非対称デジタル加入者線について詳しく解説

導入

プロトコルスタック

7 •	応用
6 •	プレゼンテーション
5 •	セッション
4 •	交通機関
3 •	ネットワーク
2 •	繋がり
1 •	物理的な

インターネットモデル
OSIモデル

非対称デジタル加入者線( ADSL ) は、(アナログモデムとは異なり) 電話サービス自体とは独立して、電話回線または ISDN 回線を使用してデジタルデータを送受信できるようにする通信技術です。このテクノロジーは、いわゆる「高速」アクセスをサポートするために、インターネットサービスプロバイダーによって広く実装されています。

英語の頭字語 ADSL は、 Ametric Digital Subscriber Lineの略で、機能的には「非対称デジタル[リンク] [速度] [オン] 加入者線」と訳されます。フランス語の公式用語では「非対称デジタルリンク」という表現が推奨されていますが、日常言語では依然として頭字語「ADSL」が最も広く使用されています。

その名前が示すように、ADSL テクノロジーには非対称のフローレートが含まれます。つまり、フローレートが対称である SDSL テクノロジーとは異なり、送信の一方向のフローレートが他方の送信方向よりも大きくなります。個人の場合、これは ADSL の場合、アップストリーム速度 (アップロード) がダウンロード速度 (ダウンロード) よりも低くなり、通常は約 5 ～ 20 倍になります。

フランスでは、1999 年に France Telecom Interactive によって ADSL の商用開始が行われました。

動作原理

ADSLの動作原理

加入者の自宅と近所にサービスを提供する公衆交換機 (「電話交換機」) を接続する電話回線は、通常、これら 2 点間で連続する1 対の銅線 (ローカルループ) で構成されます。従来の電話通信(呼び出し音、多周波ダイヤル、音声) に使用される信号は、約 25 ～ 3,400 Hzの周波数帯域を占めます。 ADSL の原理は、電話で使用される周波数帯域よりも上の別の周波数帯域を使用して、可能な電話での会話と並行してデジタルデータを交換することで構成されています。この周波数領域での分離のおかげで、データを伝送する ADSL 信号と音声を伝送する電話信号は、互いに干渉することなく、同じ加入者回線上で同時に循環します。

ADSL は、DSL または xDSL という総称に分類される同様のテクノロジーのファミリーの一部です。このファミリーのさまざまなメンバーは、対称または非対称の性質、提供される速度、特定のサービス品質と互換性のある回線の長さなどによって異なります。これらのテクノロジーの中で、SDSL と VDSL が挙げられます。ただし、これらの他の伝送方法は一般に電話回線の帯域幅全体を使用するため、従来の電話サービスと DSL 伝送の間で帯域幅を共有することはできなくなりました。

操作内容

周波数領域

注意: 以下の章は、ADSL、ADSL2、および Re-ADSL モードに関するものです。 ADSL2+ モードについては、この章の最後にある別の段落で説明します。

ADSL はサブキャリアの概念を使用します。0 Hzから約1.1 MHzまでの周波数帯域は4.3125 kHzの 255 の間隔に分割されます。各間隔の境界は、変調信号であるサブキャリアに関連付けられています。したがって、n 番目のサブキャリアは、基本周波数が[n × 4.3125 kHz ]である信号の形式で実現されます。したがって、ADSLモデムは、それぞれが異なる周波数 (最初のモデムは4.3125 kHz 、2 番目のモデムは8.6250 kHz 、3 番目のモデムは12.9375 kHzなど) で送信する多数のアナログモデムを並列接続したものと考えることができます。

インデックス 0 のサブキャリアはゼロ周波数信号に対応するため、使用されません。インデックス 1 ～ 255 のサブキャリアは、理論的にはデータの送信に使用できます。ただし、インデックス 1 ～ 15 のサブキャリアは、これらのサブキャリアで使用される周波数に近い周波数範囲に電話信号が存在する可能性があるため、通常は使用されません。実際には、ADSL が従来の (アナログ) 電話回線に実装されている場合、インデックス 16 ～ 255 のサブキャリアが ADSL 通信自体に使用できます。

