TRANSMISSION HAUT DÉBIT SUR PAIRE TÉLÉPHONIQUE Normes et techniques pour le raccordement d'abonné à haut débit xdsl Mots-clés Transmission, Internet, ADSL, xdsl, Haut débit, multimédia. par J.M.COROLLEUR, France Telecom R.& D. et M. BELLANGER, CNAM Avec les capacités de traitement maintenant disponibles, il est possible de mettre en oeuvre des techniques de transmission qui permettent aux lignes d'abonnés de transporter des informations numériques à des débits allant de quelques centaines de kbit/s à quelques dizaines de Mbit/s, selon la distance. Trois catégories de normes applicables à des usages différents ont été développées : l'adsl pour le raccordement à l'internet, l'hdsl/sdsl pour les abonnés professionnels et le VDSL pour la connexion multimédia.. Introduction Les avancées des techniques de transmission, couplées aux augmentations spectaculaires des capacités de traitement des processeurs de signaux permettent maintenant de transmettre des débits pouvant atteindre plusieurs Mbit/s, et même plusieurs dizaines de Mbit/s, sur la ligne d'abonné en paire de cuivre. Il devient donc possible d'exploiter les réseaux de cuivre déjà en place pour offrir des services à large bande, résidentiels et professionnels, avec comme application phare un accès à Internet à haut débit. Comme très généralement dans les télécommunications, la normalisation joue un rôle essentiel dans ce secteur, pour accompagner et harmoniser les progrès techniques, pour permettre l'interopérabilité des équipements et les raccordements aux réseaux et pour structurer les marchés. Pour chaque type d'application, la norme définit une combinaison de techniques de transmission qui permettent la réalisation d'émetteurs et de récepteurs exploitant efficacement les caractéristiques du canal. Ces techniques portent, notamment, sur le codage, la modulation, la détection optimale et la correction d'erreurs. Les applications ont été classées en fonction du débit nécessaire et du type de service. Le système ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line) correspondait initialement à un besoin de connexion à un serveur vidéo, pour lequel le débit dans le sens descendant, du central téléphonique vers l'abonné, était nettement supérieur au débit nécessaire dans l'autre sens. Il est apparu ensuite que ce contexte pouvait s'appliquer au raccordement rapide à l'internet. En revanche, les abonnés professionnels SYNOPSI. L'HDSL est un système à 2,32 Mbit/s en symétrie sur une, deux ou trois paires.. Le SDSL offre également des débits symétriques, mais modulables par pas de 8 kbit/s entre 92 kbit/s et 2,32 Mbit/s sur une seule paire.. L'ADSL propose quant à lui des débits différents sur les canaux remontant et descendant : au maximum 640 kbit/s sur le canal remontant et 6,44 mbit/s sur le canal descendant.. Le VDSL, dernier né des systèmes xdsl, offre des débits élevés, symétriques ou asymétriques, sur de courtes distances.. HDSL is a transmission system capable of delivering a symmetric 2.32 Mb/s bandwidth over one, two or three pairs.. SDSL also provides a symmetric bandwidth definable in 8 kb/s increments from 92 kb/s to 2.32 Mb/s over a single pair.. ADSL provides different bandwidths on the upload and download channels up to a maximum of 640 kb/s in the upload direction and 6.44 Mb/s in the download direction.. The latest of the xdsl systems, VDSL, provides both symmetric and asymmetric extended bandwidth over short distances.
