Avec 750 millions d'utilisateurs dans le monde, la boucle téléphonique domestique constitue l'environnement de communication le plus répandu. Cette boucle est composée d'une paire torsadée téléphonique (ou TTP), deux fils de cuivre fins et isolés torsadés, reliant radialement les utilisateurs finaux à un point de distribution (un central téléphonique). L'utilisation de l'infrastructure TTP existante pour la transmission numérique à haut débit présente l'avantage évident de son omniprésence, lorsque cela est possible. Nous examinerons comment la technologie DSL surmonte les problèmes liés à la TTP en tant que support haut débit, en commençant par un bref historique de l'utilisation du réseau téléphonique pour la transmission de signaux numériques.
De l'analogique au numérique : bref historique de la télégraphie à la technologie RNIS.
La communication numérique longue distance sur fil de cuivre est antérieure au téléphone. Le télégraphe et le télex utilisaient tous deux une forme très simple de codage numérique. À la fin des années 1950, les forces armées, les compagnies aériennes et les banques utilisaient le fil téléphonique « standard », ainsi que les systèmes et codes télégraphiques, pour connecter leurs terminaux à un ordinateur central distant. Ces systèmes offraient généralement des débits de transfert très faibles (généralement entre 100 et 150 bits/s) et employaient une signalisation « tout ou rien » très simple, mais ils fonctionnaient sur des distances allant jusqu'à environ 30 km.
Dans les années 1960, pour fournir des débits plus élevés, les modems (modulateurs-démodulateurs) ont commencé à apparaître. Ils convertissaient le simple signal numérique « tout ou rien » en tonalités audio pouvant être transmises sur un canal téléphonique standard. Au fil du temps, les modems ont atteint des débits de plus en plus élevés (jusqu'à 56 kbits/s). Au début des années 1970, les opérateurs ont commencé à utiliser des techniques numériques pour la commutation au sein des centraux téléphoniques. Il est alors devenu évident qu'une connexion entièrement numérique avec l'abonné permettrait d'obtenir un système nettement plus performant. Les réseaux numériques à intégration de services (RNIS), normalisés au début des années 1980, offraient un accès numérique à l'abonné téléphonique et pouvaient acheminer deux canaux numériques « voix » de 64 kbit/s et un canal de données/signalisation de 16 kbit/s sur le câble TTP standard, sur des distances allant jusqu'à 5 km et, avec des répéteurs, jusqu'à 20 km.
À la fin des années 1980, les opérateurs ont développé les services « T1 » (1,544 Mbit/s) et « E1 » (2 Mbit/s), nécessitant des connexions à quatre fils et des répéteurs installés environ tous les 1,5 km. Ces services ont préfiguré le HDSL, la première d'une série de solutions DSL.
La ligne d'abonné numérique à haut débit (HDSL)
offre des débits équivalents à ceux des services T1 et E1, voire supérieurs en transmission unidirectionnelle sur des distances allant jusqu'à 6 km, selon la qualité de la ligne. La HDSL est particulièrement adaptée aux petites entreprises pour des applications classiques telles que la connexion à un PABX et la transmission de données. Elle est bien plus performante que l'ADSL pour les petits sites web, grâce à ses débits montants nettement supérieurs aux 640 kbit/s proposés par l'ADSL.
D'autres normes ont succédé à la HDSL. La SHDSL utilise la même technologie DMT que l'ADSL (voir ci-dessous), mais avec une seule paire de fils. La SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line) est un protocole très similaire à la HDSL, fonctionnant à 784 kbit/s dans les deux sens sur une seule paire torsadée de fil téléphonique en cuivre (TTP) sur des distances allant jusqu'à 6 km. L'IDSL (Integrated Digital Subscriber Line) présente une structure similaire à celle de la SDSL, mais utilise des puces et une infrastructure RNIS (débit de base) pour fournir un accès unique à 128 kbit/s. L'IDSL offre une vitesse de transmission maximale de 128 kbps, mais permet l'utilisation de répéteurs ISDN pour atteindre des distances allant jusqu'à 20 km.
