le réseau téléphonique commuté ou RTC (en anglais PSTN : Public Switched Telephone Network) a été conçu il y a de nombreuses années avec un seul objectif :
Transmettre la parole humaine sous un forme plus ou moins reconnaissable
Même si aujourd'hui la fibre optique domine les échanges, le RTC est encore très présent, ne serait-ce que dans la boucle locale. Il importe donc de l'étudier.
En 1876, peu de temps après qu'Alexander Graham BELL eut déposé son brevet d'invention du téléphone (précédant de quelques heures seulement son rival, Elisha GRAY), il y eut une demande énorme. Au début, les téléphones étaient vendus par paires et il appartenait au client de les relier à l'aide d'un fil électrique. Si un utilisateur voulait converser avec n interlocuteurs différents, il lui fallait être raccordé par autant de fils aux n domiciles de ces derniers.
C'est ainsi qu'en l'espace d'un an, les villes se trouvèrent prises dans un enchevêtrement sauvage de fils passant par dessus les toits et les arbres.
Une bonne idée du ciel américain lors du développement du téléphone aux USA
Il est clair qu'un modèle d'interconnexion où chaque téléphone était relié à tous les autres n'était pas viable (voir schéma ci-dessous).
(a) Réseau avec interconnexion totale
(b) Réseau avec un commutateur central
(c) Réseau hiérarchique à deux niveaux
Bell réagit à cette situation en fondant la société Bell Telephone Company qui inaugure rapidement son premier central téléphonique en 1878 (à New Haven dans le connecticut). La société amena un fil électrique à chaque domicile.
Pour appeler, le client devait tourner une manivelle qui produisait une sonnerie du central téléphonique attirant l'attention d'une opératrice. Celle-ci se chargeait ensuite de raccorder manuellement la ligne de l'appelant à celle du correspondant appelé au moyen d'un câble de jonction sur un tableau de commutation. Ce modèle centralisé est illsutré sur le point (b) du schéma ci-dessus.
Très rapidement, d'autres centraux furent créés un peu partout. Et comme les clients souhaitaient appeler des correspondants dans d'autres villes, il fallu interconnecter ces centraux. Cela posa un nouveau problème : Le raccordement de tous les centraux entre eux au moyen de fils électriques devint impossible à gérer.Ainsi naquit l'idée de créer un central de second niveau. Au bout d'un certain temps, plusieurs centraux de second niveau furent nécessaires. Ceci est illustré au point (c) de la figure ci-dessus.
a partir de 1890, les 3 principaux éléments du système téléphonique étaient en place :
Les centraux téléphoniques
Les câbles (devenu entre-temps des paires torsadées isolées) entre clients et centraux
Les connexions longue distance entre les centraux
Si quelques améliorations ont été apportées depuis à chacun de ces éléments, le système de Bell est resté pratiquement inchangé pendant plus de cent ans.
Chaque téléphone d'abonné est relié au commutateur local ou CL (aussi appelé End office ou Local Central office) le plus proche au moyen d'une paire de fil de cuivre torsadés
Cette liaison, appelée boucle locale ou desserte locale (local loop) est d'une longueur qui varie de 1 à 10 Km. Elle est plus courte en zone urbaine qu'en zone rurale.
Si toutes les boucles locales du monde entier étaient mise bout à bout, elle couvriraient une distance équivalente à 1 000 fois celle qui sépare la Terre à la Lune.
A une certaine époque le cuivre que renfermait les boucles locales représentait 80% de la valeur du capital d'AT&T. L'entreprise était alors la plus grande mine de cuivre au monde. Heureusement cela n'était pas un fait connu des investisseur, auquel cas certains auraient rapidement pris le contrôle de l'entreprise pour déterrer les câbles et revendre le cuivre à un raffineur afin d'obtenir un rapide retour sur investissement.
Lorsqu'un abonné relié à un central téléphonique local appelle un autre abonné attaché au même central, le commutateur local (CL) établit une connexion électrique directe entre les deux boucles locales qui dure tout le temps de la communication. Il s'agit là du niveau de commutation le plus élémentaire dans l'organisation du RTC.