Normes et techniques pour le raccordement d'abonné à haut débit xdsl ont besoin d'un débit symétrique car ils transmettent des données informatiques ou des signaux numérisés comme les conversations téléphoniques ; ce sont les systèmes HDSL (High bit rate DSL) et SDSL (Symmetric DSL). Pour amener certains services multimédias et en particulier la télévision numérique et ses multiples canaux chez l'abonné, il faut de très hauts débits et le système correspondant est le VDSL (Very high bit rate DSL). Les normes associées à ces applications vont être décrites, mais, auparavant, il peut être utile de présenter brièvement le processus de normalisation. 2. Le processus de normalisation Les comités de normalisation régionaux, l'etsi pour l'europe et l'ansi pour l'amérique du nord, sont très actifs dans le domaine des systèmes xdsl et produisent leurs propres normes. L'organisme mondial UIT-T, qui produit des " recommandations ", rédige un document unique et reprend généralement les spécifications des deux organismes précédents. Les sous-groupes régionaux de normalisation responsables de la définition de la couche physique des systèmes de transmission sont l'etsi/tm6 et l'ansi/tlel. Ils portent leurs spécifications à l'uit via des " liaisons ". Autour de ces trois principaux organismes, plusieurs forums se sont créés souvent dans le but d'accélérer la spécification d'un système de transmission ou de promouvoir telle ou telle technologie. Ces forums portent ensuite les résultats de leurs travaux à l'uit, à l'etsi ou à l'ansi pour obtenir des normes. La figure illustre cette situation. ATM Forum LUIT Les travaux sur l'xdsl sont couverts par la question 4 du groupe de travail nol de la commission 5. Ce groupe de travail a été créé en 997 et s'intéressait initialement aux systèmes HDSL et ADSL. Les travaux se sont depuis élargis aux systèmes SDSL, VDSL et PNT et à la définition d'un modèle de référence et des procédures d'initialisation des systèmes (handshake). Le DSL Forum L'ADSL Forum a été fondé en 994, initialement pour aider les opérateurs et industriels à bien appréhender le marché ADSL. Il est devenu le DSL Forum en 999, ce qui montre bien la volonté des participants d'élargir le domaine d'activité aux autres techniques DSL. Il a pour vocation d'écrire des spécifications sur les aspects xdsl qui ne sont pas couverts pas les autres organismes de normalisation. En effet, les systèmes xdsl sont des systèmes de transmission complets et complexes contenant, côté centre, un multiplexeur large bande (ATM), alimenté par des interfaces normalisées (STMI ou STM4), et délivrant, côté abonné, les signaux large bande par des interfaces du type Ethernet 0 Base T ou à 25,6 Mbit/s de l'atm Forum. Il est donc indispensable, par exemple, que les couches hautes de ce système (couches ATM, transport IP sur ADSL) soient compatibles avec les couches basses (couche physique). Il comporte deux volets, l'un marketing qui s'occupe des actions de promotion de l'adsl et l'autre technique qui traite de différents sujets tels que la VoDSL (Voice over DSL), l'interopérabilité, et les architectures. Le FSAN VDSL/xDSL (Groupe FSAN xdsl) que M Ce sous-groupe du groupe FSAN (Full Service Access Network) avait initialement comme objectif de spécifier la terminaison cuivre VDSL dans les architectures de réseau mixtes optique-cuivre. Composé exclusivement d'opérateurs, il avait une influence auprès des organismes de normalisation qui l'a poussé à élargir ses activités aux autres systèmes xdsl.. Relations entre les acteurs de la normalisation. Les principaux organismes et forums qui intéressent les acteurs européens sont donc les suivants : LETSIITM6 Le groupe TM6, qui fait partie du comité technique ETSI TM (Transmission and Multiplexing) a été créé en janvier 996. Il a pour intitulé " Access Transmission Systems On Metallic Cables " et est en charge de la définition de la couche physique pour les systèmes RNIS, HDSL, SDSL, ADSL et VDSL. 3. Etat d'avancement des spécifications Les travaux ayant commencé par l'adsl, c'est le système le plus avancé. 3. ADSL Comme son nom l'indique, l'adsl propose des débits différents sur les canaux remontant et descendant : au maximum 640 kbit/s sur le canal remontant et 6,44 Mbit/s sur le canal descendant. Les normes sont finalisées à l'ansi, à l'etsi, et à FUIT. Une variante nommée ADSL Lite existe, qui offre des débits inférieurs avec un étalement spectral moins important. NI, 200
