Réseaux et Télécom 2007 Les techniques xDSL xDSL

Bases des techniques DSL Les modulations dans les techniques DSL Contenu Introduction Bases des techniques DSL Les modulations dans les techniques DSL L'ADSL – Asymmetric DSL – Couche Physique L'accès à Internet par l'ADSL Petit panel des technologies DSL xDSL

Historique des connexions à l'Internet Jusque dans les années 90 1. Introduction Historique des connexions à l'Internet Jusque dans les années 90 Forte croissance des débits des LAN et des WAN Coexistence de plusieurs réseaux séparés Téléphone : RTC ou RNIS Télévision par câble Réseaux de données … 3 secteurs cherchant à élargir leurs domaines d'activité …. mais les débits fournis en accès restent faibles Accès internet essentiellement avec le téléphone analogique ou numérique Voir On-ramp Prospects for the Information Superhighway Dream, G. Bell and J. Gemmell, 1996, http://research.microsoft.com/research/pubs/view.aspx?type=Publication&id=112 xDSL

En France programme Cable Pas de véritable déploiement Accès Modem sur pair de cuivre (Normes V) Fin des années 90 : développement des techniques DSL - accès internet "haut-débit" sur paire de cuivre kbps xDSL

Débit nécessaire en bit par secondes Accès Internet à travers les lignes téléphoniques Débit faible Pas d'utilisation simultanée avec le téléphone Accès Internet à travers le RNIS 2 canaux B à 64 kbps permettent l'utilisation simultanée du téléphone et d'Internet à 64 kbps … ou accès internet seul à 2x64 kbps … mais besoins croissants de débits Milieu des années 90 : développement des techniques DSL - accès internet "haut-débit" sur paire de cuivre 10k 100k 1M 10M 64k 128k 256k 384k Débit nécessaire en bit par secondes Télé-travail Video on demand musique Internet Viso-conférence téléphone xDSL

Evolution des débits ADSL 1 Mbps kbps RNIS 128 kbps Modem V90 56 kbps téléphone WAN LAN kbps Evolution des débits ADSL 1 Mbps RNIS 128 kbps Modem V90 56 kbps xDSL

Les techniques d'accès La boucle locale xDSL

Abonnements (millions) Abonnements (millions) Le marché des accès Internet en pleine croissance Répartition des accès au second semestre 2007 Abonnements (millions) Abonnements (millions) xDSL

2. Bases des techniques DSL DSL : Digital Subscriber Line Ensemble de techniques permettant l'accès haut-débit à Internet sur les ligne téléphoniques - paires de cuivre Idée de base Téléphone sur paire de cuivre : bande de fréquence 0-4khz utiliser les fréquences supérieures à 4khz pour le transfert de données xDSL

2.1 La paire de cuivre torsadée Paire torsadée simple Deux fils de cuivre (~ 1mm) torsadés Typique du téléphone Paire de cuivre multiple Cable Unshielded Twisted Pair (UTP) ou Catégorie 3 : 4 paires Câble Shielded Twisted Pair (STP) ou catégorie 5 Câble blindé. Meilleure résistance aux perturbations Caractéristiques Initialement pour la voix à 3200 Hz, débit faible : 64 kbps Faible coût et installation simple Possibilité d'utiliser les infrastructures existantes (câble téléphonique) Sensible aux perturbations Transmission sans amplification sur des distances de l'ordre d'un kilomètre paire de cuivre blindage Gaine isolante xDSL

Caractéristiques électriques des paires de cuivre torsadées R : résistance linéique C : capacité lineique G : conductance linéique L : inductance linéique Ve(t) = Vs(t) e-(a(f,l)+i b(f,l))t f : fréquence du signal a(f,l) : atténuation b(f,l) : rotation de phase Ve Z Vs l xDSL

Diverses paires torsadées Effet de l'atténuation Augmentation de la distance : augmentation de l'atténuation Augmentation du diamètre : diminution de l'atténuation Paire torsadée 0.5cm Diverses paires torsadées xDSL