ADSL2 および Re-ADSL ( Reach Extended ADSL ) は、オリジナルの ADSL テクノロジーを発展させたものです。改良された変調/復調技術のおかげで、これらの新しいモードでは、妨害に対する通信耐性が向上し、従来の ADSL 伝送をサポートするには長すぎた回線でも許容可能な動作を得ることができます。

上流方向と下流方向の間のサブキャリアの分配

ADSL は、標準化団体によって主に個人および中小企業を対象としたテクノロジーと考えられています。インターネット上で利用可能なリソースに関して、このカテゴリの顧客は一般に、リモートサイトに情報を送信するよりも、情報をダウンロードする (たとえば、 Web サイトを参照する) 傾向が高くなります。したがって、加入者からネットワークに向かう方向 (英語ではアップストリーム) を犠牲にして、ネットワークから加入者に向かう通信の方向 (英語ではダウンストリーム) を優先することが決定されました。これが、ADSL が非対称と呼ばれる理由です。つまり、ダウンストリーム方向に割り当てられたサブキャリアの数が、アップストリーム方向に割り当てられたサブキャリアの数よりも多くなります。

周波数スペクトル

ADSL が従来の (アナログ) 電話回線に実装されている場合、サブキャリア 16 ～ 31 が加入者からネットワークに送信されるトラフィックに割り当てられます。サブキャリア 33 ～ 255 は、加入者がネットワークから受信するトラフィックに割り当てられます。 ADSL1 では、インデックス 64 のサブキャリアは通信の両方向の基準信号 (「パイロットキャリア」) として機能し、変調されません。 ADSL2 以降のモードでは、パイロットとして使用されるサブキャリアの選択は、同期前のネゴシエーションの一部です。

最新の ADSL モデムには、エコーキャンセル技術に基づくデジタル処理システムが組み込まれており、必要に応じて、インデックスが 32 より小さいサブキャリアを使用してダウンリンクデータを転送することもできます。実際には、この動作モードはスループットの向上が限られているだけで、外乱に対する感度が高くなります。そのため、広く実装される可能性は低いと思われます。

ADSL には 2 つの種類があり、加入者回線がアナログ電話回線 (この場合は ADSL Annex A が使用されます) か、ISDN で運用されている回線 (後者の場合は Annex B が使用されます) であるかに応じて使用されます。上の段落では、附属書 A における ADSL サブキャリアの分布について説明しました。ISDN で使用される周波数範囲は従来の電話よりも広く、約 100 キロヘルツに達するため、附属書 B は、より低い帯域でより多くの未使用のサブキャリアを予約し、それに応じてシフトします。アップリンク方向に使用されるサブキャリアとダウンリンク方向に使用されるサブキャリアの間の境界。 Annex B は、たとえば、公衆電話網のほとんどの回線が ISDN を使用して運用されているドイツで使用されています。

また、ダウンリンク方向に割り当てられるキャリアの数を犠牲にして、アップストリーム方向により多くのサブキャリアを持つことを可能にする別の付録 (付録 M) の存在も指摘できます。このオプションは比較的ほとんど使用されておらず、相互変調によって隣接する加入者回線上の従来の ADSL 通信 (英語ではクロストーク) を妨害する可能性があるため、フランスでは認可されていません。