à ï, e,, TRANSMISSION HAUT DÉBIT SUR PAIRE TÉLÉPHONIQUE A l'ansi, la norme est référencée TI.43 ; la version a été finalisée en 995 et la version 2 en 997. L'UIT a repris les spécifications de l'ansi dans la recommandation G.992. pour l'adsl classique et G.992.2 pour l'adsl Lite et les a adoptées en 998. Deux révisions des normes sont actuellement ouvertes, G.dmt.bis pour G.992. et G.lite.bis pour G.992.2. L'ETSI, dans la norme TS 0 388, se contente de reprendre les recommandations de l'uit, en y ajoutant les spécificités européennes. L'ADSL ainsi défini propose deux modes de transport, ATM ou STM. La modulation retenue est une modulation multiporteuse, la modulation DMT (Discrete MultiTone modulation). Elle consiste à diviser le canal de transmission en 256 sous-canaux. Chaque sous-canal correspond à une porteuse éloignée de 4,325 khz de ses voisines. Cette modulation offre une bonne résistance au bruit à spectre étroit, et permet d'adapter finement le débit en fonction du bruit stationnaire présent sur la ligne. La modulation à 256 sous-porteuses conduit à un étalement de spectre de 256*4,325= 04 khz. Un codage de Reed-Solomon est prévu par les normes ; il permet d'améliorer les performances en corrigeant les erreurs qui peuvent survenir lors de bruits impulsifs sur la ligne par exemple, si leur nombre reste inférieur à la capacité du code. Pour les deux sens de transmission, deux techniques de séparation sont possibles : FDD (Frequency Division Duplexing) ou annulation d'écho (AE). Le transport des services en bande de base est assuré par la non utilisation des porteuses en basse fréquence. Il existe, de ce fait, deux types d'adsl, spectralement incompatibles : l'adsl/pots (téléphonie classique en bande de base) et l'adsl/isdn (RNIS en bande de base). Les bandes de fréquence utilisées par les canaux remontant et descendant dans ces différents cas sont représentés à la figure 2. ADSL/POTS FDM --- M 38 ----Î.- -7 3-3 ADSUPOTS AE ADSL/RNIS FDM ADSURNIS AE -Z-! a 3 25, n. 75 255, n' 33 57? -- l 33.63 25 n' 2. Répartition spectrale des canaux ADSL. 5r> reporteuses n'porteuses - n'porteuses n'porteuses Dans le cas de l'adsl Lite, on utilise moins de porteuses, les débits proposés sont plus faibles, et les portées moindres, mais les systèmes consomment moins et sont moins polluants dans le domaine spectral. Initialement, les systèmes Lite étaient prévus sans filtre (splitterless à l'uit), mais cette option pose des problèmes de mise en oeuvre. 3.2 HDSL Le plus ancien des systèmes xdsl, déjà largement déployé, le High bit rate DSL, normalisé à l'etsi sous la dénomination TS 0 35, propose un débit de 2,32 Mbit/s en symétrique sur une paire, deux paires (le débit sur chaque paire est alors de 68 kbit/s), ou trois paires (le débit sur chaque paire est alors de 784 kbit/s). Les modulations proposées sont, au choix, 2B Q (2 Binary Qaternary) ou CAP (Carrierless Amplitude Phase), et la séparation des canaux se fait par annulation d'écho. La présence d'un ou plusieurs répéteurs est autorisée, que le système soit mono ou multipaire. Différentes interfaces sont possibles, G703, G704 ou Vil. Dans ce domaine, l'uit se contente de reprendre les spécifications de l'etsi sous le nom G.99., recommandation définitivement adoptée en 998. Les performances en portée des systèmes HDSL sont les suivantes : - données en affaiblissement à 50 khz :. 22 db pour les systèmes à une paire,. 