Ve(t) = Vs(t) e-(a(f,l)+i b(f,l))t Effet du déphasage Ve(t) = Vs(t) e-(a(f,l)+i b(f,l))t b(f,l) : fonction de déphasage : non-linéaire par rapport à f Déformation du signal signal distance xDSL

2.2 Capacité de la ligne Limitation du spectre utilisable Limitation de la bande passante et du débit Exemple de codage 2B1Q : symboles codés sur 4 niveaux Symbole codé : 001110010011 Théorème de Nyquist : En absence de perturbations avec une ligne de bande passante B, en codant sur V niveaux Débitmax = 2 B log2 V symboles xDSL

Généralisation pour les lignes bruitées : Théorème de Shannon Si S est le signal, N le bruit et B la bande passante disponible : Débitmax = B log2 (1+S/N) En général S/N dépend de la fréquence utilisée Débitmax xDSL

2.2 Les perturbations sur la boucle locale Effet d'insertion du précablage Paires torsadées toron précablage jonction WAN opérateur harmonique avec insertion sans insertion xDSL

Effet de diaphonie dans les torons Diaphonie : couplage électromagnétique entre paires voisines Paradiaphonie (NEXT : Near-End CrossTalk) Perturbation induite par un émetteur et un récepteur du même côté FAI paire perturbatrice NEXT paire victime xDSL

Effet de diaphonie dans les torons Diaphonie : couplage électromagnétique entre paires voisines Télédiaphonie (FEXT : Far-End CrossTalk) Perturbation induite par un émetteur et un récepteur du côté opposé FAI paire perturbatrice FEXT paire victime xDSL

Par exemple les tubes néons, télévision, foudre …. Autres interférences Bruits impulsionnels Par exemple les tubes néons, télévision, foudre …. Bruit thermique : agitation des électrons dans les conducteurs .. Regroupés dans du bruit blanc gaussien (AWGN) Captage de radiofréquences diverses Exemples : signaux de radio-amateurs xDSL

3. Les modulations dans les techniques DSL Nombreuses contraintes pour définir Choix du spectre de fréquence Multiplexage des flux montant et descendant Mode de transmission …. Nombreuses méthodes HDSL, SDSL, ADSL, VDSL .... Et leurs variations ADSL2, VDSL2, ADSL2+ … FAI flux descendant flux montant xDSL

Principaux choix de modulations Frequency Division Modulation Echo Cancellation khz 3.4 téléphone bandes montantes bandes descendantes Modulation FDM khz 3.4 téléphone bandes descendantes bandes montantes Modulation EC xDSL

montantes et descendantes … mais certaines méthodes n'autorisent pas l'usage du téléphone simultanément C'est le cas de HSDL (High Bit Rate DSL) et SDSL (Symmetric DSL) khz 3.4 téléphone bandes montantes et descendantes xDSL

Elargissement de la bande passante descendante Modulation EC Elargissement de la bande passante descendante … utilisation de fréquences basses ayant des pertes moindres Modulation FDM Diminue la diaphonie Spectre de fréquence des principales techniques DSL xDSL

3.1 Modulation et codage des données signal numérique modulation d'amplitude modulation de fréquence modulation de phase Types de codage xDSL

Les types de modulation DSL 3.1.1 Modulations en bande de base 2B1Q (2 binary – 1 quaternary) Modulation PCM associant deux bits successifs à un niveau parmi les 4 possibles : 3V, V, -V, -3V, avec V la tension de base Utilisé en HDSL (High Bit Rate DSL) xDSL

TC-PAM – Treillis Coded Pulse Amplitude Modulation Modulation d'amplitude multi-niveaux avec redondance Redondance introduite pas un codage en treillis Principe de base Pour chaque mot de k bits, le codage en treillis fournis n=k+p bits Les n bits dépendent du mot initial et de K-1 bits précédents Le mot de n bits est associé à un symbole multi-niveaux Meilleure efficacité spectrale que 2B1Q Utilisé par HDSL2, HDSL4, SHDSL, E-SHDSL xDSL