サブキャリア変調

伝送される 4 ビットのサブキャリアの変調

各サブキャリアは、 1 秒あたり 4,000 シンボルのレートで振幅と位相が変調されます (ただし、この数値は完全に正確ではないことに注意してください。以下の「スーパーフレーム」の段落を参照してください)。シンボルは、情報の多かれ少なかれビット数を表すことができる変調状態です。各サブキャリアの変調複雑度は、そのサブキャリアの回線上で観察される伝送品質に従って選択されます。実際、複雑な変調により大量のビットを転送できるため、スループットが向上しますが、このタイプの変調は受信機でのデコードがより困難であるため、オンラインで発生する可能性のある妨害によって発生する送信エラーの影響を受けやすくなります。したがって、各サブキャリアの変調レベルは、シンボルごとに 2 ～ 15 ビットの情報を伝送するように調整できます。各サブキャリアに割り当てられるビット数は、通信を確立する 2 つの ADSL デバイス間のテスト信号の交換によって実行される回線品質測定フェーズ後の接続の開始時に決定されます。

情報構造

ADSLフレーム

ADSL によって各通信方向に伝送される情報は、この通信方向に割り当てられたすべてのサブキャリアによって伝送されるビットの合計に等しいサイズのフレームに編成されます。たとえば、ダウンリンク方向で 40 個のサブキャリアが使用され、各サブキャリアがシンボルごとに8 ビットを伝送すると仮定すると、対応するフレームのサイズは320 ビット、つまり40 バイトになります。各サブキャリアは 1 秒あたり 4,000 シンボルのレートで変調されるため、毎秒 4,000 フレームが送信されます。この例の数値を使用すると、ダウンストリーム方向の生のレートは 4,000 × 320 ビット、つまり1,280 kbit/sで確立されます。

各フレームには、サービス情報、ユーザーデータ、およびエラーを検出し、可能であれば修正するために使用される冗長バイトが含まれる場合があります。 FEC ( Forward Error Correctionの略) として知られるこのエラー検出および訂正メカニズムは、リードソロモンコードを使用します。したがって、各フレームは、1 つ以上のリードソロモンコードワードの形式で事前に編成されたデータを伝送します。

ADSLスーパーフレーム

同期上の理由から、ADSL フレームは 68 個の連続フレームの「トレイン」にグループ化され、ユーザーデータではなく追加のサービス情報を含む^{69 番目の}制御フレームによって補足されます。これらの 69 フレームのグループは「スーパーフレーム」と呼ばれます。

68 フレームの各グループに制御フレームが存在すると、オンラインで「スペースが占有され」、通常はペイロードレートに影響します。この問題を回避するために、各サブキャリアの実際の変調速度は、上で示したように 4,000 シンボル/秒ではなく、 [4,000 × 69 / 68]シンボル/秒 (約 4,059 シンボル/秒) となり、正確に 4,000 シンボルを送信することが可能になります。 1 秒あたりの「有用な」フレーム数。

交通容量

下方向

回線品質が許せば、各サブキャリアは15 ビットシンボルを使用でき、1 秒あたり 4,000 シンボルを送信できます。ダウンストリーム方向の場合、ユーザーデータを伝送するためのサブキャリアは 223 個あります (これらはサブキャリア 32 ～ 255 からパイロットサブキャリア 64 を引いたものです)。したがって、他の制限がない場合、ダウンストリーム方向の理論上の最大レートは [223 サブキャリア × 15 ビット× 4,000 シンボル]、つまり13,380 kbit/sになります。

実際には、次の 2 つの主な理由により、このフローは低くなります。

リードソロモンコードワード構造では、各フレームで一定数を超えるユーザーバイトを伝送することはできません。ダウンストリーム方向の場合、コードワードに使用される形式は、有用なデータと可能な冗長バイトの間で共有される最大254 バイトを受け入れます。このサイズにより、[ 254 バイト× 8 ビット× 4,000 シンボル/秒]、つまり8,128 kbit/秒の値で確立される理論上の最大スループットが決まります。
回線の特性 (減衰、外部妨害) により、多くの場合、各サブキャリアでシンボルあたり15 ビットを確実に送信することが不可能になります。

これら 2 つの要因により、ダウンストリーム方向の最大ネットスループットは、通常、1 秒あたり数百から数千キロビット程度の中間値に設定されます。さらに、契約した契約 (「料金レベル」と呼びます) によっては、技術的な可能性に関係なく、インターネットアクセスプロバイダーの機器によって速度が自主的に制限される場合があります。

