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Dossier : L'ADSL
(Article écrit par Jean-Marie Landa - juin 2006)


Introduction

Dans notre sujet du jour, après avoir vu les principaux supports de transmission et les bases et les modulations radio, nous aborderons maintenant la mise en place de l'ADSL en France à travers une parenthèse historique, puis nous allons nous pencher d'une manière plus détaillée sur sa technique.

Nous verrons trois exemples de déploiement xDSL, un mot sur une situation géographique, une petite visualisation en image d'une connexion type PPoE vue de l'internaute, ainsi que le branchement d'un modem 56 kbp/s en secours de panne.

1. La longue parenthèse historique française

Encore en phase expérimentale au milieu des années 1990 avant sa ratification en 1998, l'ADSL (Asymetric bit rate Digital Subscriber Line) utilise les fréquences non vocales sur les paires de cuivre du réseau téléphonique pour permettre la transmission de données entre le modem ADSL du client et le DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) installé à l'autre extrémité physique de la paire de cuivre nommée : la boucle locale. Le débit est asymétrique et dépend de sa qualité. Le DSLAM joue un rôle très important dans l'architecture du réseau puisqu'il se situe à la frontière entre la boucle locale et le réseau de collecte de l'opérateur. Cet équipement permet également de concentrer tous les canaux de télévision de TPS ou Canal+ pour les distribuer vers l'internaute, le zapping des chaînes se faisant au niveau du DSLAM.

A l'issue d'une consultation internationale, France Télécom (aujourd'hui Orange) a sélectionné dans un premier temps Alcatel, Sagem, ECI Telecom et Lucent Technologies comme fournisseurs d'équipements d'accès ADSL.

DSLAM
DSLAM Alcatel

DSLAM
DSLAM ECI

Broadband Access Server Redback
Broadband Acces Server Redback

Dans la majorité des cas, compte tenu de la qualité et de la topologie du réseau téléphonique en France à ce jour, le débit théorique à destination du client final est largement supérieur à 512 kbits/s, et peut donc être qualifié de "haut débit". Si le modem ADSL du client est connecté à un ordinateur, et le DSLAM à un réseau de transport de données, puis à Internet, et sous réserve du dimensionnement des équipements techniques de l'ensemble de la chaîne, le client final peut accéder à Internet à "haut débit".

1.2 Les principales offres intéressant potentiellement le marché résidentiel

Pour établir un marché équilibré et concurrentiel, France Télécom a publié plusieurs offres permettant aux opérateurs alternatifs et FAI de proposer des services xDSL aux clients finaux.
  • L'offre de référence dégroupage total : qui permet aux opérateurs et FAI (Fournisseurs d'Accès à Internet) d'installer leurs propres DSLAM dans les locaux de France Télécom ou à proximité, à l'extrémité d'une paire de cuivre dite alors "dégroupée" entre leurs équipements et le client final. L'opérateur et le FAI maîtrisent alors complètement la chaîne technique du service offert à l'abonné. Cependant, les conditions de l'offre actuelle et l'intensité capitalistique nécessaire à un déploiement national ne permettent pas d'envisager que des opérateurs proposeront des services ADSL à destination des clients résidentiels à court terme en dehors des villes à très forte densité de population et d'activité.

  • Le dégroupage partiel : ou accès partiellement dégroupé à la boucle locale, consiste en la mise à disposition de l'opérateur tiers de la bande de fréquence haute de la paire de cuivre, sur laquelle il peut alors construire, par exemple, un service ADSL. La bande de fréquence basse (celle utilisée traditionnellement pour le téléphone) reste gérée par France Télécom, qui continue de fournir le service téléphonique à son abonné, sans aucun changement induit par le dégroupage.

  • L'offre ADSL Connect ATM : qui permet aux opérateurs de collecter en cours de région ADSL, le trafic de données en mode ATM (Asynchronous Transfer Mode) avant de l'acheminer vers un FAI. Sa structure permet à l'opérateur et au FAI de maîtriser le dimensionnement des faisceaux de transport et le BAS (Broadband Access Server ou équipement de connexion au réseau IP Internet) et donc une partie importante des facteurs, limitant potentiellement la qualité de service et le débit offert au client final.
    Sa structure apparaît cependant complexe et coûteuse à mettre en oeuvre.

  • L'offre IP/ADSL : plus simple, qui est principalement destinée aux FAI. Elle permet aux FAI de se faire livrer le trafic en des points de collecte régionaux et nationaux, en IP. Ils maîtrisent peu la qualité du service offert au client final. Les accès IP-ADSL sont raccordés sur un BAS avec lequel est établie une session PPP sur ATM.
En conséquence, le transport de données issu de l'ADSL résidentiel est aujourd'hui sans conteste en majorité assuré par Orange (France Télécom à l'époque) via son réseau ATM, les autres opérateurs disposant de parts de marché marginales.

