Augmentation des performances des systèmes DSL par allocation dynamique de spectre

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Augmentation des performances des systèmes DSL par

allocation dynamique de spectre

Mohamed Tlich

To cite this version:

Mohamed Tlich. Augmentation des performances des systèmes DSL par allocation dynamique de

spectre. domain_other. Télécom ParisTech, 2006. Français. �pastel-00001889�

Augmentation des Performan es des systèmes DSL

par Allo ation Dynamique de Spe tre

par

MohamedTLICH

Département de ommuni at ion et éle tronique

É ole NationaleSupérieuredesTélé ommu ni ations de Paris

Thèse présentée àFran e Télé om DivisionR&D

en vuede l'obtention dugrade deDo teur

en ommuni at ion et éle tronique

Juin, 2006

É ole NationaleSupérieuredesTélé ommu ni ations de Paris

Cettethèse intitulée:

Augmentation des Performan es des systèmes DSL

par Allo ation Dynamique de Spe tre

présentéepar:

MohamedTLICH

a étéévaluée parun jury omposédespersonnes suivantes:

Jean-François Hélard, président

John M. Cio, rapporteur

Ghais El-Zein, rapporteur

Patri kTortelier, examinateur

Jean-Clau de Belore, dire teur dethèse

Ahmed Zeddam, o-dire teur dethèse

LessystèmesDSL sontdeste hnologiesdetransmissionquitransportentdesuxde

don-nées importants sur de simples lignes téléphoniques. Malheureusement, plusieurs phénomènes

perturbateurs sont sus eptibles de dégrader laqualité des liaisons. Leslimitations sont

prin i-palement duesàl'aaiblissement ainsiqu'à desproblèmes de ompatibili té éle tromagnétique .

Dans e ontexte, e travail de thèse onsiste à augmenter les performan es marge de

bruit/débit/ portée des systèmes DSL par allo ation dynamique de spe tre (DSM : Dynami

Spe trum Management).

Dans une première partie sont développées trois méthodes d'allo ation dis rète de bits

entre les porteuses d'un système DSL à modulation DMT. La première est une simpli ation

importante de l'algorithmede P.S. Chow à distribution plated'énergie. La deuxième étant un

pro essus de moindre omplexité qui nous ramène à la distribution optimale d'énergie entre

les porteuses, appelé "remplissage par Gammas roissants". Et la troisième est une méthode

d'attributionde margesde bruit distin tesauxdiérentsuxd'unemême liaison DSL.

Après etteamélioratio n delate hnologie detransmissionDSL qui onstitue leniveau0

delaDSM, l'atténuatio n de l'interféren eentre leslignes d'un même âbleDSL par allo ation

oordonnée de spe tre (niveau 2 de laDSM) est abordée, et deux pro édés sont proposés. Le

premierestunpro édéde réglagedynamiquedesDSPdesporteusesles unesindépendam ment

des autres, de façon à réduire l'interféren e provenant de ertaines lignes dont le débit est

supérieur au débit né essaireaux servi es. Le deuxième pro édé est une nouvelle ar hite ture

DSL, ara tériséeparl'introdu ti ond'élémentsa tifsdanslasous-répartition.Lesperforman es

deslignes,divisées en deuxtronçons plus ourts et séparés, sont ainsiaméliorées.

Dans une dernière partie est onsidérée la transmission ve torielle qui onstitue le

troi-sièmeniveau dela DSM.Des méthodesd'annulation d'interféren eentre leslignes d'un même

âble DSL sont présentées, et un modèle de détermination de la matri e de anal MIMO est

développé.

Mots Clés

DSL, DMT,DSM, Câble de télé ommun i ations, Allo ation binaire, DSP, Débit, Marge

Cetravaildethèseaétéee tuéàFran eTélé omDivisionR&DLannion,danslesunités

de re her he CEP (Compatibilit é Éle troma gnétique et Prote tion ) et CNT(Communi ation

Numériqueet Transmission) deslaboratoires FACE(Fréquen e, Antennes,CEMet

Environne-ment) et RMC (Réseaux d'a ès Multiservi es sur support Cuivre), en ollaboration ave le

département COMELEC (Communi ations et Éle tronique ) de l'É ole Nationale Supérieure

desTélé ommuni ati ons de Paris.

Je tiens, toutd'abord, à remer ierMonsieur Alain Vellard,dire teur de laDire tion des

Réseauxde Transportet d'A ès,MessieursBernard Despreset Pierre Pauque, responsables

deslaboratoires FACE et RMC,pour m'avoir a ueillisurle site deLannion.

Je tiens à exprimer toute ma gratitude à Monsieur Ahmed Zeddam, Expert émérite à

Fran e Télé om Division R&D et responsable de l'unité de re her he CEP, qui a assuré la

dire tions ientiquede e travail.Au ours de estroisannées, j'ai puappré ier, enplus d'un

en adrement s ientiquede qualité,ses qualitéshumaines et sagentillesse.

Je remer ie vivement Monsieur Jean-Claude Belore, professeur à L'ENST Paris, qui a

en adré et animé ette thèse. Qu'il trouve i i, tout monrespe t et ma re onnaissan e pour la

onan equ'il m'atémoignée et lesuivi de mestravauxpendant estroisannées.

Je suis très honoré que Monsieur John Cio, professeur à l'université de Stanford, et

Monsieur Ghais El-Zein, professeur à l'INSA Rennes, aient a epté d'être rapporteurs de e

travail.Je lesremer ie pour l'ensemblede leurs remarqueset suggestions.

J'adresse à Monsieur Patri k Tortelier, reponsable du ple de re her he SYCOMORE,

et à MonsieurJean-Franço is Hélard, professeur à l'INSA Rennes, mes plus vifs remer ieme nt s

pour l'intérêt qu'ils ont porté à montravail et pour l'honneur qu'ils m'ont fait en parti ipant

aujury.

Un grand mer i à Mademoiselle Fabienne Moulin, Monsieur Rabah Tara et Monsieur

Frédéri Gauthier, ingénieurs à Fran e Télé om Division R&D, pour leur sympathie et leur

générosité àm'avoirfait partager leurexpérien eet leurs grandes ompéten es te hniques.

J'adressetoutemasympathieetamitiéàtoutel'équipeCEP,ECDetCNT.Plus

Mi hel Le Coz, Stéphane Le Masson, Patri k Amoikon N'da, Sylvain Person, José Ribeiro,

GérardTérol, Belga em Djebari,HubertMariotte, MeryemOuzzifet Alain Rebours.

Quemes amaradesdo torants,quej'aipu toyer,trouventi imes remer iement spour

l'espritde grande amaraderie et de solidarité quirégnait entrenous.

Cesdernièreslignesvontàmesparents,mafemme,mesfrères,mas÷urettousmesamis.

Je leurdis mer ipour tout lesoutienet tous les en ouragem ents qu'ilsont su medonner tout

Résumé i Remer iements ii Abréviations xvii Introdu tion 1 Contributions 4 1 Contexte de la Thèse 6 1.1 Les te hnologies xDSL . . . 7 1.1.1 Leur origine . . . 7 1.1.2 Le multiplexage . . . 7

1.1.3 Le odage en ligne et lamodulation . . . 10

1.1.4 L'ar hite ture DSL . . . 12

1.1.5 Aperçudesdiérenteste hnologie sxDSL . . . 15

1.1.6 Synthèsedeste hnologie sxDSL . . . 17

1.2 Les limitationsdu systèmeDSL . . . 17

1.2.1 Des ription d'un âble uivre . . . 18

1.2.2 Aaiblissement deslignes uivrées . . . 18

1.2.3 La diaphonie . . . 19

1.3.1 Augmentation des apa ités deslignes . . . 22

1.3.2 Allo ation dynamiquede spe tre : Niveauxde oordinatio n . . . 23

1.4 Con lusion. . . 26

I Niveau 0 de la DSM : Amélioration de la te hnologie de transmission DSL 28 2 Répartition optimisée de la puissan e d'émission entre les porteuses DMT 29 2.1 État del'Art . . . 30

2.1.1 L'algorithme de Hughes-Hartogs . . . 30

2.1.2 L'algorithme de P.S.Chow . . . 30

2.2 Algorithme d'Allo ation Binaire deFaible Complexité . . . 31

2.2.1 Étude de

F

n

. . . 32

2.2.2 Étude de

P

n

. . . 33

2.2.3 Prin ipe de l'algorithmeproposé . . . 34

2.2.4 Algorithme proposé . . . 34

2.2.5 Etude desPerforman es . . . 35

2.3 Algorithme de Hughes-Hartogs à solution initiale "distribution plate d'énergie" optimale . . . 37

2.3.1 Complexité . . . 39

2.3.2 Temps de al ul. . . 39

2.4 Con lusion. . . 41

3 Algorithme optimal d'allo ation binaire de faible omplexité 42 3.1 Optimalité desalgorithmes d'allo ation binaireRA . . . 42

