Principe de fonctionnement

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1 ADSL, (ou LNPA qui signifie Ligne Numérique à Paire Asymétrique.) L'ADSL est une technique de communication qui permet d'utiliser une ligne téléphonique d'abonné pour transmettre et recevoir des signaux numériques à des débits élevés, de manière indépendante du service téléphonique proprement dit (contrairement aux modems analogiques). Cette technologie est massivement mise en oeuvre par les fournisseurs d'accès à Internet pour le support des accès dits «haut débit». L'acronyme anglais ADSL signifie Asymmetric Digital Subscriber Line, qui se traduit fonctionnellement par «[liaison] numérique [à débit] asymétrique [sur] ligne d'abonné». La terminologie française officielle a sélectionné l'expression «raccordement numérique asymétrique» (RNA) ou «liaison numérique à débit asymétrique», mais le terme anglais «ADSL» reste le plus largement utilisé dans le langage courant. En France, le lancement commercial de l'adsl a été effectué par France Telecom en Principe de fonctionnement La ligne téléphonique qui relie le domicile d'un abonné à l'autocommutateur public qui dessert son quartier (le «central téléphonique») est constituée d'une paire de fils de cuivre, en général continue entre ces deux points. Les signaux utilisés pour la téléphonie classique occupent une bande de fréquences comprises entre 25 et 3500 Hz environ. Le principe de l'adsl consiste à exploiter une bande de fréquences située au-dessus de celles utilisées pour la téléphonie pour échanger des données numériques, en parallèle avec une éventuelle conversation téléphonique. Grâce à cette séparation dans le domaine fréquentiel, les signaux ADSL qui transportent les données et les signaux téléphoniques qui transportent la voix circulent donc simultanément sur la même ligne d'abonné sans interférer les uns avec les autres. Mise en œuvre L'ADSL nécessite l'installation d'équipements de communication dédiés à cette technologie aux deux extrémités de la ligne téléphonique (souvent dénommée «paire cuivrée» dans le jargon des télécommunications). Dans les locaux de l'autocommutateur public, l'équipement qui traite les signaux ADSL d'un groupe d'abonnés s'appelle un DSLAM (pour Digital Subscriber Line Access Multiplexer). Chez l'abonné, l'équipement qui effectue la même fonction est soit un modem (contraction de modulateur démodulateur) ADSL, soit un routeur ADSL (qui n'est autre qu'un routeur classique muni d'un modem ADSL interne). L'ADSL utilise un spectre de fréquences étendu sur un support physique qui n'était pas prévu pour cela à l'origine (la paire cuivrée). Cette technologie peut donc se révéler inexploitable sur des lignes d'abonné qui présentent une trop forte atténuation pour les signaux de l'adsl. C'est le cas lorsque la section de la paire cuivrée est trop faible ou lorsque la longueur de la ligne est trop importante. Pour déterminer si sa ligne téléphonique est compatible avec l'adsl, un abonné peut vérifier l'éligibilité technique de celle-ci sur les sites Web des fournisseurs d'accès. Le signal ADSL transite sur la paire cuivrée téléphonique au même titre que le signal téléphonique, et la cohabitation de ces deux types de signaux requiert l'installation de filtres