3.1.3 Modulations à porteuse unique Modulation QAM : Quadratic Amplitude Modulation Utilisation d'une combinaison de modulation de phase et de modulation d'amplitude Symbole : quadribit QAM 16 : 16 valeurs codées QAM-16 symbole à coder 0011 0111 0101 0001 amplitude phase 0110 0100 0000 0010 1100 1000 1010 1110 1101 1001 1111 1011 constellation xDSL

Perturbations des modulation QAM Bruit modéré : on peut décoder les symboles Bruit important : impossible de distinguer les symboles QAM-n plus sensible au bruit que QAM-m si n>m Bruit modéré Bruit important xDSL

CAP/QAM utilisée par HDSL 3.1.3 Modulation a porteuses multiples Modulation CAP Variante de la modulation QAM : on soustrait la porteuse du signal émis (la porteuse ne porte aucune information) CAP/QAM utilisée par HDSL 3.1.3 Modulation a porteuses multiples La modulation DMT à porteuses multiples C'est la modulation utilisée par ADSL, ADSL2, VDSL, VDSL2 … Idée : décomposer le spectre en bandes porteuses et envoyer simultanément des données modulées sur chacune des porteuses DMT : Discrete MultiTone modulation xDSL

Nécessité d'adapter la modulation à chaque porteuse Effet de l'atténuation Nécessité d'adapter la modulation à chaque porteuse xDSL

4. L'ADSL – Asymmetric DSL – Couche Physique ANSI T1.413 – 1998 : Première norme, essentiellement pour les US ITU-T G.992.1 – 1999 : Codage et protocoles de transport des données ITU-T G.994.1 – 2003 : Négociation dans la phase de démarrage Modem ADSL utilisateur : ATU-R (ADSL Tranceiver Unit-Remote) Equipement ADSL du centre de commutation : ATU-C réseau téléphonique modem ADSL filtre opérateur ligne téléphonique filtre WAN Principe d'un accès ADSL xDSL

…. …….. Les porteuses de l'ADSL khz téléphone bandes montantes bandes descendantes …….. …. 3.4 25 128 165 1100 khz 7 32 38 255 canal 255 porteuses (tonalités) situées à nx4.3125 kHz 8 fois plus de bandes descendantes que de bandes montantes Asymétrie des débits : ADSL xDSL

…. …….. Les porteuses de l'ADSL khz téléphone bandes montantes bandes descendantes …….. …. 3.4 25 128 165 1100 khz 7 32 38 255 canal Modulation QAM-4 (2 bits/symbole) à QAM-32768 (15 bits/symbole) Période d'un symbole : 250 μs xDSL

Emission/réception des données Principe du modem : réception émission Σ F38 F2 0100 F255 F7 : QAM-4 10 1110 1100 00 Fk : QAM-4 01001010 F31 : QAM-16 F32 : QAM-16 xDSL

Choix du QAM pour chaque porteuse … en fonction du rapport signal/bruit (SNR) BER - bit error rate : taux d'erreur binaire Lors des transmissions le BER doit rester inférieur à 10-7 BER SNR (dB) Zone non acceptable QAM-64 QAM-16 QAM-32 QAM-4 10-7 bruit croissant xDSL

Valeurs utilisées pour l'ADSL QAM-4 2 bits/symbole SNR 15.8 Augmentation de 3dB du SNR permet d'ajouter 1 bit dans le symbole xDSL

marge de bruit : noise margin Adaptation du débit des modems Le système n'affecte pas le débit maximum possible Réserve d'une marge de sécurité Prévision d'une augmentation des perturbations sur la ligne puissance signal émis signal reçu SNR utilisé SNR réel marge de bruit : noise margin bruit réel xDSL

bruit à l'initialisation Adaptation du débit des modems Target noise margin : déterminée à l'initialisation du modem Variation du bruit au cours du temps : noise margin diminue puissance signal reçu SNR utilisé Taux d'erreur inacceptable target noise margin noise margin bruit à l'initialisation xDSL