3.2 Algorithme deHughes-Hartogs . . . 43

3.3 Pro essus de"Remplissage par Gammas Croissants" . . . 44

3.4 Algorithme "quasi-optimal" de trèsfaible omplexité . . . 50

3.4.2 Etude desperforman es . . . 53

3.5 Algorithme optimalde faible omplexité . . . 55

3.5.1 Des ription de l'Algorithme . . . 58

3.5.2 Algorithme "Optimal"? . . . 58

3.5.3 Etude desperforman es . . . 60

3.6 Con lusion. . . 62

4 Méthode d'attributionde QOSdiérentesaux uxd'une même liaisonDSL 64 4.1 Multiplexage de plusieurs uxxDSL . . . 65

4.1.1 ModesFast et Interleaved . . . 65

4.1.2 Organisation desdonnées danslatrame . . . 65

4.1.3 Allo ation binaire. . . 66

4.2 Insusan e del'entrela ement pour augmenter laQOS desux . . . 66

4.3 Attribution de QOS diérentesaux uxet augmentationdesdébits . . . 67

4.3.1 Algorithme par in rémentat ionde débits . . . 67

4.3.2 Algorithme par di hotomies su essives. . . 69

4.3.3 Résultats de Simulations . . . 71

4.4 Attribution de QOS diérentesaux uxet optimisation débit/marge de bruit . 73 4.4.1 Algorithme d'augmentat ion des marges de bruit par in rémentation de marge . . . 74

4.4.2 Algorithmed'augmentat iondesmargesdebruitpardi hotomiessu essives 76 4.4.3 Cas d'un uxprivilégié et d'un ux nonprivilégié . . . 77

4.4.4 Résultats de simulations . . . 77

4.5 Con lusion. . . 78

II Niveau 2 de la DSM : Allo ation oordonnée de puissan e 80 5 Gestion optimisée de l'extin tion dynamique de porteuses DMT 81 5.1 Des ription de lapro édureproposée . . . 82

5.1.1 Prin ipe de lapro édure proposée . . . 82

5.1.2 Dénition desTables . . . 82

5.1.3 Pro édure proposée. . . 83

5.1.4 Des ription de l'Algorithme . . . 86

5.2 Pro essus d'extin tionet de rétablissement de laDSP desporteusesDMT . . . 88

5.2.1 Permutation debits et Permutationrapide. . . 88

5.2.2 Pro essus d'extin tion deporteusesDMT . . . 91

5.2.3 Pro essus derétablissement duniveau deDSP desporteuseséteintes . . 94

5.3 Résultats de Simulations . . . 94

5.4 Con lusion. . . 95

6 Maximisation de la apa ité par allo ation dynamique de débit 97 6.1 Problémat ique traitéeet idée proposée . . . 98

6.2 Optimisation duproblème : Allo ation dynamiquededébit . . . 100

6.2.1 Formulation du problème: Graphe Bipartite. . . 101

6.2.2 Prin ipe de résolution . . . 102

6.2.3 Maximisation deszéros delamatri e . . . 103

6.2.4 Algorithme de rédu tion(voir gure6.7) . . . 106

6.2.5 Optimisation de lasolutionde l'algorithme derédu tion . . . 107

6.3 Optimisation duproblème : Allo ation dynamiquedespe tre . . . 115

6.4 Coexisten ede plusieurs opérateurs danslamême Sous-Répartition . . . 116

6.5 Résultats de simulations . . . 117

6.6 Con lusion. . . 120

III Niveau 3 de la DSM : Transmission Ve torielle 122 7 DSL MIMO et Transmission Ve torielle 123 7.1 Modèlede analet Transmission DMT . . . 125

7.2 Annulation d'interféren e par dé omposition QR . . . 127

7.2.1 Annulation de l'interféren e dansle anal des endant de transmission. . 127

7.2.2 Annulation de l'interféren e dansle anal as endant de transmission . . 129

7.3 Résultats de simulation . . . 130

7.4 Conlusion . . . 132

8 Identi ation de la diaphonie entre paires d'unsystème DSL MIMO 133 8.1 Canal DSL MIMO du modèleproposé . . . 134

8.2 Identi ation desin onnues dumodèle . . . 135

8.3 Identi ation desfon tionsde ouplage . . . 136

8.3.1 Estimation par laméthode desMoindres Carrées(MC). . . 138

8.3.2 Estimation par Dé ompositionen ValeursSingulières (DVS) . . . 138

8.3.3 Estimation par laméthode de l'Erreur QuadratiqueMoyenne (EQM) . . 141

8.3.4 Résultats de simulations . . . 143

8.4 Augmentation des performan es desestimateurs : Séquen e d'apprentissage pé-riodique . . . 146

8.5 Con lusion. . . 148

Con lusionet perspe tives 150 Appendi es 153 A Variation de l'interféren e entre paires DSL ave la distan e 154 A.1 Eet prédominant de lapaire dumême quart et eet dedistan e . . . 154

A.2 S héma àpaire par quart et eetde bord . . . 155

B Démonstration du Théorème 1 158

C Démonstration du Théorème 3 161

1.1 Bande passante d'une bou le terminale . . . 8

1.2 Le multiplexage en fréquen een DSL . . . 8

1.3 Canauxmontant et des endant superposés (EC) enDSL . . . 9

1.4 Annulation d'é ho enDSL . . . 9

1.5 Codage 2B/1Q . . . 11

1.6 Spe tre DMT . . . 12

1.7 Exemples d'allo ation debits en DMT . . . 13

1.8 Ar hite tureDSL . . . 14

1.9 Un NAP servant une onne tivité DSL àplusieurs NSPs . . . 14

1.10 Les élémentsd'un réseau d'a èsDSL . . . 15

1.11 Stru ture d'un âbleDSL . . . 18

1.12 Aaiblissement,en dB,de troislongueurs delignes(300m,600met 900m) selon le modèlede Fran eTélé om . . . 19

1.13 Topologie simpliéed'un systèmeDSL ave un noeud entral CT/UOR . . . . 20

1.14 Fon tionsde ouplage NEXT mesurées surun âble 28 pairesà quarts série 88 de longueur 300m . . . 21

1.15 Fon tions de ouplage FEXT mesurées surun âble 28 paires à quarts série 88 de longueur 300m . . . 22

1.16 Variation duFEXTd'un âble à unautre . . . 23

1.17 Co-lo alisatio n desémetteurs dans lesens des endant et des ré epteurs dans le sens as endantde transmission . . . 25

1.19 Rate region deslignes RT et du CT fon tionnant en mode MA (jaune), en

ap-pliquant l'IWF(violet) et l'OSB(orange). . . 27

2.1 Variations de

F

n

=



1 +

1

_n



n

en fon tionde

n

. . . 33

2.2 Variations de

P

n

en fon tionde

n

pour unetransmissionVDSLet unmodèle de bruit de typeA . . . 34

2.3 Les RSBNenfon tion delafréquen e pour lesporteusesdu sensdes endant du plan fréquentiel 998pour une ligneVDSL delongueur

975m

. . . 36

2.4 Tempsde al ul del'algorithmeproposéet elui deP.S. Chowappliqués ausens des endant de transmissionpourdiérenteslongueurs debou leVDSL . . . 37

2.5 Duréesde al ul ense ondesdel'algorithmedeHughes-Hartogspourdiérentes longueurs

N

∗

de lasolutioninitiale àdistribution plate d'énergie . . . 38

2.6 Nombre de bits transmissiblesatteint par l'algorithme de Hughes-Hartogs pour diérenteslongueurs

N

∗

de lasolutioninitiale àdistribution plate d'énergie . . 39

3.1 Pro essus de"Remplissage par Gammas Croissants" àl'itération

n

. . . 48

3.2 Transmission VDSL sur une liaison de longueur

975m

: (a) Valeurs de

γ

n

; (b) Valeursde

E

e

n

. . . 51

3.3 Comportement de

E

e

n

∗

par rapport à

P

. . . 52

3.4 Flu tuationsdesvaleursde

E

n

∗

autourdesvaleursde

(

E

e

n

∗

= P )

pourdiérentes longueurs delabou le VDSL . . . 52

3.5 (a) Valeurs de

|E

n

∗

−

E

e

n

∗

|

pour diérentes longueurs de la bou le VDSL. (b) Valeursde

|(E

n

∗

)

dB

− (

E

e

n

∗

)

dB

|

. . . 53

3.6 (a) Flu tuationsdu débitde l'algorithme proposé autourdu débitoptimal pour diérenteslongueursde labou leVDSL. (b)Déviationdu débitde l'algorithme proposé enpour entage dudébit optimal. . . 54

3.7 Performan es en débitde l'algorithme"quasi-optimal" proposé . . . 55

3.8 Performan e Temps de al ul de l'algorithme "quasi-optimal" proposé . . . 56

3.9 Courbe desvaleursde

x − 0.5

. . . 57

3.10 Variations de

|

E

e

n

∗

− E

n

∗

|

en fon tion de

α

. . . 58

3.11 Valeursde

E

e

n

∗

et

E

n

∗

pour diérentes valeursdunombre d'itérations

k

et pour diérenteslongueurs debou leVDSL. . . 59

3.12 (a) Valeursde

|E

n

∗

−

E

e

n

∗

|

pour diérentesvaleursde

k

et diérentes longueurs

de bou leVDSL. (b)Valeursde

|(E

n

∗

)

dB

− (

E

e

n

∗

)

dB

|

. . . 60

3.13 (a)Valeursdesdébits

D

e

pourdiérentesvaleursde

k

etdiérentes longueursde bou leVDSL. (b)Variation de

|b

n∗

− b

opt

|

enfon tion de

k

. . . 61

3.14 Performan e Débit del'algorithme optimalproposé . . . 62

3.15 Performan e Temps de al ul de l'algorithme optimalproposé . . . 63

4.1 Chaîne detransmission ADSL . . . 65

4.2 Stru ture d'unetrame . . . 66

4.3 Classement des porteuses par RSBNs roissantset des uxpar marges de bruit roissantes . . . 68

4.4 Performan es débit del'algorithme proposépour

D = 2M b/s

et

R = 6M b/s

. . 72

4.5 Importan e du lassement desuxdanslatrame pour

D = 2M b/s

et

R = 6M b/s

73 4.6 Sous-optimalité dupro essusd'augmentation desmargesde bruitdesux privi-légiés . . . 74