Ces offres n'ont pas été respectées quant aux délais, obstruction systématique des homologations modems, et aux tarifs... partout en France les tribunaux sont submergés et les recours arrivent devant le Conseil d'État avec de lourdes condamnations financières. La guerre est déclarée, le bénéficiaire sera l'abonné.

Malgré tous ces problèmes, les abonnés à l'ADSL haut débit sont en constante progression, au premier trimestre 2006 ils sont 10,5 millions, 1 million de plus que le trimestre précédent, dont 3,15 millions dégroupés (950 000 dégroupés total en augmentation et 2,2 millions dégroupés partiels en stagnation). Il a fallu attendre fin 2004 pour véritablement assister a son décollage. Actuellement, en France, l'ADSL fait partie des solutions technologiques les plus prometteuses pour permettre le développement de l'accès Internet haut débit des clients résidentiels.

ADSL dégroupé
ADSL dégroupé

ADSL partagé
ADSL partagé

2. La technique ADSL

La technique de l'ADSL est une technique datant du milieu des années 1990 qui permet d'utiliser, sur de courtes distances, les lignes téléphoniques classiques (notre paire de cuivre) mais avec un débit très supérieur à celui des normes plus classiques (V34 ou V90), donc qualifiée de "haut débit". L'ADSL est multiplexée en FDM (Frequency Division Multiplexing), basée sur une modulation DMT (Discret Multi Tone) utilisant 256 sous-canaux, modulés indépendamment en QAM (Quadrature Amplitude Modulation) pour accélérer le débit et avec une bande passante de 1,1 MHz : nous allons détailler tout cela ci-dessous.

2.1 Le multiplexage FDM

L'ADSL fonctionne en full duplex grâce à FDM, permettant de faire transiter simultanément les signaux montants et descendants accompagnés également des signaux portant la voix téléphonique. La même technique étant utilisée également en ligne téléphonique dans l'organisation du groupe primaire, cette dernière consiste à regrouper 12 voix téléphoniques de 4 kHz chacune, (3 kHz utilisables plus 2 espaces inter-bandes de 0,5 kHz) ce qui donne une largeur de bande de 48 kHz répartie entre 60 et 108 kHz. Mais dans ce cas vous comprendrez aisément que toute technologie xDSL n'a plus sa bande passante haute et est donc impossible.

Exemple de trois lignes multiplexées
Exemple de trois lignes multiplexées

Voici l'illustration de ce multiplexage dans le cas où les fréquences pour les voies montantes et descendantes ont été clairement séparées. La séparation des canaux montants et descendants s'effectue par une bande suffisamment large à l'aide d'un multiplexage FDM de manière à éviter les phénomènes d'écho. Une autre méthode peut être utilisée, c'est celle de l'annulation d'écho. Elle consiste à mesurer en temps réel l'écho produit par le signal transmis, puis à soustraire le résultat du signal de manière à annuler l'écho.

Annulation d'écho Annulation d'écho

2.2 Les canaux de la bande passante

Multiplexage FDM
Multiplexage FDM

Le premier canal est utilisé par la téléphonie analogique. Appelé POTS (Plain Old Telephone Service), il constitue l'usage normal de la ligne téléphonique. Une barrière est réservée entre 4 kHz et 20 kHz, de manière à pouvoir facilement isoler le POTS de tout ce qui va se passer au-dessus.

Le splitter, filtre passe bas à placer sur chaque prise téléphonique, et filtre passe haut au modem, sont là pour séparer les deux services.
Entre 20 kHz et 200 kHz, on trouve les canaux qui serviront à l'émission des données.
Entre 200 kHz et 1,1 MHz, nous avons les canaux réservés à la réception des données.

Voici un conseil de filtrage. Nous savons que la ligne téléphonique arrive sur la première prise qui reçoit le filtre ADSL. Donc, coupez le départ vers les autres lignes internes et rebranchez ce départ sur la sortie bande basse du filtre par une prise gigogne. En conséquence, les autres prises téléphones n'ont plus besoin d'être filtrés.

Filtre ADSL
Filtre ADSL

Filtre gigogne
Filtre gigogne

2.3 Modulation DMT

Le principe de DMT est de diviser la bande passante disponible en un grand nombre de sous-bandes distinctes et de placer le signal numérique sur des porteuses analogiques. Le spectre utilisé est compris entre 26 kHz et 1,1 MHz.

