Introduction `a la technologie ADSL

Introduction à la technologie ADSL
Dominique Rochefort
30 mars 2004
Origine de l’ADSL
Depuis la découverte d’Alexander Graham Bell, le réseau téléphonique s’est étendu
pour rejoindre le plus de foyers possibles et ainsi permettre aux personnes de communiquer à distance. Cette communication se fait par l’entremise de signaux électriques
transmis sur un réseau physique de câbles électriques constitués de fils de cuivres
torsadés en paires (twisted-pairs).
Ce type de médium est caractérisé par des pertes minimales causant peu de distorsion entre 300 et 3100 kHz environ. C’est pourquoi la norme téléphonique utilise
cette bande pour la transmission des conversations.
Les technologies modem conventionnelles ont toujours utilisé cette même largeur de bande pour la transmission de données entre deux ordinateurs sur le réseau
téléphonique. Ces technologies ont pu atteindre des débits typiques de 33.6 kbps et
allant jusqu’à 56 kbps en utilisant la même bande que celle utilisée par le réseau
téléphonique, soit entre 0 et 4 kHz. Il est évident que ce type de technologie ne permettait pas l’utilisation simultanée du téléphone et du modem.
Lorsqu’on examine les caractéristiques du canal de transmission (le câble téléphonique), on réalise qu’en réalité, il est possible de transmettre sur des fréquences allant
jusqu’au mégahertz si la longueur du câble ne dépasse pas quelques kilomètres (la
norme est 6 km). Par contre, le canal ne peut plus être considéré comme AWGN à
haute fréquence et cause des pertes variables pouvant aller jusqu’à plusieurs dizaines
de décibels ainsi que du bruit non-gaussien causé par l’équipeemnt de commutation
et le couplage capacitif. Donc pour pouvoir transmettre des données jusqu’à 1 Mhz
sur une paire torsadée, il faut avoir recours à des techniques de modulation avancées.
Un calcul simple nous permet d’évaluer les possibilités d’un telle technologie. En
supposant qu’un modem conventionnel atteint 33.6 kbps sur une largeur de bande
de 4 kHz, une règle de 3 nous permet de supposer qu’on puisse atteindre jusqu’à 8.4
Mbps ! En pratique, ce rythme de transmission sera nécessairement moindre à cause
de la mauvaise qualité du canal de transmission en haute fréquence. Contrairement
au modem conventionnel, la technologie ADSL permet l’utilisation du téléphone en
même temps qu’on utilise le modem.
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Principe du modem ADSL
Le nom ADSL signifie Asymmetric Digital Subscriber Line. On dit que la connexion est asymétrique parce que le canal montant (upstream : du client vers l’Internet)
est de plus faible débit que le canal descendant (downstream : de l’Internet vers le
client). En effet, on constate que lorsqu’un utilisateur normal navigue sur l’Internet la quantitée de donnée téléchargées est en général de loin supérieure au données
envoyées, et c’est ce que la technologie ADSL reflète. Pour utiliser le téléphone et
le modem simultanément, on utilise un splitter qui est constitué de deux filtres, un
passe-bas permet d’extraire la voix, et un passe-haut permet d’extraire les données
provenant de l’Internet.
L’ADSL est utilisable lorsque la distance de câble entre le modem et le répéteur
le plus près est inférieure à 6 kilomètres. Cette condition est remplie dans 80% des
cas dans les pays industrialisés.
La bande disponibles est divisée comme suit :
– La bande 0 − 4 kHz est réservée au service téléphonique.
– Bande de garde entre 4 et 26 kHz. Cela permet la design de splitter simple pour
permettre d’isoler la communication téléphonique de la communication Internet
DSL.
– La bande 26 − 1100 kHz est utilisée par le modem ADSL pour transmettre
et recevoir les données de l’Internet. Cette bande transmet en utilisant une
modulation multicanal qu’on appelle DMT (Discrete Miltitone). Cette bande
sera à son tour divisée en deux parties, le sens montant et le sens descendant.
Fig. 1 – Séparation du spectre sur le canal de transmission.
La section suivante présente un survol de la modulation DMT appliquée au modem
ADSL.
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Discrete Multitone (DMT)
Les caractéristiques du canal de transmission entre 4 kHz et 1 MHz ne sont pas
AWGN et causent de la distorsion d’amplitude et de délai de groupe. Pour cette
raison, les techniques de modulation vues précédemment dans le cours GEI500 ne
permettent pas d’utiliser efficacement la largeur de bande disponible.
L’idée d’une modulation multicanal est de subdiviser un canal à large bande en
une multitude de sous-canaux de communication à bande étroite. Dans le cas du modem ADSL, on divise la bande de 26 à 1100 kHz en 256 sous-canaux de 4 kHz avec
une bande de garde de 300 Hz entre chacun des sous-canaux. Chaque sous-canal peut
alors être considéré AWGN à cause de la faible largeur de bande. Par contre chacun
possède un SN R qui lui est propre et qui peut varier dans le temps.
Au cours de l’opération du modem, le système DMT observe constamment l’état
du SN R sur chacun des canaux. Si un canal preésente une atténuation importante,
DMT diminuera le nombre de bits transmis à travers celui-ci. Dans le cas contraire,
un canal qui présente un SN R grand se verra attribué plus de bits. Ce faisant, DMT
optimise la transmission selon les conditions de canal à un instant donné et essaie de
maintenir la probabilité d’erreur sous la barre de 10−7 .
Chacun des 256 canaux transmet un nombre k de bits (M = 2k symboles) via une
modulation QAM sur une porteuse analogique sinusoı̈dale. Les constellations QAM
sont de configuration variable selon le nombre de bits transmis à un instant donné :
le nombre de symboles varie dans le temps.
En utilisant cette technologie, le modem ADSL atteint un débit moyen de 1.544
Mbps downstream et 160 kbps upstream en assurant une probabilité d’erreur presqu’en
tout temps inférieure à 10−7 . Ce type de subdivision de la transmission bidirectionnelle respecte les exigences des réseaux IP qui nécessite au moins 10% de la largeur
de bande totale pour que l’opération normale des protocoles ne se fasse pas ressentir
du point de vue de l’utilisateur.
La technologie DMT présente les avantages suivants :
1. La capacité d’optimiser le taux de transmission en tenant compte des conditions
du canal.
2. La capacité de s’adapter aux conditions changeantes sur la canal par le partitionnement en une multitude de sous-canaux.
3. La réduction de la sensibilité au bruit impulsionnel causé par le régime transitoire de équipements électroniques de commutation.
ADSL et modems conventionnels
Les modems conventionels utilisant la bande téléphonique peuvent transmettre
jusqu’à 56 kbps. Nous venons de voir que la technologie ADSL transmet à un rythme
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Fig. 2 – Adaptation des sous-canaux au canal de transmission en DMT
variable pouvant atteindre plus de 1 Mbps. Et même, nous savons maintenant qu’il
est possible de pousser encore cette technologie pour opérer à des taux de transmission maximal avoisinant les 30 Mbps dans le cas de VDSL (Very-High-Rate DSL) en
modifiant l’équipement de commutation sur le réseau téléphonique. Cela donne un
attrait incomparable à la technologie DSL qui, de surcroı̂t, permet un accès Internet
indépendant du réseau téléphonique en utilisant la même infrastructure. Ceci explique
la rapidité avec laquelle cette technologie s’est répandue.
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