4.7 Optimisation desperforman es débit/marge debruit desux . . . 75

4.8 Optimisation desperforman es débit/marge debruit : (a)MargeTV, (b)Débit Internet . . . 78

5.1 Ar hite tureDSL ave lapartie tier e . . . 84

5.2 Exemplederéalisationd'un y lepour undemandeur à26porteuseset7donneurs 85 5.3 Pro édure de demandede permutation rapide . . . 90

5.4 S énario des simulationsde l'extin tiondynamiquede porteusesDMT . . . 95

5.5 Apportde l'extin tiondynamique deporteusesDMT surles pairesdemandeuses 95 6.1 Cas général de

K

lignes DSL . . . 97

6.2 Cas parti ulier dedeux liaisonsde longueursrespe tives5000met 3000m. . . . 99

6.3 Augmentation du débitdansle as parti ulierdesdeux liaisonsde lagure6.2 100 6.4 Formulation du problèmeet graphe bipartite . . . 101

6.5 Transformationélémentaire : Transfertde poids . . . 105

6.7 Algorithme derédu tion . . . 108

6.8 Non onvexité de

F (E

n

)

. . . 109

6.9 Algorithme dedes ente. . . 111

6.10 Algorithme dere uit simulé . . . 114

6.11 Niveaux d'énergieempilés desbits transmissiblespar pouteuse. . . 116

6.12 Optimisation duproblème par allo ation dynamiquedespe tre . . . 117

6.13 Coexisten ede deuxopérateursdanslamême Sous-Répartition . . . 118

6.14 Optimisationpar allo ationdynamiquedespe tre: apa itésdestronçonsLTet LS . . . 120

7.1 La topologie a tuelle dusystème DSL . . . 123

7.2 La topologie future dusystèmeDSL . . . 124

7.3 La diaphonie dansles systèmesDSL . . . 124

7.4 Sens des endant de transmission: Blo pré odeur pour laporteuse

i

. . . 128

7.5 Système de transmissionve torielle DMTpourle sensdes endant detransmission129 7.6 Sens as endant de transmission: Blo dé odeur pour laporteuse

i

. . . 130

7.7 Système de transmissionve torielle DMT pour lesens as endant de transmission 130 7.8 Débits réalisables danslesensdes endant de transmission . . . 131

7.9 Débits réalisables danslesensas endant de transmission . . . 132

8.1 La diéren ede temps

d

ij

entrel'émetteur

j

etleré epteur

i

,

T

estunepériode pré-dénie . . . 134

8.2 FEXT: Modèlede anal DSL MIMOpour leré epteur

i

. . . 135

8.3 Modèled'identi ation desfon tionsde ouplage NEXT . . . 136

8.4 Modèled'identi ation desfon tionsde ouplage FEXT . . . 137

8.5 Modèled'estimation delafon tion de ouplage

h

j

selon le ritère MC . . . 138

8.6 Modèled'estimation delafon tion de ouplage

h

j

par DVS . . . 141

8.7 Modèled'estimation delafon tion de ouplage

h

j

selon le ritère EQM . . . . 142

8.8 (a)Convergen edel'algorithmed'estimationde

ǫ

2

,(b)Erreurd'estimation

|ǫ

k

8.9 Estimationde

h

2

parl'estimateurMC:(a)

N = 3000

,(b)

N = 4000

,( )

N = 6000

144

8.10 Estimation de

h

2

parDVS : (a)

N = 3000

, (b)

N = 4000

, ( )

N = 6000

. . . . 145

8.11 Estimation de

h

2

parl'estimateur EQM: (a)

N = 3000

, (b)

N = 4000

. . . 145

8.12 (a)Convergen e del'algorithmed'estimation de

ǫ

2

lorsquelaséquen e d'appren-tissage estpériodique, (b)Erreur d'estimation

|ǫ

k

2

− ǫ

2

|

. . . 146

8.13 Estimation de

h

2

par l'estimateur MC lorsque la séquen e d'apprentissage est périodique : (a)

N = 300

, (b)

N = 400

, ( )

N = 500

. . . 147

8.14 Estimation de

h

2

par DVS lorsque la séquen e d'apprentissage est périodique : (a)

N = 300

, (b)

N = 400

, ( )

N = 500

. . . 147

8.15 Estimation de

h

2

par l'estimateur EQMlorsque laséquen e d'apprentissage est périodique : (a)

N = 300

, (b)

N = 400

, ( )

N = 500

. . . 148

A.1 Stru ture du âble 28paires àquartssérie 88 . . . 155

A.2 Eet de lapairesetrouvantdans lemême quart . . . 156

A.3 Eet de ladistan eentreles pairesperturbatri es et lapaire de test . . . 156

A.4 (a) S héma àpaire par quart,(b)Eet de bord . . . 157

A.5 S hémaàpaireparquarteteetdebord.(a)pairesdelongueurs75m,(b)paires de longueurs750m . . . 157

B.1 Théorème 1 : asd'unematri e arrée . . . 159

B.2 Théorème 1 : asd'unematri e re tangulaire . . . 160

C.1 Diérentes positions possibles de

(i

1

, j

1

)

,

(i

2

, j

2

)

,

(i

1

, j

2

)

et

(i

2

, j

1

)

. . . 161

D.1 Lesdeuxpositions possiblesde

(i

1

, j

1

)

et

(i

2

, j

2

)

s'ilssetrouventdansletriangle supérieur . . . 164

1.1 Codage 2B/1Q . . . 10

1.2 Synthèsedesprin ipales te hnologies xDSL . . . 17

1.3 Aaiblissement théorique,linéique endB, enfon tion de lase tiondu ondu teur 19 1.4 Méthode d'annulationd'interféren evs. o-lo alisationdesémetteurset ré epteurs 25 2.1

N

1

et

N

2

pour diérentes longueursde bou les VDSL . . . 35

2.2 Conformité de lasolutioninitialeproposée aux ritères

C

1

et

C

2

. . . 39

2.3

B

total

et

N

3

pour diérentes longueursde bou le VDSL. . . 40

2.4 Plans de fréquen e998,997, Al atel-Bell 1et Al atel-Bell 2 . . . 40

2.5 Tempsde al ul ense ondesde l'algorithmede Hughes-Hartogsave lasolution initiale proposée et de l'algorithme de Hughes-Hartogs lassique, appliqués au sens des endant detransmission surune bou le VDSLde longueur

792m

. . . . 40

3.1 Valeursdes

(∆E

1

i

)

1≤i≤8

. . . 44

3.2 Itérations de ladistribution binaireselon lepro essusoptimal deHughes-Hartogs 45 3.3 Itérations de la distribution binaire selon le pro essus de "remplissage par Gammas roissants". . . 49

3.4 Comparaisonde la omplexitéde l'algorithmeproposéà elledesalgorithmes de P.S.Chow simplié, deP.S.Chow et deHughes-Hartogs . . . 54

3.5 Comparaison de la omplexité de l'algorithme proposé à elle de l'algorithme "quasi-optimal" et des algorithmes de P.S.Chow simplié, de P.S.Chow et de Hughes-Hartogs . . . 61

5.2 Commande de demande depermutation rapide . . . 90

5.3 Codage desentêtes desmessagesde ommande desurdébit . . . 93

5.4 Message d'initialisation de Permutation RapideModiée . . . 93

6.1 Longueurs et débits deslignes detest en l'absen e d'éléments a tifsdanslaSR 117 6.2 Capa ités des deux tronçons LS et LT de haque ligne après introdu tion des élémentsa tifsdanslaSR . . . 118

6.3 Débits augmentés deslignespar allo ation dynamiquede débit . . . 119

6.4 Itérationsdelapro édured'allo ationdynamiquedespe tre:Débitsdestronçons LS . . . 119

7.1 Paramètre s de simulation . . . 130

7.2 Bandes de fréquen edu analas endant et des endant . . . 131

8.1 Comparaison deserreursd'estimation par lestroisméthodesproposées . . . 145

8.2 Comparaison deserreursd'estimation par lestroisméthodeslorsquelaséquen e d'apprentissage estpériodique . . . 147

2B1Q : 2Bits 1Quaternaire

ADSL: Asymmetri Digital Subs riber Line

ANSI : Ameri anNational StandardInstitute For Tele ommuni ations

BBAG: BruitBlan Additif Gaussien

CAP :Carrierless Amplitude Modulation

CPE: Customer PremisesEquipment

CT : Central Téléphonique

DMT : Dis reteMultitone

DSL : Digital Subs riber Line

DSLAM: DSL A essMultiplexer (Multiplexeur d'a èsDSL)

DSM : Dynami Spe trum Management

DSP : Densité Spe rale de Puissan e

DVS : Dé ompositionen ValeursSingulières

EC: E ho Can ellatio n (Annulation d'é ho)

EQM: Erreur QuadratiqueMoyenne

EM: Ele tro-Magneti

ETSI: European Tele ommuni ations Standard Institute

FDD : Frequen y DivisionDuplexing (Duplaxage Fréquentiel)