Deux candidats étaient en lice pour l'offre ADSL : DMT (Discrete MultiTone) et CAP (Carrierless Amplitude Phase). CAP n'a pas été retenue par l'ANSI mais reste sus les rangs pour VDSL (Very high data rate Digital Suscriber Line). C'est donc DMT qui a été retenu depuis 1993 et finalisé en 1995 par le standard T1.413.

L'UIT (Union Internationale des Télécommunications) a confirmé le choix de DMT pour son standard ADSL en 1998, qui divise la totalité de la bande passante en 256 sous-canaux d'une largeur de 4,3 kHz. Ainsi, le 1er canal est réservé à la téléphonie. Les canaux 2 à 6 servent à séparer la voix des données numériques. Le flux montant occupe les 32 canaux suivants, et le flux descendant tous les 250 canaux restants.

Modulation DMT
Modulation DMT

Dans le cas où aucune zone de fréquence ne sépare les deux sens de communication et que l'annulation d'écho est en place, le maximum possible est de 15 bits/s par canal. Les zones de la bande passante pour lesquelles l'atténuation du signal est importante ou le rapport signal/bruit trop faible, auront moins de bits/s d'alloués afin de garantir une bonne qualité à la réception. Si la qualité est vraiment trop faible pour un canal, il peut ne pas être utilisé.

Le débit maximum théorique d'un tel système est donc de 15 bit/s x 4000 Hz = 60 kbit/s par canal. En fait, tel qu'il a été normalisé par ADSL. Le fait que la largeur de bande montante soit plus faible que la descendante explique le terme "asymétrique" dans la dénomination ADSL. De plus, certains sous-canaux sont utilisés pour la gestion de la transmission.

Un équipement ADSL doit être en mesure de moduler ou démoduler jusqu'à 256 porteuses. Vous comprenez que l'utilisation de la technologie mise en oeuvre pour le multiplexage FDM n'est pas envisageable sur un si grand nombre de porteuses. DMT est également candidate pour être la modulation normalisée pour VDSL.

2.4 Modulation QAM

Chacun des 256 sous-canaux est modulé indépendamment en utilisant la technique de QAM. Chacun des canaux définis par le multiplexage DMT en ADSL est modulé en QAM sur 15 bits au maximum soit : 32768 combinaisons d'amplitude et de décalage de phase sont donc nécessaires.

2.5 Procédure de transfert

Avant tout transfert de données, une procédure de négociation (handshake) est mise en place pour mesurer la qualité de la transmission et l'adapter en fonction de la ligne. On appelle cette technique "rate adaptative" (débit adapté), où l'on mesure le SNR (Signal to Noise Ratio) en décibels. Elle n'est pas fonction de la distance contrairement à l'atténuation, mais de la qualité de la ligne car elle est capable de diminuer le débit si la qualité de la transmission se dégrade.

Relation signal/bruit et chargement des canaux
Relation signal/bruit et chargement des canaux

Ajustement des débits par canal
Ajustement des débits par canal

Pour gagner encore en largeur de bande, et donc en débit, on peut envisager de rapprocher les deux espaces de fréquence mais il faut alors annuler les perturbations et le phénomène d'écho que subissent les signaux montant et descendant émis simultanément.

2.6 Portée et débit

Débit et portée
Débit et portée

3. Trois exemples du déploiement des techniques xDSL

Le déploiement de l'ADSL
Le déploiement de l'ADSL

Dans sa version Lite, la technique ADSL permet de connecter à Internet un particulier en utilisant simplement sa ligne téléphonique habituelle. ADSL Lite fait l'objet de la recommandation G.992.2 de l'UIT. Il reste basé sur DMT, mais utilise 127 sous-canaux, réduisant la bande totale à 550 kHz au lieu de 1,1 MHz. Les débits offerts sont de 1,5 Mbit/s en réception et 512 kbit/s en émission. Le filtre chez l'abonné n'est plus nécessaire, celui-ci est inclus dans le modem ADSL. C'est cette version d'ADSL que Orange (France Télécom) a choisi pour ses expérimentations.

Depuis le 27 mai 2005, l'ARCEP a autorisé la mise en place du ReADSL2 (Reach extended ADSL2). Il s'agit d'une évolution de la norme ADSL qui permet de prolonger la portée des signaux. Par rapport à la norme ADSL "classique" pour des débits allant jusqu'à 512 kbit/s, et donc d'améliorer l'éligibilité au haut débit pour les lignes longues du réseau commuté. Grâce au ReADSL2, les opérateurs peuvent donc proposer des accès large bande (jusqu'à 512 kbit/s) à des abonnés qui n'avaient jusqu'alors pas pu bénéficier de l'ADSL en raison de leur éloignement du central téléphonique.