2 destinés à séparer les fréquences respectives des deux flux. Au niveau de l'autocommutateur public, ces filtres sont installés sous la forme d'armoires de filtrage qui regroupent plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de cartes électroniques de filtrage. Chez l'abonné, la séparation des deux flux est réalisée au moyen d'un filtre ADSL placé entre la prise téléphonique et la fiche de connexion du téléphone. Le filtre ADSL fait suivre le signal à destination de l'ordinateur au modem ou au routeur, lequel extrait les données numériques du signal ADSL. Ces données sont ensuite transmises à l'ordinateur, par l'intermédiaire d'un câble Ethernet, d'un câble USB ou encore grâce à une liaison Wi-Fi. Les données numériques véhiculées par l'adsl peuvent elles-mêmes servir de support à une communication téléphonique (VoiP), ou à la diffusion de programmes de télévision numérique (le plus souvent en MPEG-2, mais aussi en MPEG-4). On voit donc apparaître des familles de modems ADSL évolués qui permettent de traiter ces flux de manière native. En France, c'est le cas de nombreuses «box» proposées par les fournisseurs d'accès à Internet : Free box, Live box, Neuf Box, Club-Internet Box, Télé2Box Alice Box ou Darty Box). Ces modems spécialisés sont munis de connecteurs qui permettent d'y raccorder directement un poste téléphonique (connecteur RJ-11) ou un téléviseur (connecteur péritel ou HDMI). Détails de fonctionnement Domaine fréquentiel N.B.: les chapitres ci-dessous concernent les modes ADSL, ADSL2 et Re- ADSL. Le mode ADSL2+ fait l'objet d'un paragraphe distinct en fin de chapitre. L'ADSL fait appel à la notion de sous porteuses : la bande de fréquences comprise entre 0 Hz et environ 1,1 MHz est divisée en 255 intervalles de 4,3125 khz. A chaque frontière d'intervalle est associée une sous porteuse, qui est un signal modulé. La n-ième sous porteuse est donc matérialisée sous la forme d'un signal dont la fréquence de base vaut [n x 4,3125 khz]. Un modem ADSL peut donc être considéré comme la mise en parallèle d'un grand nombre de modems analogiques, chacun transmettant sur une fréquence différente: 4,3125 khz pour le premier, 8,625 khz pour le second, 12,9375 khz pour le troisième, et ainsi de suite. La sous porteuse d'indice 0 n'est pas utilisée, car elle correspond à un signal de fréquence nulle. Les sous porteuses d'indice 1 à 255 sont théoriquement utilisables pour transmettre des données. Toutefois, les sous porteuses d'indice 1 à 15 ne sont en général pas exploitées en raison de la présence possible de signaux téléphoniques dans une gamme de fréquences proche des fréquences utilisées par ces sous porteuses. Dans la pratique, lorsque l'adsl est mis en oeuvre sur une ligne téléphonique classique (analogique), les sous porteuses d'indice 16 à 255 sont donc disponibles pour la communication ADSL proprement dite. L'ADSL2 et le Re-ADSL (Reach Extended ADSL) sont des évolutions de la technologie ADSL d'origine. Grâce à une technique de modulation/démodulation améliorée, ces nouveaux modes permettent d'obtenir une meilleure immunité de la communication aux perturbations et

3 un fonctionnement acceptable sur des lignes qui auraient été trop longues pour supporter une transmission ADSL classique. Répartition des sous porteuses entre sens montant et sens descendant L'ADSL est considéré par les instances de normalisation comme une technologie destinée essentiellement aux particuliers et aux petites et moyennes entreprises. Vis-à-vis des ressources disponibles sur Internet, cette catégorie de clients est en général davantage amenée à télécharger des informations (consultation d'un site Web, par exemple) qu'à envoyer des informations vers un site distant. Il a donc été décidé de favoriser le sens de la communication qui va du réseau vers l'abonné (downstream en anglais), au détriment du sens qui va de l'abonné vers le réseau (upstream en anglais). C'est pour cela que l'adsl est qualifié d'asymétrique: le nombre de sous-porteuses affectées au sens descendant est plus élevé que le nombre de sous-porteuses affectées au sens montant. Dans la pratique, quand l'adsl est mis en oeuvre sur une ligne téléphonique classique (analogique), les sous-porteuses 16 à 31 sont affectées au trafic émis de l'abonné vers le réseau, et la sous-porteuse numéro 16, qui sert de signal de référence, n'est pas modulée et ne transporte donc pas d'information. Les sous-porteuses 32 à 255, quant à elles, sont affectées au trafic reçu du réseau par l'abonné. Pour ce sens de communication, c'est la sous-porteuse d'indice 64 qui joue le rôle de signal pilote. Les modems ADSL les plus récents comportent des systèmes de traitement numérique basés sur une technique d'annulation d'écho qui permet, si nécessaire, d'utiliser aussi les sousporteuses d'indice inférieur à 32 pour transporter des données de la voie descendante. Dans la pratique, ce mode de fonctionnement n'apporte qu'un gain de débit limité, au prix d'une plus grande sensibilité aux perturbations, et il ne semble donc pas promis à une large mise en oeuvre. Il existe deux variantes de l'adsl que l'on utilise selon que la ligne d'abonné est une ligne téléphonique analogique (dans ce cas, on utilise l'adsl option A) ou une ligne exploitée en RNIS (dans ce dernier cas, on utilise l'option B). Les paragraphes ci-dessus décrivaient la répartition des sous-porteuses de l'adsl option A. Comme la plage de fréquences utilisées par le RNIS est plus étendue que pour la téléphonie classique, et atteint la centaine de kilohertz, l'option B prévoit de réserver davantage de sous-porteuses inutilisées dans le bas de bande, et décale d'autant la frontière entre les sous-porteuses utilisées pour le sens montant et celles utilisées pour le sens descendant. L'option B est utilisée en Allemagne, par exemple, où la plupart des lignes du réseau téléphonique public sont exploitées en RNIS. On peut également signaler l'existence d'une autre option qui permet de disposer d'un plus grand nombre de sous-porteuses pour le sens montant, au détriment du nombre de porteuses affectées au sens descendant. Cette option est relativement peu utilisée et n'est d'ailleurs pas autorisée en France, car elle peut perturber par intermodulation une communication ADSL classique sur une ligne d'abonné adjacente. Modulation des sous porteuses Chaque sous-porteuse est modulée en amplitude et en phase, au rythme de 4000 symboles par seconde (on notera toutefois que ce chiffre n'est pas tout-à-fait exact, voir plus bas le paragraphe «supertrames»). Un symbole est un état de modulation qui peut représenter un