FEC : Forward ErrorCorre tion

FEXT: Far-End CrossTalk (télé-diaphonie)

FTTArea: Fiber To TheArea

FTTCab :Fiber To TheCabinet

FTTCurb : Fiber ToThe Curb(Fibre autrottoir)

FTTBuilding : Fiber ToThe Building

FTTH : Fiber-To-The-Home (bre optiquejusqu'audomi ile)

HDB3 : High-Density Bipolar 3

HDSL: High DataRateDSL

IP: Internet Proto ol

IWF : Iterative WaterFilling

ISP: Internet Servi eProvider

NAP : Network A essProvider

NEXT : Near-End CrossTalk (paradiaphonie)

NID: Network Interfa eDevi e

NSP : Network Servi eProvider

MA : Margin-Adaptive

MAQ: Modulation d'amplitude en Quadrature

MC: MoindresCarrées

MDF: MainDistribution Frame

MIMO : Multiple-InputMultiple-Output

MPLS : MultiProto olLabelSwit hing

OFDM: Orthogonal Frequen y DivisionMultiplexing

OSB : Optimuim Spe trum Balan ing

PA: Power-Adaptive

PAM: Pulse Amplitude Modulation

PC: Point de Con entration

PBO : Power Ba k-o

PLC: Power LineCommuni ations

RA : Rate-Adaptive

RADSL: Rate-AdaptativeDSL / Bou lelo ale numérique à débitvariable

RE-ADSL : Rea hExtended ADSL.

RNIS : RéseauNumériqueet Intégrationde Servi es

RSB: RapportSignal àBruit

RSBN: RapportSignal àBruit Normalisé

RT: Remote Terminal

RTC : RéseauTéléphonique Commuté

SDSL : Symetri Digital Subs riber Line (DSLSymétrique)

SHDSL: Symmetri High-Bitrate Digital Subs riber Line

SR :Sous-Répartition

TDD: Time DivisionDuplexing

TFD: Transforméede Fourier Dis rète

TFDI: Transformée de Fourier Dis rèteInverse

TFR : Transformée de Fourier Rapide

TFRI : Transformée de Fourier RapideInverse

UOR: Unité Optique de Réseau

VC: VirtualChannel

VDSL: Very HighBit RateDigital Subs riber Line

L'an ienneinfrastru turedeslignesd'abonnésen uivreasus ité unregaind'intérêt très

vif ave l'explosion d'Internet et le perfe tionnement des systèmes DSL (Digital Subs riber

Line).Ces systèmes permettent d'a éder à débit élevé àInternet, de s'adonnerà laré eption

delamusique debonne qualité,et ausside vidéo.

Plusieursphénomènesperturbateursinhérentsàlatransmissionsurlapairetéléphonique

sontsus eptiblesdedégraderlaqualitédelaliaison.Leslimitationssontprin ipalem ent duesà

l'aaiblissement, roissantave lafréquen eetlalongueurdelaliaison,ainsiqu'àdesproblèmes

de ompatibili té éle tromagnétique .

Aujourd'hui, l'interféren e entre les utilisateurs est l'une des limitations prin ipales des

systèmesDSL.Cetteinterféren epeut hangerdemanièresigni ative d'unepaireàuneautre

dansunmême âble DSL,d'un âble DSL à unautre et dansletemps.

LessystèmesDSLutilisenthabituellementlagestionstatiquedespe tre,pourlaquelle

lesmasquesdeDSP (densitéspe traledepuissan e)sontxes.Cetypedegestiongarantitque

leslignesd'unmême âbleDSLsontspe tralement ompatiblesdansunenvironnementdepires

asd'interféren e, maislimite inévitablement les apa itésde eslignes.

Au ontraire, la gestion dynamique de spe tre (DSM) exploite la variation dans le

tempsdel'interféren eentreleslignesand'optimiserleurs apa itésenadaptantleursniveaux

deDSP à l'interféren esubie à l'instant présent.

Dans la littérature, une distin tion est faite entre DSM de niveau 0, 1, 2, et 3 selon le

degré de oordination entre les diérentes lignes d'un âble DSL. Le niveau 0 est asso ié au

as de non oordinatio n entre les lignes du âble. Dans e niveau de la DSM, la gestion de

spe tre est statique et l'augmentat ion des performan es, marge de bruit/débit/ por tée, se fait

par amélioratio n de late hnologie de transmission. Dans leniveau 1,l'allo ation de puissan e

est "autonome" : haque ligne, indépendam ment des autres, règle son niveau de DSP en

mi-nimisant l'interféren e surles pairesvoisines. Quant au niveau 2, ilest àutilisateurs multiples

etl'allo ation depuissan e est oordonnée, visant àéviterau maximum l'interféren eentreles

lignes.Ledernier niveaudelaDSM on erneégalement latransmissionàutilisateursmultiples.

Dans e niveau3,l'annulation d'interféren e estee tuée partransmission ve torielle.

DSMquioptimisentlesperforman esdessystèmesDSL.Lesniveaux0,2et3sonti i onsidérés.

Lepremier hapitreprésente les ara téristiquesprin ipalesdel'environnementduréseau

téléphonique. Par ailleurs, il dresse un état des lieux des te hnologie s xDSL tant du point de

vuehistoriquequete hnique.Ensuite, ildé rit lesphénomènes quisont sus eptibles delimiter

les transmissions à haut débit. Enn, il énumère les solutions proposées pour remédier aux

distorsionssubies par lessystèmes DSL, lesquellessont répertoriées danslesniveaux 0,1,2 et

3de laDSM.

Lestroisniveaux deDSM onsidérés sont dédiés àtrois partiesdiérentes.

La première partie, asso iée au niveau 0, est omposée des hapitres 2, 3 et 4. Dans

ettepartie,lesperforman es margedebruit/débit/portéedeslignesDSL sontaugmentéespar

amélioratio n de la te hnologie de transmission. Plus pré isément, trois méthodes d'allo ation

dis rètede bitsentrelesporteusesd'un systèmeDSL àmodulation multiporteuse(DMT)sont

développées.

Ledeuxième hapitredé ritlepremieralgorithmed'allo ationbinaire,àdistributionplate

d'énergieetdefaible omplexité.Nousdémontrons,parailleurs,que etalgorithmeestune

sim-pli ationimportantedel'algorithmedeP.S.Chow([CHO93℄,[BIN95℄)etlameilleuresolution

initiale, à distribution plate d'énergie, de l'algorithme optimal de Hughes-Hartogs ([BIN90 ℄,

[HUG89℄) 1

.

Dans letroisième hapitre, nousmontrons quele pro essus de Hughes-Hartogs est

équi-valent à un pro essus plus simple dénommé "remplissage par Gammas roissants" qui nous

ramène à ladistribution optimale d'énergie entre les porteuses.L'algorithme proposé dans e

hapitreestde omplexité

◦(N)

etesta ompagnéparuneversion"quasi-optimale"demoindre

omplexité.

Dans le quatrième hapitre, nous présentons une méthode d'attribution de marges de

bruitdistin tesaux diérentsuxd'unemême ligne DSL.Nousprouvons,par desrésultatsde

simulations, que la méthode proposée augmente onsidérablement les performan es marge de

bruit/débit desux.

Ladeuxième partie de etravail est onsa réeauniveau2de laDSM.Dansles hapitres

5et6qui onstituent ettepartie,noustironsprotdela oordination entreleslignesdansun

même âbleDSL an d'optimiser l'allo ation despe tre.

Dansle inquième hapitre, lesperforman es desliaisonsDSL sontoptimisées par

rédu -tiondubruitdediaphoniereçudespairesvoisinesdontledébitestsupérieuraudébitné essaire

auxservi es.Dans ebut,lepro édédéveloppéestunréglagedynamiquedesDSPquis'applique

auxporteuses indépendam ment lesunesdes autres.Ce dispositif al'avantage d'être dé len hé

àtout moment, par une partie tier e introduite dansle gestionnairedu DSLAM, sans générer

d'erreursde transmission.

1

LesalgorithmesdeP.S.ChowetdeHughes-Hartogssontdeuxdesalgorithmesd'allo ationbinaireslesplus

Le sixième hapitre traited'unenouvelle ar hite ture DSL baséesurl'introdu tion

d'élé-ments a tifs introduits dans la sous-répartition, divisant haque ligne en deux tronçons plus

ourtset séparés. Cettear hite tureest ensuiteoptimiséepar DSM de niveau2.

Danslatroisièmeetdernièrepartiede etravail,nousdé rivonslatransmissionve torielle

(niveau 3 de la DSM). Le but de ette te hnique est d'annuler l'interféren e entre les lignes

d'un âbleDSL entraitant onjointementleurssignaux.Cetraitement estrendupossibleparla

olo alisation respe tive des émetteurs et desré epteurs dansle sensdes endant et remontant

de transmission dans le entral téléphonique ou l'unité optique de réseau. Cette partie est

onstituéedes septième et huitième hapitres.

Le hapitre 7présente lemodèle de anal MIMOet dénit latransmissionDMT dansle

ontextemulti-utilisate urs.NousmontronsquelamodulationDMTpermetl'annulation

d'inter-féren edefaçon indépendant edans haqueporteuse. Cesméthodesd'annulation d'interféren e

sontégalement présentées.