(Asymmetric Digital Subscriber Line)
a été développée vers 1990 pour la transmission de la télévision via les lignes téléphoniques, en réponse aux câblodistributeurs américains qui proposaient des connexions téléphoniques par câble coaxial. Le protocole ADSL est dit « asymétrique » car le débit descendant (pour l'utilisateur) est considérablement supérieur au débit montant, ce qui le rend idéal pour regarder la télévision ou naviguer sur Internet. Par conséquent, bien que la technologie ADSL ne semble pas avoir été largement utilisée pour la télévision, elle s'est avérée parfaitement adaptée à la fourniture de connexions haut débit lors de l'essor d'Internet quelques années plus tard. Les débits de transmission de données maximum spécifiés par la norme sont de 6 Mbit/s en téléchargement et de 640 kbit/s en envoi, mais en réalité, ils varient selon la connexion et le contrat : le fournisseur peut proposer des services à 1,5, 3 ou 6 Mbit/s à différents prix.
ADSL-Lite et RADSL :
Dans les logements équipés de plusieurs prises téléphoniques, un technicien peut installer un répartiteur passif pour séparer la voix des données haut débit, mais cette solution a un coût. Le protocole ADSL-Lite (également appelé G.lite) permet la connexion directe de filtres distribués simples, ce qui réduit les coûts de technicien et de câblage, mais limite le débit maximal à 1,5 Mbit/s en téléchargement et 512 kbit/s en envoi. Le RADSL (Adaptive Rate DSL) utilise un protocole de couche physique différent et peut ajuster dynamiquement le débit en fonction de la qualité du circuit disponible.
Surmonter les limitations importantes de bande passante du TTP :
La clé du succès de l’ADSL et des autres protocoles DSL réside dans la « transmission multiporteuse » utilisée pour compenser les faiblesses du TTP en matière de transmission de signaux numériques. Les concepteurs initiaux du TTP n’avaient jamais envisagé la transmission de signaux numériques à large bande passante, et nombre de ses caractéristiques, parfaitement adaptées aux signaux téléphoniques analogiques, limitent considérablement la qualité des transmissions à large bande passante. Parmi celles-ci :
l’atténuation, qui augmente fortement avec la fréquence ;
le bruit et la diaphonie. Les effets de couplage provenant d’autres paires sur le même câble ou d’autres sources environnementales (comme les émetteurs radio) peuvent générer du bruit, de même que la diaphonie entre paires et, plus fréquemment, entre l’émetteur et le récepteur à chaque extrémité du câble ;
et le phénomène de « pontage ». Lors de la déconnexion des lignes téléphoniques, les paires torsadées ne sont pas physiquement retirées mais restent non terminées. Lorsque de nouveaux utilisateurs se connectent au circuit, ces paires non terminées peuvent également transporter une partie du signal, provoquant des réflexions vers l’émetteur. Dans certains réseaux d'opérateurs, jusqu'à 30 % des connexions utilisateurs comprennent au moins une prise pontée, ce qui, sans empêcher les connexions analogiques, affecte sérieusement la connexion DSL.
Technologie DMT : la clé de la vitesse ADSL.
Le système multiporteuse spécifique utilisé en ADSL et VDSL, appelé « DMT » (Discrete Multi-Tone), s’est avéré particulièrement efficace pour surmonter ces limitations. Le principe du DMT repose sur le fait que les limitations se manifestent différemment selon les parties du spectre de fréquences. Le bruit n’affecte que quelques fréquences ; l’atténuation varie avec la fréquence, et les effets de la réflexion et de la diaphonie dépendent également de la fréquence. Si une petite partie de la bande est limitée, cela affecte l’ensemble du signal. C’est pourquoi, au lieu d’envoyer un seul signal haut débit à large bande, le DMT utilise un grand nombre de signaux (ou canaux) bas débit à bande étroite. Le bruit et la distorsion survenant dans un sous-canal n’affectent pas les autres.
Le DMT peut prendre de nombreuses formes. Il est ici décrit dans sa version ADSL « normale », qui utilise 249 canaux indépendants. Tous les canaux sont envoyés et reçus simultanément lors d’une même opération (la transmission utilise une transformée de Fourier rapide inverse, tandis que la réception utilise une transformée de Fourier rapide) grâce au traitement numérique du signal. Bien que cela exige une puissance de calcul considérable, ces fonctions sont actuellement assurées par des puces VLSI adaptées à un coût relativement faible.