4 plus ou moins grand nombre de bits d'information. La complexité de modulation de chaque sous-porteuse est choisie en fonction de la qualité de transmission observée sur la ligne pour cette sous-porteuse. En effet, les modulations complexes permettent de transporter un nombre de bits élevé, ce qui favorise le débit, mais ce type de modulation est plus difficile à décoder au niveau du récepteur et est donc plus sensible aux erreurs de transmission provoquées par d'éventuelles perturbations en ligne. Le niveau de modulation de chaque sous-porteuse peut donc être ajusté pour transporter entre 2 et 15 bits d'information par symbole. Le nombre de bits affecté à chaque sous-porteuse est déterminé en début de connexion, après une phase de mesure de qualité de la ligne effectuée par échange de signaux de test entre les deux équipements ADSL qui établissent la communication. Structure des informations Trames ADSL Les informations transportées par l'adsl dans chaque sens de communication sont organisées en trames d'une taille égale à la somme des bits véhiculés par l'ensemble des sousporteuses affectées à ce sens de communication. En supposant par exemple que le sens descendant utilise 40 sous-porteuses et que chaque sous-porteuse transporte 8 bits par symbole, la taille de la trame correspondante est de 320 bits, soit 40 octets. Chaque sousporteuse étant modulée à raison de 4000 symboles par seconde, ce sont donc 4000 trames qui sont envoyées à chaque seconde, et avec les chiffres de notre exemple, le débit brut du sens descendant s'établit à 4000 x 320 bits, soit 1280 kbit/s. Chaque trame contient des informations de service, des données utilisateur, et éventuellement des octets de redondance utilisés pour détecter et si possible corriger les erreurs. Ce mécanisme de détection et de correction d'erreurs, connu sous le nom de FEC (pour Forward Error Correction) fait appel au code de Reed-Solomon. Chaque trame transporte donc des données qui ont été préalablement organisées sous la forme d'un ou plusieurs mot-code(s) (codeword en anglais) Reed-Solomon. Supertrames ADSL Pour des raisons de synchronisation, les trames ADSL sont regroupées en «trains» de 68 trames consécutives et complétées par une 69ème trame de contrôle qui contient des informations de service additionnelles plutôt que des données utilisateur. Ces groupes de 69 trames sont désignés sous le nom de «supertrames». La présence d'une trame de contrôle pour chaque groupe de 68 trames «prend de la place» en ligne et devrait normalement affecter le débit des données utiles. Pour éviter ce problème, la véritable rapidité de modulation de chaque sous-porteuse est non pas de 4000 symboles par seconde comme indiqué plus haut, mais de [4000 x 69 / 68] symboles par seconde (environ 4059 symboles par seconde), ce qui permet de transmettre exactement 4000 trames «utiles» par seconde. Capacité de trafic Sens descendant