demande d'augmentation de signal d'émission bruit à l'initialisation Si le paramètre noise margin devient nul : Plus de marge de bruit disponible Nécessaire d'augmenter la puissance du signal Le récepteur demande à l'émetteur d'augmenter sa puissance d'émission Décision paramètre Minimum Noise Margin puissance signal reçu SNR utilisé demande d'augmentation de signal d'émission target noise margin Minimum noise margin bruit à l'initialisation xDSL

bruit à l'initialisation demande de diminution de signal d'émission Inversement, en cas de diminution du bruit Réduction de la puissance du signal Diminution de la diaphonie Réduction de la consommation C'est le récepteur qui demande à l'émetteur de diminuer sa puissance d'émission Décision : paramètre Maximal Additionnal Noise Margin puissance signal reçu bruit à l'initialisation target noise margin SNR utilisé demande de diminution de signal d'émission Maximal additionnal noise margin xDSL

diminution de la puissance d'émission En résumé Chaque abonné se voit affecté ses propres paramètres de niveau physique Target noise margin Minimum noise margin Maximum noise margin Débit minimum et maximum Puissance d'émission maximum Eventuellement porteuse (tonalité) à masquer Signal/noise margin diminution de la puissance d'émission maximum noise margin état opérationnel stable target noise margin état opérationnel stable minimum noise margin augmentation de la puissance d'émission xDSL

On montre qu'en maintenant S(f)/N(f) constant en fonction de f : Limite de Shannon : Débitmax On montre qu'en maintenant S(f)/N(f) constant en fonction de f : xDSL

ADSL et limite de Shannon Actuellement débit ADSL proches de la limite de Shannon Progrès à faire néanmoins sur les courtes distances km Mbps 25 5 10 15 20 Longueur du câble 3 2 4 6 1 Limite de Shannon 8 Mbps ADSL 2 Mbps xDSL

4.1.1 Détection et correction des erreurs de transmission 4.1 Les trames ADSL 4.1.1 Détection et correction des erreurs de transmission Transmission longue distance Potentiellement corruption de bits Possibilité de rafales de bits corrompus On souhaite ne pas retransmettre les données corrompues Solution : mettre en place une FEC (Forward Error Correction) Code auto-correcteur : correction des erreurs Entrelacement des bits : répartit les rafales d'erreurs xDSL

4.1.2 Code auto-correcteur utilisé pour l'ADSL Code de Reed-Solomon RS(240,224) Code linéaire Codeur/décodeur efficace Egalement utilisé dans les CD et les DVD Entrée : 224 octets Sortie : 240 octets Autorise la correction jusqu'à 8 octets corrompus sur les 224 xDSL

plus de 8 octets corrompus 4.1.3 Entrelacement Pour éviter ce genre de problème : entrelacement des données rafale d'erreurs données émises plus de 8 octets corrompus données recues bloc perdu xDSL

peuvent être reconstituées : Reed-Solomon rafale d'erreurs données émises octets corrompus données dé-entrelacées peuvent être reconstituées : Reed-Solomon données décodées xDSL

Avantage de l'entrelacement Améliorer sensiblement la capacité de détection et de correction d'erreurs .. Sans augmenter la charge utile. Inconvénient de l'entrelacement Induit des retards dans les transmissions des données (～20ms) : Interleaved Latency Peut gêner les applications temps réel Solution : Ne pas entrelacer le trafic des applications "sensibles" - deux modes : entrelacé ou non xDSL

Interleaved latency path Les deux chemins de traitement dans le modem ADSL 4.1.4 Constitution des trames ADSL Les données entrant dans les codeurs RS proviennent de la couche supérieure : couche ATM ATU-R Fast latency path constitution des trames mémoire rapide Codeur RS modulateur DTM Interleaved latency path mémoire tampon d'entrelacement Codeur RS entrelaceur xDSL