En France, nous sommes donc passés de l'ADSL à l'ADSL2+ directement, cette norme IUT G 992-5 ratifiée en octobre 2004 est basée sur le doublement de la bande passante utilisée par l'ADSL première génération. Le spectre de fréquence va en effet jusqu'à 2,2 MHz au lieu de 1,1 MHz, il est donc double avec, en contrepartie, une portée réduite par rapport à l'ADSL, privilégiant de fait les abonnés les plus proches du central. Là ou l'ADSL permet pour l'instant un débit maximal de 8 Mbit/s pour la réception de données, c'est-à-dire en canal descendant, l'ADSL2+ autorise un débit théorique allant jusqu'à 24 Mbit/s pour les clients proches (environ 40 % des clients autour du central). Dans le sens remontant, le débit restera sensiblement le même, soit environ de 640 kbit/s à 1,2 Mbits.

4. Situation géographique

Cette possibilité (rate adaptive) d'ajustement à la qualité de la ligne en fait une technologie particulièrement adaptée au Réseau Téléphonique Commuté (RTC) dont la qualité peut être très inégale suivant les localisations géographiques.

Par exemple : pourquoi, bien que nous disposions de l'ADSL2+ au DSLAM, je n'ai pas remplacé mon routeur modem ADSL (8 Mbit/s) par un modem ADSL2+ (25 Mbit/s) ? Simplement parce que je suis distant du DSLAM de 1610 mètres (l'atténuation de la ligne est de 33 db), et que, par conséquent le gain que pourrait nous offrir le modem ADSL2+ n'est pas d'un grand intérêt. Mon débit descendant est déjà de l'ordre de 7 Mbit/s, et même si ma ligne ne faisait que 50 mètres, je ne pourrais obtenir que 12 Mbit/s, car j'habite une zone électromagnétique fortement perturbée (proximité de la gare SNCF, d'un hôpital et 22 800 lignes).

5. Exemple d'une connexion ADSL

5.1 État de la connexion PPP

État PPP-Connexion Internet
État PPP-Connexion Internet

Le processus de connexion est le suivant : le modem du client appelle le numéro de téléphone du fournisseur d'accès et la connexion téléphonique s'établit si l'un au moins de ses modems est libre. L'identification du client se fait par envoi d'un nom d'utilisateur et d'un mot de passe soit directement par l'utilisateur, soit selon l'un des deux protocoles suivants : PAP (Password Authenticate Protocol) ou CHAP (Challenge Handshake Authenticate Protocol). Pour PAP, le serveur de communication, le BAS envoie au modem un paquet pour demander le nom d'utilisateur et le mot de passe (IP) et le modem renvoie ces informations directement en clair.

CHAP fonctionne de la même manière, sauf que le serveur de communication RADIUS (Remote Authenticate Dial In User Service) envoie d'abord une clé qui va permettre de crypter l'envoi du nom d'utilisateur et du mot de passe, il n'est donc pas envoyé en clair contrairement à PAP. Une fois l'identification du client contrôlée, le BAS, envoie une adresse IP, dite "dynamique" car elle varie selon les connexions à l'ordinateur client qui à partir de là est intégré au réseau Internet. Une fois que la session PPPoE est ouverte, les données PPP sont envoyées comme dans l'encapsulation PPP avec une adresse IP WAN pour tout le temps que durera sa connexion, de 24 heures à 72 heures.

5.2 État ADSL couche physique

État ADSL-Couche physique
État ADSL-Couche physique

Fondamentale, la couche physique (couche 2 de l'OSI), fournit les moyens mécaniques, électriques, fonctionnels et procéduraux nécessaires à l'activation, au maintien et à la désactivation des connexions physiques destinées à la transmission de bits entre deux entités de liaison de données. La couche physique définit le type de signaux émis (modulation, puissance, portée...), la nature et les caractéristiques des supports (paire torsadée, fibre optique...), le SNR (Signal to Noise Ratio), l'affaiblissement de la ligne et les sens de transmission quant à leurs débits montants et descendants.