5 Comme indiqué dans les paragraphes précédents, en supposant que la qualité de la ligne le permette, chaque sous-porteuse peut utiliser des symboles de 15 bits, et transmet 4000 symboles par seconde. Pour le sens descendant, on dispose de 223 sous-porteuses pour transporter des données utilisateur (ce sont les sous-porteuses 32 à 255, moins la sousporteuse pilote 64). Sans autre limitation, le débit maximum théorique du sens descendant s'établirait donc à [223 sous-porteuses x 15 bits x 4000 symboles], soit kbit/s. Dans la pratique, ce débit est moindre pour deux raisons principales : La structure des mots-codes Reed-Solomon ne permet pas de transporter plus d'un certain nombre d'octets utilisateur dans chaque trame. Pour le sens descendant, le format utilisé pour les mots-codes accepte un maximum de 254 octets à partager entre les données utiles et d'éventuels octets de redondance. Cette taille conditionne le débit maximum théorique qui s'établit à une valeur de [254 octets x 8 bits x 4000 symboles/s], soit 8128 kbit/s. Les caractéristiques de la ligne (atténuation, perturbations externes) font souvent qu'il n'est pas possible de transmettre 15 bits par symbole de manière fiable pour chaque sous-porteuse. A cause de ces deux facteurs, le débit net maximum du sens descendant s'établit en général à une valeur intermédiaire, de l'ordre de quelques centaines à quelques milliers de kilobits par seconde. Par ailleurs, en fonction de l'abonnement souscrit (on parle de «paliers de débit»), le débit peut être volontairement limité par les équipements du fournisseur d'accès à Internet, indépendamment des possibilités techniques. En ce qui concerne la limitation induite par le code Reed-Solomon, une modification ultérieure de la norme prévoit un format différent pour les mots-codes (tramage «S=1/2»), qui permet de véhiculer presque deux fois plus de données utilisateur dans chaque mot-code. Lorsque ce format est mis en oeuvre, le débit n'est plus limité que par le nombre de bits qui peuvent être transportés par l'ensemble des 223 sous-porteuses affectées au sens descendant. Le débit maximum théorique de l'adsl s'établit alors à un peu plus de kbit/s pour le sens descendant. Ces valeurs ne s'appliquent pas à l'adsl2+, qui utilise un nombre de sous-porteuses plus élevé (voir le paragraphe qui lui est consacré plus bas). Sens montant Le même calcul s'applique aux 30 sous-porteuses disponibles pour transporter les données dans le sens montant (sous-porteuses 1 à 31, moins la sous-porteuse pilote 16), et les mêmes restrictions existent à cause de la structure des mots-codes Reed-Solomon. Le débit maximum du sens montant s'établit donc à 1024 kbit/s (cette valeur est la même pour l'adsl2+). ADSL2+ L ADSL 2+ est une évolution de l'adsl qui utilise 511 sous-porteuses au lieu de 255, grâce à une extension de la bande de fréquences utilisées jusqu'à 2,2 MHz environ. Cette capacité accrue, associée à une structure de trame modifiée pour permettre le transport d'un plus grand nombre d'octets dans chaque trame, permet d'atteindre des débits de données de plus de 20

6 Mbit/s dans le sens descendant. La capacité et le débit du sens montant restent inchangés par rapport à l'adsl «classique». Toutefois, les performances accrues de l'adsl2+ ne sont accessibles que dans de bonnes conditions: atténuation faible, qui dépend du type de câblage (section) et de la longueur de la ligne. faible niveau de bruit, qui dépend de l'isolation de la ligne sur les câbles (blindage du câble, présence de paires voisines le long du même faisceau de câble utilisées pour d'autres services, comme le RNIS), de son implantation aérienne (plus exposée) ou enterrée. absence de perturbations électromagnétiques puissantes le long du parcours (absence d émetteurs radio AM à proximité). nombre faible d'épissures le long du câble (sources de bruit par écho et résonance). câblage de pose récente (à cause du vieillissement des isolants, les fuites de puissance augmentent avec le temps, et la résistance des conducteurs augmente par oxydation). nombre faible et qualité des filtres installés au domicile ou au central (l'offre de dégroupage partiel induit un filtrage mixte, source d'atténuation supplémentaire). bonne isolation et qualité du câblage de l'installation intérieure chez l'abonné (protection contre les sources de parasites induits par l'équipement électronique, les lampadaires halogène, les déclencheurs de tubes néon, les équipements de puissance, absence de câbles longs laissés «flottants» sur la prise d'extrémité). Transport des données Comme expliqué plus haut, chaque trame ADSL élémentaire transporte un mot-code Reed-Solomon, lequel comporte des informations de service, des octets de redondance utilisés pour détecter et si possible corriger les erreurs, et un espace destiné aux données de l'utilisateur. Typiquement, les données utilisateur sont organisées sous la forme de cellules en protocole ATM, d'une longueur unitaire de 53 octets, dont 48 sont disponibles pour les données utilisateur proprement dites. Les 5 premiers octets de chaque cellule ATM contiennent les références du circuit virtuel ATM, ainsi que des informations relatives à l'organisation des données utilisateur au sein d'un groupe de cellules consécutives. A l'émission, les données issues de l'équipement informatique de l'abonné (paquets IP, messages PPP ou encore trames PPPoE) sont automatiquement fragmentées en tronçons de 48 octets et réparties dans autant de cellules ATM que nécessaire. A la réception, les données transportées par chaque cellule sont extraites, et le message d'origine est automatiquement reconstitué avant d'être délivré à l'équipement destinataire. Problèmes de transmission L'ADSL peut parfois se révéler délicat à mettre en oeuvre sur certaines lignes d'abonné. La bande de fréquences utilisée par les sous porteuses de l'adsl couvre en effet à peu près le domaine des fréquences radio correspondant aux «grandes ondes» et aux «ondes moyennes». Tous ceux qui ont eu un jour la curiosité d'écouter ces gammes d'émission, de plus en plus délaissées au profit de la modulation de fréquence, ont pu constater que la

