Asymmetric Digital Subscriber Line - Définition

Introduction

Pile de protocoles

7 • Application 6 • Présentation 5 • Session 4 • Transport 3 • Réseau 2 • Liaison 1 • Physique

Modèle Internet Modèle OSI

L’Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) est une technique de communication qui permet d'utiliser une ligne téléphonique ou une ligne RNIS pour transmettre et recevoir des données numériques de manière indépendante du service téléphonique proprement dit (contrairement aux modems analogiques). Cette technologie est massivement mise en œuvre par les fournisseurs d'accès à Internet pour le support des accès dits « haut-débit ».

Le sigle 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 recommande l'expression « liaison numérique asymétrique », mais le sigle « ADSL » reste le plus largement utilisé dans le langage courant.

Comme son nom l'indique, la technologie ADSL implique un débit asymétrique, c'est-à-dire que le débit est plus important dans un sens de transmission que dans l'autre, au contraire de la technologie SDSL pour laquelle le débit est symétrique. Pour le particulier, cela se traduit pour l'ADSL par un débit montant (upload) plus faible que le débit descendant (download), généralement d'un facteur de l'ordre de 5 à 20.

En France, le lancement commercial de l'ADSL a été effectué par France Telecom Interactive en 1999.

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 (la boucle locale). Les signaux utilisés pour la téléphonie classique (sonnerie, numérotation multifréquences, voix) occupent une bande de fréquences qui s'étend entre 25 et 3 400 Hz environ. Le principe de l'ADSL consiste à exploiter une autre bande de fréquence, située au-dessus de celle utilisée 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.

L'ADSL fait partie d'une famille de technologies semblables, regroupées sous le terme générique DSL ou xDSL. Les différents membres de cette famille se différencient par leur nature symétrique ou asymétrique, les débits offerts, les longueurs de ligne compatibles avec une qualité de service déterminée, etc. Parmi ces technologies, on peut citer le SDSL et le VDSL ; toutefois, ces autres méthodes de transmission exploitent en général la totalité de la bande passante de la ligne téléphonique, et ne permettent donc plus le partage de celle-ci entre un service de téléphonie traditionnelle et la transmission DSL.

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. À 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 × 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, 8,6250 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 œuvre 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 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.

Quand l'ADSL est mis en œuvre sur une ligne téléphonique classique (analogique), les sous-porteuses 16 à 31 sont affectées au trafic émis de l'abonné vers le réseau. Les sous-porteuses 33 à 255, quant à elles, sont affectées au trafic reçu du réseau par l'abonné. En ADSL1, la sous-porteuse d'indice 64 sert de signal de référence (« porteuse pilote ») pour les deux sens de communication et n'est pas modulée. Dans les modes ADSL2 et supérieurs, le choix de la sous-porteuse utilisée comme pilote fait partie de la négociation préalable à la synchronisation.

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 sous-porteuses 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 œuvre.

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 annexe A) ou une ligne exploitée en RNIS (dans ce dernier cas, on utilise l'annexe B). Les paragraphes ci-dessus décrivaient la répartition des sous-porteuses de l'ADSL annexe 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'annexe 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'annexe 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 annexe qui permet de disposer d'un plus grand nombre de sous-porteuses pour le sens montant (annexe M), 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 (crosstalk en anglais).

Modulation des sous-porteuses

Chaque sous-porteuse est modulée en amplitude et en phase, au rythme de 4 000 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 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 sous-porteuses 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 sous-porteuse étant modulée à raison de 4 000 symboles par seconde, ce sont donc 4 000 trames qui sont envoyées à chaque seconde, et avec les chiffres de notre exemple, le débit brut du sens descendant s'établit à 4 000 × 320 bits, soit 1 280 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 69^e 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 4 000 symboles par seconde comme indiqué plus haut, mais de [4 000 × 69 / 68] symboles par seconde (environ 4 059 symboles par seconde), ce qui permet de transmettre exactement 4 000 trames « utiles » par seconde.

Capacité de trafic

Sens descendant

En supposant que la qualité de la ligne le permette, chaque sous-porteuse peut utiliser des symboles de 15 bits, et transmet 4 000 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 sous-porteuse pilote 64). Sans autre limitation, le débit maximum théorique du sens descendant s'établirait donc à [223 sous-porteuses × 15 bits × 4 000 symboles], soit 13 380 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 × 8 bits × 4 000 symboles/s], soit 8 128 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.

À 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 œuvre, 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 13 000 kbit/s pour le sens descendant.

Ces valeurs ne s'appliquent pas à l'ADSL2+, qui utilise un nombre de sous-porteuses plus élevé.

Sens montant

Le même calcul s'applique aux 31 sous-porteuses disponibles pour transporter les données dans le sens montant, 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 1 024 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 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. À 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. À 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.