Dans la plupart des grands pays, un commutateur local peut prendre en charge jusqu'à 10 000 boucles locales.
Dans le cas ou l'appelé est rattaché à un autre commutateur local, une procédure différente prend place.
Chaque CL dispose d'un certain nombre de lignes de sorties reliées à un (ou plusieurs) commutateur à autonomie d'acheminement ou CAA (Toll office). Les CAA constituent un second niveau de commutation formant une zone à autonomie d'acheminement, ou ZAA. Une zone urbaine complexe peut contenir plusieurs de ces commutateurs. Les lignes reliant les CL au CAA sont appelées lignes ou artères interurbaines, voire artères principales (toll connecting trunks)
Lorsqu'un appel nécessite de joindre une autre zone à autonomie d'acheminement, le chemin emprunté passe par un commutateur de transit secondaire ou CTS, qui constitue un troisième niveau de commutation et, au besoin, par un commutateur de transit primaire ou CTP, un quatrième niveau de commutation. L'ensemble des artères à haut débit (intertoll trunk ou interoffice trunk) et des commutateurs de transit secondaires et primaires qu'elles relient, forment le réseau national. Le nombre de centre de transit intermédiaires varie selon les pays.
Le schéma suivant vous illustre ce cheminement.
Cheminement typique d'un circuit établi pour une communication interurbaine
Une grande variété de médias de transmission est utilisée dans les réseaux de télécommunication. Pour les dessertes locales, on emploie aujourd'hui des câbles à paires torsadées de catégorie 3. Les différents centre de commutation sont, quant à eux, reliés par des câbles coaxiaux, des faisceaux hertziens ou, surtout, des fibres optiques.
Pour résumer, le système téléphonique traditionnel englobe les trois principaux éléments suivants :
Les boucles locales (câbles à paires torsadées allant jusque dans les habitations ou les entreprises)
Les artères interurbaines et à haut débit (fibre optique reliant les centre de commutation)
Les centres de commutation (où les commutations sont aiguillées)
Commençons par la partie que vous connaissez probablement le plus : La boucle locale. Il s'agit du dernier bastion analogique. Elle est constituée d'une paire de fils de cuivre reliant l'équipement de l'abonné, un particulier, une entreprise, au commutateur local ou au commutateur au autonomie d'acheminement le plus proche. Cette partie restera probablement majoritairement analogique pour quelques années encore du fait du coût qu'impliquerait le passage au numérique.
Lorsqu'un ordinateur souhaite envoyer des données (numériques) sur une ligne RTC (analogique), celles-ci doivent au préalable être converties. Cette conversion est réalisée par un modem.
Au niveau du central téléphonique, le signal analogique est reconverti dans une forme numérique par un codec afin de transiter sur les artères numériques longue distance.
Si l'équipement à l'autre extrémité de la liaison est un ordinateur équipé d'un modem, la conversion inverse (du numérique vers l'analogique) est réalisée pour passer sur la boucle locale de destination. Sur la figure suivante, c'est ce que l'on observe au niveau de l'ISP (Internet Service Provider) (FAI en France pour Fournisseur d'Accès Internet) qui dispose d'un pool de modems, dont chacun est connecté à une boucle locale individuelle. Ce FAI peut gérer autant de connexions qu'il y a de modems. Ce modem était courant avant l'apparition des modems à 56 Kbit/s, pour des raisons que nous allons vous bientôt vous expliquer.
Emploi de liaisons analogiques et numériques lors d'une communication entre deux ordinateurs. La conversion nécessaire est réalisée par les codecs et les modems.