リードソロモン符号によって引き起こされる制限に関しては、その後の規格の修正により、符号語に異なる形式 (「S=1/2」フレーミング) が提供され、各符号でユーザーがほぼ 2 倍のデータを伝送できるようになりました。言葉。このフォーマットが実装されると、スループットは、ダウンストリーム方向に割り当てられた 223 個のサブキャリアすべてによって転送できるビット数によってのみ制限されなくなります。 ADSL の理論上の最大速度は、下り方向で13,000 kbit/sをわずかに超える程度になります。

これらの値は、より多くのサブキャリアを使用する ADSL2+ には適用されません。

上方向

同じ計算が、アップストリーム方向にデータを搬送するために利用できる 31 個のサブキャリアにも適用されます。また、リードソロモンコードワード構造のため、同じ制限が存在します。したがって、アップストリーム方向の最大スループットは1,024 kbit/sになります (この値は ADSL2+ でも同じです)。

ADSL2+

ADSL 2+ は ADSL の進化版で、使用される周波数帯域が約2.2 MHzまで拡張されたことにより、255 個のサブキャリアの代わりに 511 個のサブキャリアを使用します。この容量の増加と、各フレームでより多くのバイトを転送できるように変更されたフレーム構造を組み合わせることで、ダウンストリーム方向で20 Mbit/sを超えるデータレートを実現できます。アップストリーム方向の容量とフローレートは、「クラシック」ADSL と比べて変わりません。

ただし、ADSL2+ の向上したパフォーマンスは、良好な条件下でのみ利用できます。

低い減衰。これはケーブル配線 (セクション) のタイプと回線の長さに依存します。
低ノイズレベルは、ケーブル上の回線の絶縁 (ケーブルシールド、ISDN などの他のサービスに使用される同じケーブルバンドルに沿った隣接するペアの存在)、空中設置(露出が多い) または埋設に依存します。
ルートに沿って強力な電磁障害がないこと（近くにAM ラジオ送信機がないこと）。
ケーブルに沿ったスプライスの数が少ない（エコーおよび共振ノイズ源）。
最近設置された配線（絶縁体の劣化により、時間の経過とともに漏電が増加し、酸化により導体の抵抗が増加します）。
自宅または中央オフィスに設置されているフィルタの数と品質が低い（部分的なアンバンドルの提案により、混合フィルタリングが誘発され、追加の減衰の原因となります）。
加入者の敷地内の屋内設備の配線の良好な絶縁と品質（電子機器、ハロゲン街灯、ネオン管トリガー、電力機器によって引き起こされる干渉源からの保護、エンドソケットに「浮いた」長いケーブルがないこと）。

データ転送

上で説明したように、各基本 ADSL フレームは、サービス情報、エラーの検出と可能であれば訂正に使用される冗長バイト、およびユーザーデータ用のスペースを含むリードソロモンコードワードを伝送します。

通常、ユーザーデータは ATM プロトコルセルの形式で編成され、単位長は53 バイトで、そのうち 48 バイトがユーザーデータ自体に使用できます。各 ATM セルの最初の 5 バイトには、ATM仮想回線参照と、連続するセルのグループ内のユーザーデータの構成に関する情報が含まれています。送信時に、加入者のコンピュータ機器からのデータ (IP パケット、PPP メッセージ、または PPPoE フレーム) は自動的に48 バイトのセクションに断片化され、必要な数の ATM セルに分散されます。受信時に、各セルによって伝送されるデータが抽出され、元のメッセージが受信側機器に配信される前に自動的に再構築されます。