An de réaliser l'annulation d'interféren e entre les lignes d'un âble DSL, une

onnais-san ede lamatri ede analMIMO,et pluspré isémentdesfon tionsde ouplagediaphonique

entre haque paire de lignes, est indispensable. Dans le hapitre 8, nousélaborons un modèle

quipermet de déterminer lesfon tionsde ouplage télé-diaphoniqueet para-diapho nique entre

Cettethèseétudie,àplusieursniveaux,les on epts del'allo ationdynamiquedespe tre

et la oordination pour les systèmes DSL multi-utilisate urs. Ces niveaux in luent

l'augmenta-tion des performan es des lignes DSL par dérivation d'algorithmes d'attribution optimale de

ressour esde ommuni ation, le développement de te hniques oordonnées de ommuni ation

et la ara térisationdu analmulti-utilisate urs.

A Partir d'un programme haîne de transmission fourni par George Ginis

2

, un ban

d'essai ADSL et VDSL mono et multi-utilisate urs a été développé. Sur e ban sont

implé-mentéslesprogrammes asso iés auxalgorithmesd'allo ation binaireproposés,lesprogrammes

d'augmentat ion des apa ités des lignes DSL tirant prot de la oordinatio n entre les

utili-sateurs et les programmes de la transmission ve torielle, qui omprennent l'identi at ion des

fon tionsde ouplageentreleslignesDSLetl'implément at iondel'annulationdediaphonie par

dé omposition QR.

Les ontribution s de e travail sont énumérées par hapitre :

1. Le hapitre2proposeunalgorithmed'allo ation binaire,àdistributionplate d'énergieet

de faible omplexité.Ilaétédémontréque etalgorithme, quiafaitl'objetd'un premier

brevet[TLI01℄,estunesimpli ationimportante del'algorithmedeP.S.Chow([CHO93℄,

[BIN95℄)et onstituela meilleure solutioninitiale, à distribution plate d'énergie, de

l'al-gorithme optimal de Hughes-Hartogs([BIN90 ℄,[HUG89℄).

2. Le hapitre3proposeunpro essusditde"remplissage parGammas roissants"quinous

ramène à ladistribution optimale d'énergie entre les porteuses. Ce pro essus, qui a fait

l'objet d'un deuxième brevet [TLI02℄, est équivalent au pro essus de Hughes-Hartogs et

présente l'avantage d'être de omplexité

◦(N)

.

3. Le hapitre4dé rituneméthoded'attributiondemargesdebruitdistin tesauxdiérents

ux d'une même ligne DSL. Il a été prouvé quela méthode proposée augmente

onsidé-rablement lesperforman es margede bruit/débit desux.Ce hapitre à faitl'objetd'un

troisième brevet [TLI03℄.

4. Dansle hapitre5,lesdébitsdeslignesà"défautdedébit"sontaugmentésparrédu tion

du bruitdediaphonie reçudespairesvoisinesen"ex èsdedébit".Un pro édéde réglage

2

dynamique des DSP des lignes du âble DSL, qui a fait l'objet d'un quatrième brevet

[TLI04℄, a été proposé. Puis, un dispositif d'extin tion et de rétablissement, en ours de

fon tionnement , des spe tres des porteuses sans générer d'erreurs de transmission a fait

l'objet d'un inquièmebrevet [TLI05℄.

5. Dansle hapitre 6,une nouvellear hite tureDSL permettantderéduire l'aaiblissement

des lignesDSL en ra our issant lalongueur des lignesa été onçue. Cettear hite ture ,

optimisée par allo ation dynamiquede porteuses entre les ligneset par allo ation

dyna-mique de débit de niveau 2, a fait l'objet d'un sixième brevet [TLI06℄ et d'un dépt de

logi iel.

6. Dans le hapitre 8, unmodèle d'identi ation les fon tionsde ouplage télé-diaphonique

et para-diapho nique entre les lignes d'un système DSL a été élaboré. Ce modèle a fait

Contexte de la Thèse

Le xDSL est un groupe de te hnologie s de transmission ayant une ara téristique

om-mune qui est de faire passer d'importants ux de données sur de simples lignes téléphoniques

(ou paires de uivre). xDSL signie Digital Subs riber Line (ligne d'abonné numérique) pour

DSL et le x re ouvre l'ensemble de la famille de es systèmes. L'avantage de es te hnologies

est de pouvoir atteindre des débits de plusieurs mégabits par se onde (Mbits/s) en utilisant

l'infrastru tureexistante du réseaud'a ès entre le entral téléphonique(CT) et le lient.

Pourremédier auproblèmedesdernierskilomètresdelatransmission,il estenvisageable

dedéployer delabre optiquejusque hezle lient.L'investissementest ependant très

impor-tant. Une autre solution pour proposer des servi es assurant de hauts débits à moindre oût

fût trouvée par les téléphonistes : doper leréseau téléphonique existant. C'est lebut des

te h-nologies xDSL. L'idée de base de es te hnologie s est de repousser la barrière théorique des

300-3400 Hertz (Hz) de la bande passante téléphonique pour atteindre plusieurs Méga-Hertz

(MHz). Néanmoins, ertains paramètres tels quel'atténuation deslignes pairesde uivreet la

diaphonie tendent àlimiter lesperforman es de essystèmes.

Ce premier hapitre dresse, dansla première se tion, un état des lieux des te hnologies

xDSL tant du point de vue historique que te hnique. Les limitations du système DSL font

l'objet de la deuxième se tion. Enn, la troisième se tion est onsa rée à l'état de l'art des

solutionsproposéespouraugmenterlesperforman esdessystèmesDSL,àsavoirl'améliorat ion

de la te hnologie de transmission DSL, l'augmentation de la largeur de la bande spe trale,

l'augmentat iondelapuissan ed'émissionet/ouduniveaudeDSP,larédu tiondel'atténuation

de la paire torsadée et la rédu tion du niveau de bruit reçu par l'équipement terminal DSL.

Dans ette se tion, nous présentons aussi l'allo ation dynamique de spe tre (DSM) proposée

1.1 Les te hnologies xDSL

1.1.1 Leur origine

Le DSL était d'abord un enjeu é onomique. En eet,les modems analogiques lassiques

fon tionnant sur le réseau RTC (Réseau Téléphonique Commuté) étaient, par nature, limités

à un débit de 56 Kb/s.L'internet ne pouvant raisonnablement se on evoir qu'en haut débit,

devait emprunter d'autres voies plus rapides, tel que le âble ou le satellite. De nombreux

opérateurs privés étaient prêts à saisir leur han e. Dès lors, les opérateurs historiques qui

avaient investi depuis plus d'un siè le sur les infrastru tures du réseau ( âbles sous-terrains,

entraux téléphoniques,et .) voyaient le mar hé du haut débit leur é happer, et au-delà, tout

mar hé des télé ommun i ations, ar le haut débit portait aussi la voix téléphonique. C'est la

te hnique du DSL qui a onstitué un saut te hnologique déterminant et a permis d'obtenir le

haut débiten re-exploitant leslignes téléphoniquesexistantes.

Les pro édés de modulation des modems analogiques à 56 Kb/s étaient pourtant très

sophistiqués,mais e quiinterdisaitd'a éder auxhautsdébits 'était lafaiblebande passante

allouée aux liaisons téléphoniques lassiques. Cette bande, appelée " anal voix" était limitée

théoriquementà0Hz-4KHz,pratiquementà300Hz-3,3KHz.Lesraisonsde ettelimitation

n'étaientpasliéesàlabandepassante delaligne elle-même,maisàlané essitédelimiter ette

bande en vue du multiplexage des signaux entre entraux téléphoniques. En eet, la bande

passantedumultiplex onstituéestlasommedesbandespassantesdesdiverses ommuni at ions,

qui, dans le as où elles ne sont pas limitées, impliqueraient une très large bande passante

oûteuse enéquipements.

Leslignesduréseaud'a èsreliantles lientsau entraltéléphoniqueontparelles-mêmes

desbandespassantesbeau oupplusélevéesquipeuventatteindreplusieursMHz.Leste hniques

DSL utilisent la totalité de la bande passante de haque ligne au-delà de la voie phonique de

0-4kHz.

Mais toutes les lignes n'ont pas la même bande passante, en eet, ette dernière est

dire tement liée à la longueur de ligne. De plus, desperturbateur s agissent très diéremment

d'uneligne àuneautreet e àdiérentesfréquen es.LeDSLutiliseradon lesfréquen esdites

supra-vo alesdisponiblessuivantlaqualitéetsurtoutladistan edelaligne terminaledu lient

àson entral de ratta hement.

La gure 1.1 montre la bande passante d'une bou le terminale. Nous observons que le

DSLlaisselibrelabandePOTS(PlainOldTelephoneServi es)réservée àlavoixtéléphonique.

Nouspouvonsdon simultanément téléphoneret ommuniquer numériquement .

1.1.2 Le multiplexage

Lesé hanges numériques pour les systèmesDSL sont bi-dire tion nels. Deuxux

0

4 Khz 20 Khz

1.1 Mhz ...

POTS

Bande utilisée par DSL

Fig.1.1 Bandepassante d'unebou leterminale

1. Le uxmontant "upstream" allant de l'équipement terminal versle réseau.

2. Le uxdes endant "downstream"arrivant duréseau vers l'équipement terminal.

Il existe deuxsolutions pour que es deuxuxpuissent oexistersurune même paire de

uivresansinterférer :

1. Le multiplexage en fréquen eFDM(Frequen y DivisionMultiplexing).

2. L'o upation simultanée d'unemême bande passante ave annulation d'é ho(E ho

Can- ellation : EC).