27 db pour les systèmes à deux paires (environ 2,4 km sur câble 4/0), 9 3 db pour les systèmes à trois paires. Le système HDSL n'existe pas en tant que tel à l'ansi. Par contre il existe une norme HDSL2, qui définit un système de transmission à,544 Mbit/s sur une paire. La technique de transmission utilisée est appelée OPTIS, pour Overlapped PAM Transmission with Interlocking Spectra, et utilise la modulation PAM (Pulse Amplitude Modulation) 6 codée en treillis (TCPAM 6). Il faut noter que ce système pose des problèmes de téléalimentation. 3.3 SDSL Ce système (Symmetric DSL) offre, comme le précédent, des débits symétriques mais modulables par pas de 8 kbit/s entre 92 kbit/s et 2,32 Mbit/s. Il devrait ainsi permettre de répondre à de nouveaux besoins tels que le raccordement de télétravailleurs, de petits PABX, voire d'internautes, ou même être utilisé pour des liaisons louées à bas débits. L'idée n'est pas nouvelle, mais faute de débouchés clairement visibles, les travaux à l'etsi n'ont réellement commencé qu'au début de l'année 998. A l'etsi, la norme TS 0 524 se compose de deux parties : - Partie : " Functional requirements " adoptée début 2000, - Partie 2 : Transceiver " requirements " adoptée en juin 2000. NI Janvier 200
Encart Nol - MODULATION PAM La modulation PAM (Pulse Amplitude Modulation) est une modulation en bande de base, avec des symboles multiniveaux. Par exemple PAM-6 signifie que les symboles possèdent 6 niveaux et portent 4 bits d'information. Les symboles sont réels, et leur spectre est représenté à la figure, qui montre la bande de base et les bandes images autour des multiples de la fréquence des symboles fs. Le spectre transmis est limité par filtrage et D (f) il comprend la bande de base et une partie de bande image... bande image. C'est une modulation simple et robuste, qui est généralement associée à un codage en treillis, par exemple avec une V ; redondance de /3 et un décodage à maximum Io o fs de vraisemblance. Cette approche fournit un...... bande base fs f gain de codage important (4-6 db), mais peut conduire à une grande complexité du du décodeur. déco-. Spectre des données à transmettre. Des révisions de ces normes ont été ouvertes, en particulier pour permettre l'étude de nouvelles techniques de transmission. La modulation retenue est la modulation PAM (Pulse Amplitude Modulation) 6 codée en treillis. La séparation des canaux se fait par la méthode d'annulation d'écho. La modulation 2B Q proposée sur certains systèmes spécifiques à des constructeurs est une modulation de la famille PAM, en fait une PAM 4, ce chiffre indiquant le nombre de niveaux sur lesquels on code les éléments binaires. Ainsi, pour la modulation PAM 4, les éléments binaires sont codés sur 4 niveaux, pour la modulation PAM 6, sur 6 niveaux. Il faut souligner que plus ce chiffre est élevé, plus la bande passante nécessaire pour faire passer un débit donné est réduite. En contrepartie, la sensibilité au bruit est accrue. Pour le SDSL, la modulation PAM 6 est associée à un codage en treillis (TC PAM 6), également appelé codage d'ungerboeck pour UC PAM6. Chaque symbole correspond ainsi à 3 bits d'information associés à bit de codage. Avec cette modulation, le spectre utilisé est fonction du débit. De plus, les basses fréquences ne sont pas disponibles pour le transport de services en bande étroite (téléphonie classique). Pour assurer de tels services, il faut les passer dans la trame SDSL, mais la méthode pour effectuer cette opération n'est pas encore définie. La puissance maximale émise sur la ligne est limitée à 3,5 dbm pour les débits strictement inférieurs à 2048 kbit/s. La limite est un peu plus élevée pour les débits supérieurs. Pour augmenter les performances des systèmes, en particulier en portée, la norme propose l'utilisation de masques de fréquence asymétriques pour les débits 2048 kbit/s et 2304 kbit/s. Le débit reste symétrique, la modulation utilisée reste la PAM 6 dans les deux sens de transmission, mais le spectre du canal descendant est plus étalé en fréquence. Le spectre du canal remontant reste le même pour assurer la compatibilité spectrale des systèmes. Il a