7 réception est en général de qualité médiocre, avec des variations de signal parfois importantes, et des craquements et sifflements qui résultent des perturbations extérieures. De ce point de vue, une communication ADSL peut être considéré comme une «transmission radio ondes moyennes sur ligne téléphonique» et elle est donc sujette aux mêmes distorsions et perturbations. En fonction du trajet emprunté par une ligne d'abonné entre le domicile et l'autocommutateur public, il n'est donc pas rare que des perturbations ponctuelles ou permanentes affectent les signaux ADSL. Si elles sont d'une nature continue, ces perturbations sont détectées et évaluées par les équipements ADSL au moment de la synchronisation, et les sous-porteuses correspondantes sont délaissées au profit de sous-porteuses plus fiables. A titre d'exemple, on constate que quasiment aucun équipement ADSL installé dans l'agglomération de Rennes n'utilise la sous-porteuse d'indice 165 car cette sous-porteuse est perturbée par les émissions de l'émetteur ondes moyennes de Rennes Thourie sur 711 khz. Mais les perturbations les plus gênantes pour les communications ADSL sont celles que l'on classe dans la catégorie du «bruit impulsionnel», car elles sont trop rapides pour être prises en compte efficacement par le dispositif de redistribution des données entre les sousporteuses. Ce type de perturbation résulte en général d'un défaut d'antiparasitage d'un dispositif électrique: moteur de deux-roues, moteur électrique de lave-linge, pompe de chaudière, gradateur de lampe halogène, four à micro-ondes, néon défectueux... Mais il existe parfois des causes plus inattendues: une pluie d'orage sur une ligne téléphonique aérienne entraîne également ce type de perturbation du fait de la charge électrique accumulée par les gouttes de pluie. D'autres perturbations peuvent être provoquées par une ligne téléphonique adjacente qui fonctionne dans des conditions anormales, par un mauvais fonctionnement de l'éclairage public des rues, ou encore ou par un filtre défectueux au niveau de l'armoire de brassage située dans le batiment de l'autocommutateur public. Ces perturbations peuvent affecter la communication en tout point du trajet physique de la ligne d'abonné, et être suffisamment gênantes pour entraîner des pertes de synchronisations répétées, suivies d'autant de tentatives de rétablissement de la connexion. Dans de telles conditions, la communication devient rapidement inexploitable. Ces phénomènes très complexes, heureusement rares, sont souvent mal perçus par les abonnés, qui ne comprennent pas que leur fournisseur d'accès ne soit pas toujours en mesure de faire le nécessaire pour que leur abonnement ADSL fonctionne de manière satisfaisante. De ce point de vue, pour un faible pourcentage d'abonnés, l'adsl reste une technologie dont la fiabilité est aléatoire, et on peut sans doute prédire un succès considérable aux prochaines offres d'abonnement basées sur une transmission optique (FTTH) car cette technologie est remarquablement immune aux perturbations électromagnétiques. Outre un niveau de performances bien supérieur en terme de débit, ces offres devraient donc apporter aux abonnés le niveau de fiabilité qui manque parfois à l'adsl. Applications de l'adsl L'ADSL est en général associé à la notion d'accès Internet à haut débit. Toutefois, l'adsl permet de transporter bien d'autres flux que le protocole TCP/IP. Il existe notamment des spécifications de transport de la téléphonie ou de la vidéo, segmentées en cellules ATM, directement dans l'adsl. Dans la pratique, les services de téléphonie sur ADSL ou de diffusion de programmes de télévision via l'adsl s'appuient tous sur une encapsulation des flux dans le protocole IP (parfois avec utilisation d'un circuit virtuel ATM dédié à chaque

8 flux, pour des raisons de séparation et de qualité de service). La télévision surlnpa qui signifie Ligne Numérique à Paire Asymétrique. ADSL, à présent très répandue, est donc en fait de la vidéo sur IP. De la même manière, les offres de téléphonie sur ADSL proposées par les opérateurs sont implémentées par des protocoles de VoiP. En-dehors des particuliers, ces services intéressent également les entreprises, pour lesquels l'adsl peut servir d'accès à un service de réseau privé virtuel (VPN) proposé par l'opérateur.

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