1.1.2.1 Le multiplexage en fréquen e : FDM

Il s'agit d'allouer deux bandes diérentes aux ux montant et des endant. Les anaux

Upstream et Downstream séparés, il ne peut yavoir d'interféren es entre es ux (voir gure

1.2).Plusle analseralarge,plusledébitmaximalseraimportant.Dansle asduSDSL(DSL

Symétrique),lesdeuxuxsontsymétriques.Maisdansl'utilisationd'un réseautelqu'Internet,

lademandeen débit duuxdes endant estsupérieure à elledu uxmontant, e qui avaluà

etype deDSL lenom d'ADSL(DSLAsymétrique). Dans e as,on attribueau uxmontant

un anal moinslargequ'au uxdes endant.

0

4

20

140 150

Fréquence (Khz)

1100

POTS

_descendant

Canal

Puissance

Canal

montant

1.1.2.2 Canaux montant et des endant superposés: EC

L'avantage de ette te hnique de multiplexage présentée sur lagure 1.3, est

l'augmen-tation de la largeur du anal des endant, don du débit du ux des endant. Son in onvénient

estl'interféren e entre lessignaux desdeuxuxmontant et des endant.

0

4

20

140 150

Fréquence (Khz)

1100

POTS

_descendant

Canal

Puissance

Canal

montant

Canal descendant

Fig. 1.3Canauxmontantet des endant superposés (EC) enDSL

LesystèmeDSL,telquel,nefon tionneraitpasdansle analbi-dire tion nel(20-140KHz).

Lesdeuxéquipementsd'extrémités se omportent omme desgénérateursdetensionsvariables

surune même ligne. Le signal sommerésultant est inexploitable en ré eption. Le moyen pour

ontourner et in onvénient estl'annulation d'é ho.

Chaqueéquipement terminal aune onnaissan e dusignalémis,ildisposesursonentrée

deré eptiond'un dispositiféle troniquesoustra teurquiluienvoielesignalprésentsurlaligne

auquel estsoustraitlesignalémis (voirle montagede lagure1.4).

Émission

Réception

Équipement

terminal

Amplificateur

de ligne

Soustracteur

Émission

Réception

Équipement

terminal

Amplificateur

de ligne

Soustracteur

Annulation d'écho

Fig. 1.4 Annulation d'é ho en DSL

LeDSLutiliseradon lesfréquen essupra-vo alesdisponiblessuivantlaqualitéetsurtout

de modulation lassiques 1

, ela ne surait pas pour atteindre les débits a tuels de 10 Mb/s

ave l'ADSL, ou de25 Mb/save l'ADSL2+.

1.1.3 Le odage en ligne et la modulation

LeDSL utilisel'en odage 2B/1Q(2Bits1Quaternaire )etlamodulationDMT(Dis rete

Multitone) 2

([KAL98℄,[RUI92℄,[CHO93℄et[CIO℄)pourlatransmissiondesbitsd'information.

1.1.3.1 Codage 2B/1Q

Cettete hniquede odageestapparuepourpermettred'augmenterladistan emaximale

de transmission né essaire pour l'introdu ti on du réseau RNIS. Ce odage 2B/1Q fait

orres-pondre à un groupe de deux bits (2B) un réneau de tension, dit symbole quaternaire (1Q),

pouvant endosserquatrevaleursdiérentes(voirtable1.1et gure1.5). Cemodede odageest

utilisépour leHDSL(HighData-RateDSL)ave unevitessedemodulationde584000bauds/s

soit un débit supérieur à 1Mb/s. Cependant, e odage est à bande de base (transmission à

partir de 0 Hz), e qui ne permet pas l'utilisation simultanée du transfert de données et du

servi etéléphonique.

Tab.1.1 Codage 2B/1Q

Groupe de2 bits Tension

00 -3

01 -1

11 +1

10 +3

1.1.3.2 Modulation DMT

La DMT (Dis rete MultiTone)utilise lamodulation MAQ (Modulation d'Amplitude en

Quadrature) [CIO02℄ pour latransmissiondesdonnées numériques.

Modulation d'Amplitude en Quadrature : MAQ

1

Laplupartdespro édésde odageexistants(HDB3ou2B/1Q)pourlatransmissionsurleslignesnumériques

àhautdébit,étaientétudiéspourunetransmissionenbandedebase, 'estàdireave uneutilisationdelabande

totaleàpartirdelafréquen e0.Ce irendaitimpossiblel'exploitation delabandePOTS(0-4KHz)pourune

onversationtéléphoniquesimultanée

2

Certaines te hnologies xDSLutilisaient ommunémentles te hniquesCAP(Carrierless AmplitudePhase)

ouDMT(Dis rete MultiTone). Danslaplupartla normeadéjà tran hépour lamodulationDMT (telleque

l'ADSL).Pourd'autres lamodulationCAP nefaitpluspartie du noyaudelanormemaisest lassée omme

+1

+3

-1

-3

Temps

Horloge

1

0

0

0

0

1

1

1

1

0

1

0

Fig. 1.5 Codage 2B/1Q

La modulation d'amplitude en quadrature (soit Quadrature Amplitude Modulation, ou

QAM,enanglais) estuneformede modulation d'uneporteuseparmodi ation del'amplitude

de laporteuse elle-même et d'une onde en quadrature (une onde en dé alage de phase de

90

o

ave laporteuse)selon l'information transportée par deuxsignauxd'entrée.

Autrement dit, ela peut être onsidéré (utilisant une notation en nombre omplexe)

omme une simple modulation d'amplitude d'une onde,exprimée en omplexe, par un signal,

exprimé en omplexe. L'amplitude et la phase de la porteuse sont simultanément modiées

en fon tion de l'information à transmettre. La modulation MAQ apparaît don omme une

ombinaisonde modulations dephase et d'amplitude .

Modulation Dis rète Multitone : DMT

LamodulationDMT ([KAL98℄,[RUI92℄,[CHO93℄et [CIO℄)aétéadoptée omme norme

par les instan es de normalisation ANSI (Ameri an National Standards Institute) et ETSI

(Institut Européen de Normes de Télé ommuni ations). Son utilisation s'est généralisée sur

le mar hé des solutions xDSL, e qui permet une grande interopérabilité entre les solutions

proposées par les diérents onstru teurs.

La te hnique onsiste à partager la bande passante disponible en un nombre élevé de

anaux(voir gure1.6). Ces anaux reçoivent une modulation de type MAQet sont transmis

en parallèle. Cette te hnique multiporteu se, né essite de forts traitements numériques et n'a

don vu le jour qu'à partir du moment où les DSP (Digital Signal Pro essor) sont devenus

abordables.

La normalisation ANSI T1.413 [ANSIT1-413 04℄ spé ie l'utilisation de 256 porteuses

pourle analderé eption, ha undessous- anauxayantunebandepassantede4KHz.Cha une

desporteuses peut êtremodulée de 0à 15 bits/s/Hz, e qui permet undébit de 60 Kb/spour

ha un de es anaux de transmission.

Deplus,lamodulationDMTallouelesdonnéesdemanièreàoptimiserledébitde haque

Données montantes

Données descendantes

Fréquence

Variation maximale

de 3dB

4KHz 20KHz

1MHz

POTS

Puissance

Fig. 1.6Spe tre DMT

debits portés sur haqueporteuseest variable par equeles apa ités internes detransportde

haque porteuse varient en fon tion de leur fréquen e. Plus la fréquen e est élevée et plus

l'atténuatio n estimportante, permettant ainsiauxfréquen esles plusbassesde transmettre le

plusd'information. Pour éviterlesperturbations duesauxbruitsouauxinterféren es radios,il

sutde oder plusou moinsde bits/s/Hz surlesporteusestou hées.

Lepremierexempledelagure1.7présentedesrapportssignalàbruit(RSB)enfon tion

desfréquen es d'une paire torsadée dans un âble multipaire. Notons que, onformément aux

ara téristiquesdelaligne,lesfréquen esbaseset hautesvéhi ulentpeudebits d'information.

Lese ondexemple delamême gurein lue uneinterféren edue,parexemple,àune

sta-tionradioAM(partienoire).DMTestimealorsqu'ilnefautpastransmettresur esfréquen es,

s'adapteàlaligne et annuleles fréquen es enquestion.

1.1.4 L'ar hite ture DSL

Les te hnologies xDSL reposent sur le on ept de "modems". Ce sont des boîtiers, où

sont ouplésdesmodulateurs-démodulateursdetrèshautesperforman es,pla ésauxextrémités

d'unepaire téléphoniquepour réaliserune ligne d'abonné numérique.

Commelemontrelagure1.8,latopologie d'uneliaisonde bout enbout deservi eDSL

est traditionnel lement divisée en 3 segments : L'équipement terminal lient CPE (Customer

PremisesEquipment), lefournisseur d'a ès NAP (Network A essProvider) et le fournisseur

deservi eNSP (NetworkServi e Provider).

En fournissant la onne tivité entre leterminal lient (CPE) et le fournisseur de servi e

RSB

RSB

Nbre bits

Nbre bits

fréq

fréq

fréq

fréq

Fig. 1.7Exemples d'allo ation debits en DMT

Unexemple ommunest elui de l'a èsàInternet présenté surlagure1.9,où unNAP

peut servir la onne tivité d'a èsDSL à diérents fournisseursInternet ISP(Internet Servi e

Provider).