été envisagé d'utiliser des modulations différentes pour les deux canaux d'une liaison (par exemple PAM 32 et PAM 6), mais c'est une option qui reste à l'étude pour le moment. A l'uit, le système SDSL est décrit dans la recommandation G99.2, désignée aussi par G.SHDSL (Single pair High speed DSL), et qui devrait être adoptée en février 200. Elle reprend les spécifications de l'etsi, avec, comme différence notable, la possibilité de concevoir des systèmes multipaires. Deux annexes existent :. L'annexe européenne qui reprend intégralement les spécifications ETSI,. L'annexe américaine qui propose en option un système OPTIS à,544 Mbit/s. 3.4 VDSL Le dernier-né des systèmes xdsl offre des débits élevés, symétriques ou asymétriques, sur de courtes distances. Les premières recommandations VDSL sont sorties de DAVIC (Digital Audio Visual Council) qui proposait principalement un débit 52/,62 Mbit/s pour un système point-multipoint. Aujourd'hui, le VDSL est défini à l'etsi dans la norme TS 0 270. Les travaux ont commencé en 995. Ils étaient initialement axés sur des systèmes point à point avec des applications professionnelles (symétriques) et résidentielles (asymétriques). On considère maintenant deux scénarios : FTTEx (la fibre s'arrête au central), et FTTCab (la fibre va jusqu'à la sous-répartition). Les spectres autorisés sont différents dans les deux cas. La bande de fréquences utilisée s'étale de 38 khz à 2 MHz. La possibilité de faire passer des services à bande étroite (téléphonie classique ou RNIS) en basse fréquence est donc assurée. Par contre, cet étalement important du spectre oblige à prendre en considération les bandes des radio-amateurs. NI 200
.',...,) TRANSMISSION HAUT DÉBIT SUR PAIRE TÉLÉPHONIQUE Encart N02 - LA MODULATION CAP C'est une modulation à symboles complexes, comme la modulation QAM, mais sans porteuse explicite (Carrierless Amplitude Phase modula- Bande image bande image tion). Le filtrage intervient directement sur le signal à transmettre, dans la bande de fréquence de la transmission. En effet, le signal à transmettre possède un... I/T spectre périodique, comme le montre a figure et il suffit de transmettre une bande de largeur H (fi Filtre complexe égale à la fréquence symbole, qui peut, en principe, être positionnée arbitrairement. C'est le filtre à coefficients complexes qui est placé fcc convenablement sur l'axe des fréquences. 0 f La figure 2 donne le schéma de principe du lit modulateur CAP, avec les données complexes. Signal à transmettre etfiltre. et Q, l'élévation de fréquence d'échantillonace qui définit le domaine spectral où va être effectuée la transmission et les filtres réels, en phase et en quadrature. Le signal numérique réel obtenu est ensuite converti en analogique pour d (n) l'émission. Q 4 Hd /T 4/T 4/T f 2. Schéma de principe de l'émetteur CAP. Les débits proposés par la norme vont jusqu'à 28/28 Mbit/s en symétrique, ou 26/3 Mbit/s en asymétrique sur de courtes distances. Deux groupes d'industriels s'affrontent pour le choix de la modulation, ce qui ralentit le processus de normalisation : - Alcatel, Ericsson, STM ou TI par exemple, défendent le choix d'une modulation DMT comme pour l'adsl, - Lucent, Broadcom, Orckit ou Infineon, proposent une solution basée sur une modulation monoporteuse, CAP ou QAM. On a décidé de diviser la plage de fréquence en quatre bandes entre 0,38 MHz et 2 MHz, deux pour le canal remontant et deux pour le canal descendant. Deux plans de fréquences spectralement incompatibles sont donc inclus dans la norme. A l'etsi, la norme se divise en deux parties : TS 0 270- " VDSL functional requirements ", dont la dernière version a été publiée en octobre 99 et qui décrit de façon générale (débits, modèle de bruit, PSD, de la modula- etc.) les systèmes VDSL, indépendamment tion choisie.. TS 0 270-2 " VDSL transceiver requirements ", qui est en cours de finalisation et décrit les spécifications pour chacune des deux modulations, mono ou multi-porteuse. Cette partie inclut les