A l'émission : 1 trame = 250μs (4000 trames par seconde) Les données ATM sont encapsulées dans des trames de données (DF : Data Frame) A l'émission : 1 trame = 250μs (4000 trames par seconde) La longueur de ces trames correspond à la longueur d'un symbole DMT (i.e. taille dépendant du débit d'émission) mais la trame peut contenir des données du chemin Fast et des données du chemin Interleaved Entête de trame - 1 octet : synchronisation Enqueue de trame - FEC (Reed-Solomon) Sync. Données ATM FEC max 255 octets xDSL

Les trames sont ensuite organisées en supertrames (SF) Une supertrame ADSL : 68 trames DF + 1 trame de synchronisation Trames 0 : CRC de la SF précédente Trames 1, 34, 35 : opération et maintenance Trames 2-33, 36-67 : trames données Trame 68 : Synchonisation supertrame DF0 DF1 DF2 DF67 Sync. 17ms xDSL

4.2 Initialisation du modem 4 phases Activation : détection de la tonalité pilote Synchronisation du modem de l'abonné sur l'équipement du fournisseur Détection des limites des symbols Egalisation des signaux Evaluation de la qualité du signal Mesure du rapport signal/bruit Paramétrage du codage Calcul du débit maximum Séquence de négociation des débits Choix du nombre de bits par tonalité Sélection des puissances d'émission xDSL

5. L'accès à Internet par l'ADSL Principe de base Internet réseau téléphonique cœur de réseau du FAI modem ADSL réseau de collecte du FAI ATM filtre ligne téléphonique BAS DSLAM ADSL SDH ATM IP DSLAM : digital subscriber line access multiplexer BAS : Broadband Access Server FAI : fournisseur d'accès à Internet xDSL

Environnements du réseau d'accès ADSL SMC : Service Management Center Authentification : gestion des nom d'utilisateurs/mots de passe Autorisation : gestion des restriction d'accès Taxation SMC FAI2 Internet DSLAM FAI2 ATM BAS SMC FAI1 SMC FAI1 xDSL

Il existe également des configurations sans BAS Des connexion virtuelles permanents (PVC) sont alors établies entre le FAI et le client Le BAS peut également fournir d'autres types de service Réassemblage des trames ATM pour sorties sur des réseaux IP, Frame-Relay, Ethernet … Affectation d'adresses IP … routage commutateur ATM BAS commutateur ATM DSLAM SDH ATM AAL 5 LLC SNAP MAC IP SDH ATM AAL 5 LLC SNAP MAC IP SDH ATM AAL 5 LLC SNAP MAC IP Ethernet MAC IP PVC MAC PVC PVC LLC SNAP Ethernet ADSL ATM AAL 5 SDH ATM SDH ATM ADSL ATM SDH ATM xDSL

Ethernet 10Base T : interface standard 10Mbps 5.1 Le modem ADSL Du côté utilisateur Ethernet 10Base T : interface standard 10Mbps Généralement utilisée avec un PV ATM-F : interface standard ATM à 25,6 Mbps Généralement utilisée : pour video on demand ou équipement équipés de carte réseau ATM-F Démultiplexage descendant : VPI = 8 : Ethernet, VPI<8 : ATM Multiplexage montant : Round-Robin modem Interconnexion ATM Adaptateur Ethernet ADSL Adaptateur ATM xDSL

Cartes PCI : carte modem simple Typiquement 8Mbs/900 Kbps Gammes de modem ADSL Cartes PCI : carte modem simple Typiquement 8Mbs/900 Kbps Plug and Play Typiquement pour un PC : 4Mbps/800kbps PPP over ATM Modem routeur Permet la création LAN côté utilisateur Type Livebox, Freebox … 8Mbps/800 kbps NAT DHCP Routage IP …. xDSL

5.2 Les services paquets des modems ADSL Principaux services offerts Bridging : transparence complète aux protocoles Tunneling PPP sur PPPoE ou PPTP Multiprotocoles Complète transparence à TCP/IP Routage IP et PPP PPP/IP : création d'un réseau IP local NAT : multiplexage d'utilisateurs sur une seule connexion ADSL IP/ATM : réseau IP sur ATM Services paquets sur ATM-F : transparence complète aux protocoles des couches supérieures xDSL