Le NAP est responsable du modem DSL du CPE, du DSLAM et de la onne tivité du

oeur deréseau auNSP.Pour ette raison,leNAPévite,idéalement,de traiterdesaspe ts liés

auservi e oert omme l'attribution des adresses IPou l'approvisionnement en VPN (Virtual

PrivateNetwork).Il opèreau niveau de la ou heliaison dedonnées ( ou he 2)et onsidère la

onne tivitéentrele lient etlefournisseur deservi e omme untunnelde données.Cemodèle

est diérent de elui des opérateurs de âble où il a toujours été ommun pour le NSP d'être

aussileNAP.

Leséléments ommuns dansunréseau d'a èsDSL, reportés surlagure1.10, sont :

- Les modemDSL ou CPE.

- Le réseau d'a èsde uivre.

- Les POTs splitters.

- Les DSLAMs.

- Le oeur de réseau detransport.

Le modem DSL représente l'équipement terminal du lient. Quant au réseau d'a ès de

Coeur du réseau

Réseau

d'accès

NSP

NAP

CPE

DSLAM

_{Modem DSL}

IP/ATM

Fig. 1.8Ar hite tureDSL

Coeur du réseau

Réseau

d'accès

ISP 1

NAP

CPE

DSLAM

_{Modem DSL}

IP/ATM

NSPs

ISP 2

ISP 3

Fig. 1.9 Un NAPservant une onne tivité DSL à plusieurs NSPs

Main Distribution Frame en anglais) située dans le entral téléphonique, jusqu'à l'utilisateur

nal.Enfon tionde lalongueur du âbleet duniveaudubruitstationnaire, ledébit

transmis-siblesur les pairestorsadées sesitue dansune plage de 1 Mb/sà 10 Mb/spour l'ADSL et de

1Mb/sà 52Mb/spour leVDSL.

LePOTS(PlainOldTelephoneSystemenanglais,etServi esTéléphoniquesAnalogiques

enfrançais)splitteresttrès souvent unsimpleltre passifqui séparelespe treinférieur utilisé

pour la téléphonie du spe tre plus élevé employé par l'ADSL/VDSL. LesPOTS splitters sont

généralement situésau niveau du DSLAM.

LeDSLAM(DSLA essMultiplexerenanglais,etMultiplexeurd'a èsDSL enfrançais)

estune ma hinequi se trouve au niveau du entral téléphonique. Elle rassemblele tra d'un

grand nombre de lignes DSL pour l'envoyer vers le réseau de l'opérateur internet (d'où le

POTS splitter

DSLAM

Modem DSL

IP/ATM

NSP

Coeur du réseau

Paire de

cuivre

Interface principale

de distribution: MDF

Commutateur

de voix

Équipements du central

Téléphonique

Fig. 1.10Les élémentsd'un réseau d'a èsDSL

version2, equiapermisentreautredera orderunplusgrandnombred'abonnésparDSLAM

(passagede 384 à 1008), et surtout de pouvoir mettre enpla e l'ADSL 2qui permet ertaines

amélioratio ns notammentau niveau deladistan emaximaledera ordeme ntdesabonnés.Au

départ, les DSLAMs étaient des dispositifs à tra ATM, de plus en plus rempla és par des

DSLAMsIP.

Le oeur deréseau de transport peut être basésurl'ATM,l'IP oudansbeau oupde as

surles deux(IP over ATM). Dans e réseau, le MPLS (Multi Proto ol LabelSwit hing) joue

unrle deplus en plusimportant.

1.1.5 Aperçu des diérentes te hnologies xDSL

La famille xDSL regroupe les transmissions à hauts débits surla bou le lo ale reliant le

entral téléphoniquele plus pro he au lient. Les versions deste hnologies xDSL dièrent par

lenombre depairestéléphoniques utilisés(1 ou2),labande passante etletype demodulation

utilisée.

1. IDSL (ISDN over Digital Subs riber Line) ou Ligne Numériqued'Abonné ISDN

Symé-trique : Permet la transmission point-à-point de données montantes et des endantes à

haut débit. L'IDSL est surtout utilisé pour des liaisons symétriques. Son débit varie de

64 à144kb/s.LaportéeIDSL maximaleàpartir d'un entral téléphoniqueestde5kms,

mais peut être doubléeave unrépéteur en "U".L'IDSL utilise le odage 2B/1Q.

2. HDSL (High-Data-RateDSL): Cettete hnologie, dont le on ept datede 1986 et dont

lespremiersdéploiement sontdébutéen1992,futnormaliséeauseindesorganismesANSI,

permet le transfert de données à 2.048 Mb/s sur une sur 1 ou 2 paires de uivre sans

orirdeservi edetéléphonieenbandedebase.Commel'IDSL,leHDSLutilise le odage

2B/1Q et estdédié surtout pour les liaisonspoint-à-point symétriques.Il peut aussiêtre

utilisé ave desrépéteurs. Saportée peut atteindre 5Kmssur pairestorsadées.

3. HDSL2 et HDSL4 : Deux su esseurs du HDSL qui transmettent sur une seule paire

de uivredesservi essymétriques.Le HDSL2etleHDSL4réalisentde meilleures

perfor-man es queleHDSLgrâ e àdes odesplusperformants, àsavoirlamodulation odéeen

treillis [WEI87℄ baséesurlamodulation PAM (Pulse Amplitude Modulation) à 16états.

4. SDSL (Single-Line DSL) : Cette te hnologie DSL est spé iée dans la norme ETSI

[ETSIv101-524℄. Elle assure les mêmes performan es que le HDSL en terme de débit

et de portée surune seule paire de uivre. Elle ore,en eet, desdébits symétriques qui

varient entre 64 kb/s et 2.3 Mb/s. Le SDSL utilise tout omme le HDSL2ou leHDSL4

des odes demodulation entrellis.

5. ADSL(Asymetri DSL):Le on eptdestransmissionsADSL, ommel'unedespremières

te hnologie sDSL ave débits asymétriques, datede 1987 et revient à J.W.Le hleiderde

la ompagnie Bell ore. La première norme ADSL ANSI fut [ANSIT1-413 98℄ et ETSI

[ETSIv101-388℄. Contrairement aux te hnologie s xDSL itées plus-haut, l'ADSL ore à

la fois des servi es de transport de données et des servi es téléphoniques, grâ e à la

modulation DMT utilisée. Son débit est, de e fait, adaptable en fon tion de laligne, et

peut atteindre les10 Mb/ssurvoiedes endante et 1 Mb/ssurvoie montante.

6. RADSL (Rate-Adaptative DSL) : Cette te hnologie DSL supporte des appli ations à

la fois symétriques et asymétriques ave desdébits variables. La vitessede transmission

entre les deux équipements terminaux de la ligne est xée de manière automatique et

dynamique, selonlaqualitéde ette dernière.Le débitduuxdes endant va de600kb/s

à 7 Mb/s,et elui duux montant de128 kb/s à1 Mb/s.

7. RE-ADSL (Rea h Extended ADSL) : Au-delà de 6kilomètres du entral téléphonique,

la te hnologie ADSL n'est plus en mesure de desservir les lients. Le Re-ADSL, est la

te hnologiequipermetd'étendrelaportéedel'ADSLjusqu'à7ou8kilomètresen

"boos-tant" lapartie laplusbasse duspe tre, 'estàdireenenvoyantplusd'énergieentre25et

200 kHz.Le RE-ADSLutilise lamême modulation quel'ADSL, laDMT,maissavitesse

est toutefoislimitée à512 kb/s.

8. ADSL2 et ADSL2+ : L'apparition de es deux te hnologie s DSL était onditionnée

par une évolution rapide de la norme ADSL. Le débit et la portée des modems ADSL2

sontaméliorés par unmeilleur gainde odage, suite àl'adoption de lamodulation odée

en treillis. Les en-têtes des trames sont moins volumineuses. Un mode de diagnosti et

de test embarqué sur les modems fa ilite le déploiement de la ligne ( onguration, test

de ligne, diagnosti a essible au fournisseur d'a ès Internet). L'ADSL2 xe, en plus,

des onditions telles qu'en l'absen e de requêtes upstream, les modems entrent en mode

de veille. Par ailleurs, les niveaux d'émission des modems sont xés adaptativement en

fon tion du bruitstationnaire présent surlaligne.

Quant àl'ADSL 2+, ildouble labande de fréquen edes endante par rapportà l'ADSL,

9. VDSL (Very High RateDSL) et VDSL2 : Le VDSL est une nouvelle te hnologie DSL

quipermetdesdébitsjusqu'à52Mb/ssurdesdistan esrelativement ourtesnedépassant

pasles 900m- 1km.Le VDSL,en oursde normalisation, permet desdébits symétriques

ou asymétriques beau oup plus élevés que eux des autres te hnologies xDSL (jusqu'à

52 Mb/s en sens des endant et 3 Mb/s en sens remontant en asymétrique, ou 14 Mb/s

symétriques).Ilpermetaussiletransportsimultanédesservi esRNIS(RéseauNumérique

et Intégration de Servi es). Il utilise la modulation CAP et DMT, et la séparation des

anauxupstreametdownstreamestee tuéeparFDD.Enpratique, ettete hniquepeut

né essiterledéploiement dedéportoptiquejusqu'àl'unitéoptiquederéseau (UOR)et la

mise enpla e d'équipementsa tifsdanslabou lelo ale.

En2005,l'Unioninternationa ledestélé ommun i at ions(UIT),aadoptélanormeVDSL2

(UIT-T G.993.2).Cesystèmepermet d'atteindre desdébitsallant jusqu'à100 Mb/s,soit

dix fois plusimportantsque eux de l'ADSL.