fonctionnalités des sous- couches (OAM,PMD et TC) et décrit les deux plans de fréquences cités précédemment. Les courtes portées du VDSL produisent un environnement où la télédiaphonie est le principal perturbateur. Pour pallier cet inconvénient et améliorer les performances en portée, il a été décidé que les canaux remontants des systèmes seraient émis avec une puissance variable selon la distance du client au central ; c'est la technique du Power Back Off (PBO). Cette technique, qui doit être définie dans la partie 2 de la norme, est toujours à l'étude à l'heure actuelle. A l'uit, le VDSL est traité par la question 4 du groupe 5. Contrairement à l'etsi, il a été décidé de ne retenir, à terme, qu'une seule modulation, mais les critères techniques pour se prononcer en faveur de l'une ou l'autre font défaut. L'UIT reprend généralement les spécifications de l'ansi et de l'etsi sur le VDSL. L'ANSI (TlEl.4) a décidé l'adoption pour 24 mois d'un standard pour test avec édition de trois documents, un pour chaque modulation et un document commun. 4. Conclusion Plusieurs systèmes xdsl sont encore en phase de normalisation, et le déploiement n'en est encore qu'à ses débuts, sauf pour le système HDSL. Dans ce contexte, et en tenant compte du dégroupage de la boucle locale, l'in- No j,., i, 200
Encart N'3 - LA MODULATION DMT La modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ou DMT (Digital MultiTone) utilise un ensemble de N porteuses réparties uniformément sur l'axe des fréquences et elle est mise en oeuvre par le calcul d'une transformée de Fourier discrète (TFD). Ainsi, pour un bloc de N données complexes X (k), la TFD inverse réalise une modulation QAM pour chaque entrée, avec N porteuses aux fréquences multiples de I/T, fréquence des symboles, et fournit un ensemble de N données qui sont converties en série pour obtenir le signal à transmettre x (n). La figure illustre ce traitement. Pour éviter le chevauchement des symboles en réception, dû à la réponse impulsionnelle du canal, il faut introduire un temps de garde Tg à l'émission. Si ce symbole i symbo! ei+] temps de garde est inférieur à la durée e la réponse impulsionnelle de la ligne N données N dqnnées d'abonné, il faut introduire en réception données parallèle temporelles parallèle temporelles un égaliseur temporel capable de rac- Complexes TFD-l TFD' courcir suffisamment cette réponse. (k) sene x (n) x (n) X (k) série Pendant la durée du temps de garde Temps de garde Tg Tg. est introduit un préfixe qui est une répétition d'une partie des signaux x (n). Emetteur OFDMIDMT et temps de garde. teropérabilité des systèmes devient un enjeu majeur. Or, actuellement, on constate des difficultés pour obtenir une réelle interopérabilité des modems. L'UIT se propose d'émettre une recommandation (G. Handshake) sur les protocoles entre équipements de centre et modems clients ; c'est une condition nécessaire mais non suffisante pour assurer l'interopérabilité, surtout que cette recommandation ne concerne que les processus de synchronisation. Il faut noter également l'initiative de l'adsl forum qui tente de mettre en place un laboratoire de certification d'interopérabilité entre constructeurs. Ce laboratoire, situé aux USA, dans le New Hampshire, a accueilli des tests d'interopérabilité de systèmes ADSL dans le cadre du salon " Supercomm ". Bibliographie [ VV.Y.Chen, " DSL : S [mu ation Techniques and Standards Development for Digital Subscriber Line Systems' ; Mac Millan, Indianapols, 998. [2] T.Starr. J.Cioffi and PSilverman,.. Understandmg Digital SubscriberTechnology' ; Prentice Hall, 999. Les auteurs Jean-Marc COROLLEUR est diplômé de l'ecole Nationale Supérieure des Télécommunications de Bretagne. Après avoir été chargé des études de faisabilité sur les systèmes XDSL à France Telecom R &D, il est actuellement responsable du laboratoire des tests en transmission xdsl. Il participe à ce titre aux comités de normalisation ETSI TM6 et TU/COM5/Q4 ainsi qu'aux groupes de travail FSANxDSLetFS-VDSL.