Gestion des erreurs de transmission

Les données redondantes transmises au sein de chaque trame ADSL permettent de détecter et, dans une certaine mesure, de corriger les erreurs de réception. Si l'erreur n'affecte que quelques bits dans la trame ADSL reçue, un mécanisme de correction d'erreur (forward error correction) incorporé au circuit de réception est en général capable de reconstruire les données abîmées. L'erreur est signalée dans les statistiques de réception sous la forme d'une « erreur FEC ». En revanche, si les données sont trop abîmées pour pouvoir être reconstituées, l'erreur est signalée sous la forme d'une « erreur CRC ». Dans certains cas, une erreur CRC affecte l'en-tête d'une cellule ATM, et cette altération est détectée par le récepteur, qui la signale sous la forme d'une « erreur HEC ». Enfin, si le taux d'erreur est suffisamment grand, la structure de la trame ADSL elle-même peut être affectée au point que plus aucune donnée reçue n'est utilisable. On constate alors une perte de tramage (« erreur LOF ») qui peut aller jusqu'à la perte totale de synchronisation (« erreur LOS »). En présence de ce type d'erreur, le modem ADSL réagit le plus souvent en interrompant la communication et en entamant une nouvelle procédure de synchronisation depuis le début. C'est le phénomène connu sous le nom de « désynchronisation » par les internautes.

Le protocole ATM ne supporte pas nativement de système de correction des erreurs. Quand se produit une erreur suffisamment sévère pour que le dispositif de correction d'erreur natif de l'ADSL (FEC) ne puisse pas la corriger, c'est-à-dire une erreur de type CRC, les cellules ATM affectées par l'erreur sont supprimées en réception. Il manque donc un segment dans les données utilisateur reçues par le destinataire. En général, une couche de protocole de niveau supérieur (TCP par exemple) fait le nécessaire pour demander la retransmission de ce segment manquant.

Redistribution des bits entre sous-porteuses (bitswap)

Les modems ADSL maintiennent en permanence des statistiques sur la qualité de réception, qui est mesurée sur chaque sous-porteuse. Cette évaluation est faite au démarrage de la communication ADSL (phase de synchronisation) par l'intermédiaire de données de test émises sur chaque sous-porteuse et par l'échange d'informations entre les deux modems sur la qualité du signal reçu. Par la suite, les variations du rapport signal-sur-bruit de chaque sous-porteuse, représentatives de la qualité de réception, sont surveillées individuellement. Lorsqu'une sous-porteuse est affectée par des perturbations, le modem et l'équipement distant ont la possibilité d'échanger des requêtes qui leur permettent d'augmenter la puissance d'émission dévolue à cette sous-porteuse ou de réduire le nombre de bits transmis sur celle-ci, et de transférer la différence sur une sous-porteuse qui bénéficie de meilleures conditions de réception. Ce mécanisme est connu sous le nom de bitswap en anglais, et fonctionne de manière indépendante dans le sens montant et dans le sens descendant.

Latence de transmission

Le temps de latence constaté en réception dépend du mode de transport des cellules ATM au sein des trames ADSL. Il existe deux modes de transport qui affectent différemment les données :

• le mode « fast path » dans lequel les bits sont transmis sur la base d'un ordre « premier entré, premier sorti ». Dans ce mode, la latence est minimum, mais une éventuelle perturbation du signal abîmera en général un grand nombre de bits adjacents d'une même cellule ATM, ce qui rend l'information impossible à reconstituer par le mécanisme de FEC. Il est donc fréquent de ne pas utiliser du tout la correction d'erreurs FEC en mode fast path.
• le mode « interleaved », dans lequel le modem envoie le premier bit de l'octet a, suivi du premier bit de l'octet b, etc., jusqu'au premier bit de l'octet k, suivi du second bit de l'octet a, du second bit de l'octet b, etc. jusqu'au dernier bit de l'octet k-1 et au dernier bit de l'octet k. Dans ce mode, lorsqu'une perturbation se produit, elle affecte en général un seul bit par octet, même si cela se produit dans un grand nombre d'octets. Dans ces circonstances, le mécanisme de FEC est en général capable de reconstruire l'information affectée par la perturbation. En contrepartie, la latence du mode interleaved est plus grande que celle du mode fast path, puisque le récepteur doit attendre d'avoir reçu 'k' octets avant de pouvoir délivrer l'octet 'a', puis l'octet 'b', etc.

Les utilisateurs qui ont besoin d'un temps de latence faible (joueurs en ligne, par exemple) exploitent donc le mode de transmission fast path quand l'opérateur le propose, tandis que les utilisateurs qui recherchent une bonne fiabilité de transmission préfèrent le mode interleaved. En mode fast path, le temps de latence typique est de l'ordre de 5 ms, alors qu'il se rapproche plutôt des 30 ms en mode interleaved.