1.1.6 Synthèse des te hnologies xDSL

Latable1.2ré apitulelesprin ipaleste hnologie sxDSLetprésenteleurs ara téristiques

en terme de mode de transmission, débit, mode de fon tionnement anal, odage, portée et

modede séparation des anaux upstreamet downstream.

Tab.1.2 Synthèse desprin ipaleste hnologie sxDSL

Te hnologie Modede Débit Modede Codage Distan e/Débit Modede

xDSL transmission (Mb/s) fon tionnement Km/(Mb/s) séparation

anal des anaux

HDSL Symétrique 1.544 Duplexsur2paires 2B1Q,CAP 5,5/2,048 Annulationd'é ho

2,048 Duplexsur3paires

SDSL Symétrique 0,128à2 Duplex 2B1Q,CAP 3,6/2,048 Annulationd'é ho

ADSL Asymétrique 1,5444à9 Des endant DMT 5,5/1,5 FDM,annulation

0,016à0,640 Montant 1,8/7 d'é ho

RADSL Asymétrique 0,600à7 Des endant DMT,CAP 5,5/1,5 FDM

0,128à1,024 Montant 1,8/7

VDSL Asymétrique 13à52 Des endant DMT,CAP 1,5/3 FDM

1,544à2,3 Montant 0,3/52

1.2 Les limitations du système DSL

La transmission numérique sur paire torsadée est soumise à de nombreuses

perturba-tions. Ces perturbations apparaissent omme des bruits additifs d'origines diverses. Le âble

de télé ommuni ations qui sert de support aux transmissions DSL, appelé dans la suite âble

quel'aaiblissement,ladiaphonie et ladistorsionde phase ( ausée par letorsadagedes paires

uivrées).Lesprin ipalessour esdebruitexternesontlebruitblan additif Gaussien(BBAG)

dont lapuissan e estuniformément répartiedansla bandede fréquen eDSL, lebruit impulsif

généréparles néons,lesmoteurs, lesrelais,et ,et dont leniveau dépend duperturbateur

éle -tromagnétiqueet desapositionparrapportau âble, etenn,lesinterféren es radiofréquen es

provenantpar exemple destransmissions desradio-amateurs.

Aprèsune présentation delastru tured'un âbleDSL,nousnousintéressons,dans ette

se tion,àl'aaiblissementdelapairede uivreetaubruitdediaphonie auséparl'interféren e

éle tromagnétique entrepairesappartenant aumême âble DSL.

1.2.1 Des ription d'un âble uivre

La paire torsadée est onstituée de deux ondu teurs de uivre d'un diamètre ompris

entre0.4mmet 0.8mm(rarement1mm). Les ondu teurssontisolés et torsadés, e qui onfère

unemeilleuresymétrieàlapaire(don diminutiondu ouplageéle tromagnétique ). Laplupart

du temps, et omme reporté sur la gure 1.11, les paires torsadées sont regroupées par deux

dansun âbleprotégéparun"manteau"deplastique, 'est equiestappelé"quart".Les âbles

utiliséssurleréseau téléphonique omprennent de2 à 2400 paireset nesont pasblindés.

Paire torsadée

2 paires par quart

Fig. 1.11 Stru tured'un âble DSL

En hautes fréquen es les limitations du uivre s'a entuent (aaiblissement, diaphonie,

distorsiondephase).Auxbassesfréquen es, esont lesdi ultésliéesauxbruitsimpulsifsqui

dominent.

1.2.2 Aaibli ssement des lignes uivrées

L'aaiblissement,endB,d'uneligneen uivreestproportionnel àsalongueur.Ilvarieen

donnel'aaiblissement théorique,linéique endB, enfon tion de lase tiondu ondu teur.

Tab.1.3 Aaiblissement théorique, linéiqueendB, en fon tionde lase tion du ondu teur

Se tion du ondu teur 4/10 5/10 6/10 8/10 Fréquen e dB/km dB/km dB/km dB/km 0,8kHz 1,61 1,26 1,06 0,81 3,4kHz 3,25 2,50 2,06 1,5 28,8kHz 7,6 5,45 4,3 2,79 64 kHz 9,7 6,9 5,5 3,9 128 kHz 11,8 8,7 7,3 5,4 256 kHz 14,5 11,2 9,8 7,6 300 kHz 15 12,4 10,3 7,9 512 kHz 20,6 17,9 14,1 12

La gure 1.12 présente l'aaiblissement en dB, al ulé selon un modèle développé au

sein de Fran e Télé om, de trois longueursde lignes(300m, 600m et 900m). Nous notonsque

l'aaiblissement augmente ave lafréquen eet lalongueur de ligne.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

x 10

6

−120

−100

−80

−60

−40

−20

0

fréquence (Hz)

Affaiblissement (dB)

Affaiblissement des lignes téléphoniques

300 m

600 m

900 m

Fig.1.12 Aaiblissement,endB, detroislongueursde lignes(300m,600m et900m) selon le

modèlede Fran eTélé om

1.2.3 La diaphonie

La topologie simpliée d'un système DSL ave un noeud entral situé dans le entral

téléphonique (CT) ou l'unité optique de réseau (UOR) est montrée sur la gure 1.13. Les

torsadées en uivre. La transmission de l'information des lients DSL vers le CT/UOR est

désignée par ommuni at ion as endante (upstream), alors que la transmission d'information

dans la dire tion opposée est désignée par ommuni at ion des endante (downstream). Bien

que les médias de ommuni at ion ne soient pas partagés entre les utilisateurs, le ouplage

éle tromagnétique entreles lignesimpliqueque latransmissiond'un signalsur uneligne ause

dessignauxinterférents, dits diaphonie,sur leslignes voisines.

Sens descendant

Sens ascendant

CT / UOR

NEXT

FEXT

Clients DSL

Fig. 1.13 Topologie simpliéed'un systèmeDSL ave unnoeud entral CT/UOR

Ladiaphonie estune limitationdominante dansdessystèmesDSL etsonimpa tdevient

plus sèvère lorsque des fréquen es plus élevées sont utilisées pour la ommuni ati on. La

télé-diaphonie (Far-End Crosstalk : FEXT) désigne les signaux ouplés qui proviennent du té

opposéduré epteurae té, alorsquelapara-diaphonie (Near-EndCrosstalk: NEXT) désigne

les signaux ouplés qui proviennent du même té que le ré epteur ae té. La gure 1.13

illustre les signaux NEXT et FEXT induits par la transmission des endante de la première

ligne. Beau oup de systèmes suppriment le NEXT en séparant la transmission des endante

et as endante, par duplexage temporel (Time Division Duplexing : TDD) ou par duplexage

fréquen iel(Frequen y Division Duplexing : FDD)[SJO99℄.

1.3 Etat de l'art des solutions aux limitations du système DSL

Aujourd'hui, l'interféren e entre les utilisateurs est l'une des limitations prin ipales des

systèmes xDSL.La gestion statiquede spe tre, pour laquelleles masques de densitéspe trale

de puissan e (DSP) sont xes, garantit que les lignes du même âble DSL sont spe tralement

ompatiblesdansun environnement depire asd'interféren e.

Danslaréalitéet omme lemontrent lesgures1.14et 1.15, quireprésentent

respe tive-ment toutes les fon tions de ouplage (378 fon tions) NEXT et FEXTmesurées sur un âble

28 pairesà quartssérie 88 de longueur 300met pour des fréquen es allant jusqu'à30 MHz, le

ouplageentre leslignesdépend de lapaireperturbatri e et de lapaire "vi time".

Fréquence Hz

Fonctions de couplage

PuissancedB

Fig.1.14  Fon tionsde ouplage NEXT mesurées surun âble 28 pairesà quartssérie88 de

longueur300m

DSLàunautre.Lagure1.16montrelesrésultatsdemesuresdelafon tionde ouplageFEXT

d'une ligne 1 sur une ligne 2, et e pour deux âbles 28 paires à quarts série 88 de longueur

600m. Cettegure montre qu'indéniablement l'interféren e varie d'un âble à un autre, même

siles deux âbles possèdent les mêmes ara téristiques et lamême longueur.

L'interféren epeut, enn, hangerdansletemps,et epar exempleenraison de

l'extin -tionet de la miseen route fréquentes des terminaux lientsDSL. Ainsi, par e qu'elleemploie

desmasques de DSP xes, l'allo ation statique de spe tre limite les apa ités des anaux des

lignesdumême âble DSL.

La gestion dynamique de spe tre (DSM) exploite la variation dans le temps de

l'inter-féren e entre les lignes an d'optimiser leurs apa ités en adaptant leurs niveaux de DSP à

l'interféren esubie à l'instant présent.

Les gains débit/portée sont plus signi atifs pour des s énarios de déploiement où

l'in-terféren eentreleslignesest lasour e debruit dominante et oùunerédu tion substantielle de

l'interféren e peut être réalisée. Ces gains ont été rapportés dansplusieurs travaux : [OKS00℄,

[SCH00℄, [ETSIv121℄, [ANSIT1-413 01℄, [RAL98℄ et [GOL95℄.

Dans la première partie de ette se tion sont présentés les diérents hamps d'a tion

permettant d'augmenterles apa itésdeslignesxDSL.Reposantdistin tement sur es hamps

d'a tionet surledegré de oordination entreles lignesdu âbleDSL, les quatreniveaux de la