Adresse MAC entrante non-mémorisée diffusée sur tous les ports @mac3 Principe du bridging Opère au niveau 2 Mise en place d'une table de filtrage mémorisant les associations d'adresses MAC Adresse MAC entrante non-mémorisée diffusée sur tous les ports @mac3 @mac2 @mac1 ethernet @mac4 @mac4 @mac1 @mac5 @mac2 10BT ADSL ATM AAL5 MAC @mac3 Internet ATM @mac5 xDSL

Principe de PPP : Point-to-Point Protocol Protocole utilisé pour une communication point à point Ce protocole inclus Fonctions d'authentification PAP et CHAP Négociation de paramètres de liaison : LCP MTU, compression … Négociation de paramètres réseaux NCP Affectation d'adresse IP dynamique @IP2 @IP1 Internet ATM xDSL

PPP : connexion point-à-point avec le modem PPPoE : permet de gérer plusieurs connexions PPP du côté utilisateur Tunneling Les trames PPP ne peuvent être transmises sur Ethernet (d’où PPPoE) PPP est gardé pour les procédures d'authentification … @IP2 @IP1 Internet ATM IP PPP PPP ADSL ATM AAL5 MAC 10BT PPPoE PPP PPPoE MAC 10BT point-à-point point-à multipoint xDSL

Fonction de NAT des modem-routeurs ADSL Permet l'accès Internet à un LAN IP du côté utilisateur Adresses côté LAN : adresses locales Adresses côté Internet : adresses publiques Le modem effectue la translation d'adresse IP Internet ATM 212.10.25.123 publique 178.22.35.125 202.134.11.2 192.168.1.20 192.168.1.10 locale 192.168.1.20 192.168.1.10 178.22.35.125 178.22.35.125 192.168.1.10 xDSL

Exemples de protocoles gérés par un modem ADSL (accès ethernet) ordinateur Modem ADSL bridging tunneling MIB tunneling Browser Application HTTP Telnetc PPP bridging Appli IP TCP HTTP Telnetc IP, IPX AppleTalk … IP FAI1 PPPoE IP TCP LLC SNAP PPP PPPoE AAL5 ATM MAC MAC ADSL 10Base T 10Base T xDSL

6. Petit panel des technologies DSL IDSL : ISDN DSL Développé pour les accès sur ISDN 144 kbps, symétrique Modulation 2B1Q HDSL : High Bitrate DSL Norme ITU-T G.991.1 (1998) ～ 2Mbps, symétrique 2B1Q, CAP 1, 2 ou 3 paires torsadées jusqu'à 2,4 km HDSL2 : extension de HDSL sur une paire de cuivre Modulation : 16-TCPAM ～ 2Mbps, symétrique jusqu'à 2km xDSL

SDSL : Symmetric DSL (pour serveurs par exemple) Sur une paire de cuivre 2Mbps à 2km, 1 Mb jusqu'à 5km Modulation 16-TCPAM N'autorise pas l'usage du télephone en parallele Normalisée sous le nom G.SHDSL, norme G.991.2 (2003) xDSL

ADSL 2 : révision de la norme ADSL Norme G.992.3 (2005) 12 Mbps/3.5 Mbps (ADSL 8Mbps/800 kbps) Modulation DMT plus performante que celle de l'ADSL ADSL2+ : norme G.992.5 (2005) 24 Mbps/1Mbps Augmentation de la bande passante utilisée par ADSL xDSL

R-ADSL : Rate Adaptative DSL Variation de l'ADSL En ADSL : débit maximum fixé An RADSL : débit maximum déterminé à l'initialisation en fonctions des caractéristiques de la ligne Jusqu'à 7Mbps/1Mbps VDSL : Very Highspeed DSL – successeur de l'ADSL Norme G.993.1 (2004) Asymétrique .. Ou symétrique Modulation DMT/QAM Jusqu'à 1.5 km Jusqu'à 52Mbps/6Mbps Étendre le spectre de fréquence jusqu'à 30 Mhz VDSL2+ : évolution de VDSL Jusqu`à 100Mbps sur 800 m xDSL