Bruit 21 db 32 db Puissance Sortie 11,5 dbm 7 dbm Atténuation 18,0 db 14,5 db Débit Possible 704 Kbps 7616 Kbps On remarque que la désadaptation d'impédance entraîne une atténuation plus importante, et ce d'autant plus que la résistance a une valeur éloignée de l'impédance de la ligne. Pour 12 ohms, l'atténuation passe de 9 db à 18 db. Le débit montant maximum passe de 992 Kbps à 896 Kbps pour 50 ohms et 704 Kbps pour 12 ohms. Le taux d'utilisation de la bande passant devient également plus important. 3.3 Stress par déformation de la bande passante On modifie la bande passante en plaçant en parallèle avec la ligne, une inductance 220 µh en série avec une capacité de 820 pf. Mesures : ATU Mode G.DMT G.DMT Interleave Tx 320 Kbps 1216 Kbps Utilisation 38 % 17 % Marge Bruit 28,5 db 30,5 db Puissance Sortie 12,0 dbm 0,0 dbm Atténuation 1,0 db 0,0 db Débit Possible 960 Kbps 7616 Kbps TP 5 : ADSL 22/10/2007 page 9/11

10 Le testeur permet de relever la valeur de la bande de fréquence désactivée autour de 300 KHz On observe un trou autour de 300 khz ; cela correspond à la fonction du filtre, on peut calculer la fréquence avec : F = 1/ (2π L.C ) = 375 khz (sans tenir compte du facteur environnement) Mesures : 3.4 Stress par un bruit large bande (vobulation de fréquence) On place un générateur basse fréquences sur la voie descendante puis sur la voie montante pour étudier l'influence du niveau de bruit. ATU Mode G.DMT G.DMT Interleave Tx 320 Kbps 1216 Kbps Utilisation 41 % 28 % Marge Bruit 10,5 db 14,0 db Puissance Sortie 12,0 dbm 9,5 dbm Atténuation 8,5 db 6,0 db Débit Possible 896 Kbps 5184 Kbps A l'oscilloscope, on observe une raie qui balaye toutes les fréquences de la voie descendante. L'affaiblissement est plus important, le débit est limité le taux d'utilisation plus grand. TP 5 : ADSL 22/10/2007 page 10/11

11 4. Bilan ADSL L'ADSL est probablement l'une des technologies les plus importantes de ces dernières années pour la démocratisation d'internet et des réseaux haut-débits : d'astucieuses techniques de codage et de modulation (HdB3, DMT, QAM) ont permis d'étendre les débits et les distances aux limites physiques de la paire de cuivre torsadée. Cependant les zones les plus mal desservies ne pourront probablement jamais être connectées en ADSL : la longueur maximale de la boucle locale est de 5,6 km et de nombreuses perturbations détériorent le signal (diaphonie, distorsion du signal, interférence, bruit blanc, bruit impulsif, bruit d écho, affaiblissement...) L'éligibilité technique à un service utilisant la ligne téléphonique dépend avant tout de la qualité de celle-ci, que l'on mesure par l'atténuation (en db). A défaut de pouvoir systématiquement mesurer cette atténuation, on se base pour déterminer la qualité d'une ligne sur l'affaiblissement théorique de celle-ci, qui est calculé à partir des valeurs théoriques de l'atténuation d'un signal à 300 khz sur les fils de cuivre. La longueur de la ligne (entre le domicile de l'abonné et le central téléphonique) et le diamètre des fils de cuivre utilisés (de 0,4 mm à 1 mm) sont les deux principaux éléments utilisés pour calculer l'affaiblissement. D'après France Télécom, une ligne affichant un affaiblissement théorique de moins de 35 db est considérée comme excellente et devrait permettre un débit ADSL de plus de 6 Mbits/s. En dessous de 20 db les lignes peuvent être considérées comme parfaites, le débit peut atteindre 8 Mbits/s. La limite actuelle pour avoir l'adsl est de 70 db, voire 78 db en Re-ADSL2 ; il est cependant possible qu'entre 55 db et 70 db une ligne ne soit pas compatible. Outre l'éligibilité à des services comme l'adsl ou la télévision par ADSL, la qualité de la ligne permet d'estimer le débit (en kbit/s) supporté par celle-ci, selon la technologie utilisée. D'autre part, l'éligibilité de la ligne à un service comme l'adsl peut être remise en question par un autre service qui pourrait entrer en conflit (par exemple, système de télé-surveillance). Certaines lignes sont également inéligibles en raison d'un multiplexage fréquentiel. Les technologies ADSL2+ et Re-ADSL2 (limite maximale d'affaiblissement à 78 db) ont permis de repousser encore les limites du support mais l'avenir appartient maintenant aux transmissions radio et fibres optiques. TP 5 : ADSL 22/10/2007 page 11/11