5.3 État du trafic ATM

État du trafic ATM
État du trafic ATM

La technique ATM (Asynchronous Transfer Mode) est basée sur la segmentation des données en cellules de taille unique (ce qui la différencie d'un paquet, qui est de taille variable). Ce choix avait pour but une mise en oeuvre aisée tant sur des liaisons bas débit que des liaisons haut débit, des liaisons générant un trafic continu que des liaisons générant un trafic de type transactionnel. L'en-tête de la cellule contient l'information permettant à chaque cellule de trouver son chemin : elle indique, entre autres, l'identité du canal virtuel (VCI, Virtual Channel Identifier) auquel la cellule appartient. Le VCI est local au commutateur, il est réécrit à la sortie de chaque commutateur, prenant une nouvelle valeur pour le prochain noeud. Ce mécanisme évite une allocation du VCI sur tout le réseau.

L'équipement fondamental est le BAS (Broadband Access Server) qui possède des interfaces ATM côté réseau de collecte d'accès ADSL et des interfaces Ethernet côté backbone IP. Le BAS est aussi le point de collecte des flux ATM provenant des DSLAM concernant les offres IP/ADSL. Le BAS Redback permet le raccordement de 2000 accès pour un débit moyen descendant de 100 kbit/s par ligne connectée. Dans les BAS, les connexions sont de type VC UBR. Pour chaque port STM-1 du BAS, les connexions VC sont identifiées dans les deux sens par un couple VPI/VCI tel que VPI = 1, 2, 3 à 255 et VCI = 32 à 4095.

5.4 État de la connexion TCP

État Connexion TCP
État Connexion TCP

TCP (Transmission Control Protocol) est l'un des deux principaux protocoles de la couche 4 de l'OSI, avec l'UDP (User Datagram Protocol). Tous les deux utilisent IP comme couche réseau, mais TCP procure une couche de transport fiable (alors même que IP ne l'est pas), tandis que UDP ne fait que transporter de manière non fiable des datagrammes.

Tout au long de la connexion, TCP échange un flux d'octets sans qu'il soit possible de séparer par une marque quelconque certaines données. Le contenu des octets n'est pas du tout interprété par TCP, c'est donc aux applications d'extrémité de savoir gérer le flot de données. L'extrémité demandant l'ouverture de la connexion, est le client. Il émet un segment SYN (où le bit SYN est fixé à 1) spécifiant le numéro de port du serveur avec lequel il veut se connecter.

La terminaison d'une connexion peut être demandée par n'importe quelle extrémité et se compose de deux demi-fermetures puisque des flots de données peuvent s'écouler simultanément dans les deux sens. L'extrémité qui demande la fermeture, le client, émet un segment où le bit FIN est fixé à 1 et où le numéro de séquence vaut N'.

Le récepteur du segment l'acquitte en retournant un ACK=N'+1 et informe l'application de la demi-fermeture de la connexion. À partir de là, les données ne peuvent plus transiter que dans un sens (de l'extrémité ayant accepté la fermeture vers l'extrémité l'ayant demandée : le client), et dans l'autre seuls des accusés de réception sont transmis. Quand l'autre extrémité veut fermer sa demi-connexion, elle agit de même que précédemment ce qui entraîne la terminaison complète de la connexion.

5.5 Le petit journal

Le petit journal d'une connexion
Le petit journal d'une connexion

Pour clore ce chapitre 5, voici ce qui se passe lors de ma connexion (modem ADSL SX500 et abonnement chez Télé2 ADSL).

6. Utilisation d'un modem 56 kbps en même temps que l'ADSL

Son fonctionnement présente une anomalie quand l'ADSL est installé. En l'utilisant normalement, avec sa prise gigogne, derrière la gigogne ADSL, le fonctionnement est aléatoire et le débit plafonne à 28 kbps. En supprimant la prise gigogne et en branchant le modem 56k sur le fil à la place du modem ADSL, le fonctionnement devient normal. C'est illogique car cette sortie ADSL est un passe-haut 5 kHz, il devrait donc couper totalement la partie basse du spectre qui véhicule l'analogique, mais en pratique c'est un filtre "mou" qui laisse passer les fréquences de quelques kHz. Par contre, la sortie téléphonique est un passe-bas raide qui ne laisse passer que le vocal (pour éviter les parasites dans le téléphone) et atténue fortement les fréquences au-dessus des 3 kHz, qui bloque le modem 56k utilisant tout le spectre en bande basse.

Conclusion

On le voit clairement, l'ADSL, cette fantastique bidouille technique, fonctionne plutôt bien. Le système reste un moyen technologiquement très sophistiqué pour exploiter au mieux une installation téléphonique existante : sans modifier quoi que ce soit, l'ADSL permet ainsi d'utiliser une ligne téléphonique avec du haut débit.

A l'avenir, la prochaine étape sera le remplacement de notre paire de cuivre dans la boucle locale par la fibre optique, mais cela prendra de longues années d'attente.

Note : dessins réalisés par A. Peres-Mas.


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