伝送エラーの管理

各 ADSL フレーム内で送信される冗長データにより、受信エラーを検出し、ある程度は修正することができます。エラーが受信した ADSL フレームの数ビットにのみ影響する場合、通常、受信回路に組み込まれたエラー訂正メカニズム (前方誤り訂正) により、損傷したデータを再構築できます。このエラーは、受信統計で「FEC エラー」として報告されます。一方、データが再構築できないほど損傷している場合、エラーは「CRC エラー」の形式で報告されます。場合によっては、CRC エラーが ATM セルのヘッダーに影響を及ぼし、この変更が受信機によって検出され、「HEC エラー」として報告されます。最後に、エラー率が十分に大きい場合、ADSL フレーム自体の構造が影響を受け、受信したデータがそれ以上使用できなくなる可能性があります。次に、フレーミングの損失 (「LOF エラー」) が観察され、これは完全な同期の損失 (「LOS エラー」) に至る可能性があります。このタイプのエラーが発生すると、ADSL モデムは通信を中断し、新しい同期手順を最初から開始することで反応することがほとんどです。これは、インターネットユーザーの間で「非同期」として知られている現象です。

ATM プロトコルは、エラー訂正システムをネイティブにサポートしていません。ネイティブ ADSL エラー訂正デバイス (FEC) が訂正できないほど重大なエラー、つまり CRC タイプのエラーが発生した場合、エラーの影響を受けた ATM セルは受信時に削除されます。したがって、受信者が受信したユーザーデータにはセグメントが欠落しています。一般に、上位レベルのプロトコル層 (TCP など) は、この欠落したセグメントの再送信を要求するために必要な処理を行います。

サブキャリア間のビットの再分配 ( bitswap )

ADSL モデムは、各サブキャリアで測定される受信品質に関する統計を常に維持しています。この評価は、ADSL 通信の開始時 (同期フェーズ) に、各サブキャリアで送信されるテストデータを介して、また 2 つのモデム間で受信信号の品質に関する情報を交換することによって行われます。続いて、受信品質を表す各サブキャリアの信号対雑音比の変化が個別に監視されます。サブキャリアが妨害の影響を受けると、モデムとリモート機器は、このサブキャリアに割り当てられる送信電力を増やすか、サブキャリアで送信されるビット数を減らし、差分をサブキャリアに転送するリクエストを交換する可能性があります。これは受信状態が改善されることで恩恵を受けます。このメカニズムは英語ではビットスワップとして知られており、上流方向と下流方向で独立して動作します。

伝送遅延

受信時に観測される遅延は、ADSL フレーム内の ATM セルのトランスポートモードによって異なります。データに異なる影響を与える 2 つのトランスポートモードがあります。

「高速パス」モードでは、ビットが「先入れ先出し」の順序に基づいて送信されます。このモードでは遅延は最小限ですが、信号の乱れの可能性により、一般に同じ ATM セルの多数の隣接ビットが損傷し、FEC メカニズムによる情報の再構築が不可能になります。したがって、ファストパスモードでは FEC エラー訂正をまったく使用しないのが一般的です。
「インターリーブ」モード。モデムはバイトa の最初のビット、続いてバイト b の最初のビット、というようにバイト k の最初のビットまで送信し、続いて l バイトの 2 番目のビット a、2 番目のビットを送信します。バイト b のビットなど。バイト k-1 の最後のビットとバイト k の最後のビットまで。このモードでは、外乱が発生した場合、たとえ多数のバイトで発生したとしても、通常は 1 バイトあたり 1 ビットのみに影響します。このような状況下では、FEC メカニズムは通常、外乱の影響を受けた情報を再構築できます。一方、インターリーブモードのレイテンシは、ファストパスモードのレイテンシよりも大きくなります。これは、受信機が「a」バイトを配信し、次に「b」バイトを配信できるようになる前に、「k」バイトを受信するまで待機する必要があるためです。等

したがって、低遅延を必要とするユーザー (オンラインゲーマーなど) は、オペレーターが提供する場合は高速パス送信モードを使用しますが、良好な送信信頼性を求めるユーザーはインターリーブモードを好みます。ファストパスモードでは、一般的な遅延時間は約5 msですが、インターリーブモードでは30 ms近くになります。