En ADSL, chaque sous-canal est traité comme une entité distincte et transporte entre 0 et 15 bits d'information par période de signal (baud). Techniquement, il utilise la modulation d'amplitude en quadrature (QAM) avec codage en treillis. Un « baud » correspond à un changement d'état de la ligne (période de signal ou symbole) par seconde. Avec 4 000 symboles de données par seconde, le débit binaire en ADSL est, bien entendu, très faible. Lors de l'initialisation, l'émetteur-récepteur ADSL analyse chaque sous-canal pour déterminer sa qualité et ses caractéristiques. Il lui attribue ensuite un nombre de bits (entre 0 et 15), en fonction de sa qualité.
En ADSL, les débits décrits ci-dessus pour les canaux permettent d'atteindre les vitesses de transmission de données maximales suivantes :
- Débit montant : 25 canaux * 15 bits/symbole/
canal * 4 kbaud = 1,5 Mbit/s
- Débit descendant : 249 canaux * 15 bits/symbole/
canal * 4 kbaud = 14,9 Mbit/s
Les systèmes ADSL performants offrent une vitesse de téléchargement maximale comprise entre 6 et 9 Mbps.
DSL à très haut débit (VDSL) :
comme expliqué dans l’article précédent, l’installation d’une armoire contenant des équipements DSL actifs le long du câble existant augmente considérablement le débit en réduisant la distance entre le centre de distribution et l’utilisateur. Le câble cuivre montant (multipaire) est remplacé par une paire de fibres optiques, la connexion filaire en cuivre de l’utilisateur restant inchangée. Ce câble plus court supporte des fréquences beaucoup plus élevées et est moins sensible aux interférences.
Grâce à une bande passante plus élevée que l’ADSL, le VDSL utilise davantage de sous-canaux et gagne également en débit en augmentant le débit de symboles (8 kbaud pour le VDSL-2). Le traitement du signal plus rapide nécessaire est désormais disponible à un coût relativement faible. Le VDSL-2, actuellement la technologie la plus avancée, fonctionne sur des distances relativement courtes, entre 350 mètres et 3 km, avec des débits pouvant atteindre 100 Mbit/s dans les deux sens. De plus, le VDSL-2 est compatible avec les équipements ADSL et ADSL-2 existants des utilisateurs (une condition essentielle). Cela permet aux opérateurs de mettre à niveau leurs équipements ADSL vers le VDSL-2 sans que les utilisateurs aient à effectuer la moindre modification. Bien entendu, les utilisateurs ne pourront bénéficier des nouvelles vitesses que s'ils mettent à jour leur équipement.
Prochaines étapes : VDSL ou PON ?
La plupart des pays développés connaissent une demande croissante d’accès Internet très haut débit pour les particuliers et les entreprises, et y répondre est crucial pour leur développement économique. La demande des consommateurs devrait exploser avec l’arrivée de la télévision en libre-service, dans un contexte de profondes mutations. Parallèlement, et sans surprise, la demande d’un accès fiable au service téléphonique traditionnel reste aussi forte qu’auparavant. Bien que les réseaux ADSL et autres connexions par câble cuivre aient permis des gains de débit considérables, ils ne suffisent plus à soutenir l’évolution de ces services. Le recours à la fibre optique, sous une forme ou une autre, constitue une solution technique pertinente, même s’il faut tenir compte de son coût. Dans les zones où les connexions cuivre jusqu’au client sont encore présentes, une solution FTTN (fibre jusqu’au nœud) utilisant la technologie VDSL pour les 350 à 1 000 derniers mètres est généralement la plus économique. Lorsqu’une nouvelle infrastructure doit être installée, les systèmes PON (réseau optique passif), et notamment le GPON, offrent une solution immédiate, complète et rentable, avec une capacité d’évolution future. Le prochain article de cette série portera sur les systèmes PON.
Auteur : Patrick Gahwiller. Responsable des comptes partenaires, R&M.