![[Note]](images/note.png) | Rappel afin de ne pas confondre bande passante, symbole, baud et débit binaire |
|---|---|
La bande passante d'un média de transmission est la plage de fréquence qu'il peut supporter avec un minimum d'atténuation. C'est une propriété physique du média. Elle est exprimée en Hertz. Le nombre de bauds est le nombre de modulations par seconde. Chaque modulation transmet un élément d'information ou de symboles. Le nombre de bauds équivaut donc au nombre de symboles. La technique de modulation (par exemple QPSK) détermine le nombre de bits/symbole. Le débit binaire représente la quantité d'informations envoyées sur un canal et il est égal au nombre de symboles/seconde multiplié par le nombre de bit/symbole |
Tous les modems modernes utilisent une combinaison de techniques de modulation pour transmettre plusieurs bits par baud. Souvent plusieurs modulations d'amplitudes et de phases sont combinées pour faire correspondre plusieurs bits par symbole.
Sur le schéma ci-dessous, la figure (a) montre quatre points positionnés respectivement à 45°, 135°, 225° et 315°, et d'un même niveau d'amplitude (distance par rapport à l'origine). Ce schéma comprend 4 combinaisons valides et peut être utilisé pour transmettre 2 bits par symbole. C'est la technique de modulation QPSK.
la figure (b) illustre une autre technique de modulation qui met en oeuvre 4 amplitudes et 4 phases totalisant 16 combinaisons différentes. elle peut être employée pour transmettre 4 bits par symbole. Il s'agit de la modulation d'amplitude en quadrature de phase ou QAM (Quadrature Amplitude Modulation). On rencontre très souvent QAM-16, voir 16-QAM Cette technique peut permettre d'obtenir un débit de 9 600 bit/s sur une ligne à 2 400 bauds.
La figure (c) représente elle aussi une techniqude modulation combinant amplitude et phase. Elle offre 64 combinaisons différentes et peut faire correspondre 6 bits par symbole. On la désigne par QAM-64. Il existe d'autres variantes QAM encore plus performantes.
Schéma à intégrer (2-25)
Le diagramme précédent est appelé diagramme spatial (on rencontrera également le terme de constellation). Tout modem standard à haute vitesse possède son propre diagramme spatial et ne peut dialoguer qu'avec des modem utilisant le même digramme (la plupart des modems à haute vitesse offrent toutefois une émulation de tous les modems plus lents).
Lorsque le diagramme contient plusieurs points, une faible quantité de bruit, même minime, détecté dans une amplitude ou une phase, peut provoquer une erreur. Afin de réduire ce risque, les modems standard à haut débit effectuent une correction d'erreur en ajoutant des bits supplémentaires à chaque modulation. C'est ce que l'on nomme la modulation avec codage en treillis ou TCM (Trellis Coded Modulation). Par exemple, la norme V.32 utilise une constellation de 32 points pour transmettre 4 bits de données et 1 bit de parité par symbole
Quand l'industrie du téléphone atteignit enfin le débit de 56 Kbit/s, elle fut très satisfaite. Entre temps, le secteur de la télévision par câble avait commencé a proposer des débits atteignant 10 Mbit/s sur des câbles partagés et les sociétés de télécommunications par satellite prévoyaient d'offrir un débit montant de 50 Mbit/s. Comme l'accès à Internet représentait une part de plus en plus importante de leur activité, les opérateurs téléphoniques réalisèrent qu'ils avaient besoin d'un produit plus performant. C'est ainsi qu'ils en vinrent à proposer de nouveaux services numériques sur la boucle locale. Les services qui offrent une bande passante plus large que celle du service voix sont parfois appelés services à large bande (broadband), bien que le terme renvoie dans ce cas à un concept davantage marketing que technique.
Initialement les offres furent réunies sous l'appellation générique de xDSL, x ayant plusieurs significations. Nous vous les présenterons un peu plus tard, nous concentrant sur le service ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) qui est le plus connu de tous.
Les modems sont lents pour une raison qui vous est maintenant évidente : Le système téléphonique a été inventé pour transporter la voix et a été soigneusement optimisé à cette fin. L'idée d'y transmettre des données n'est venue qu'après. Au point où chaque boucle locale arrive au central téléphonique, le câble passe par un filtre qui atténue toutes les fréquences inférieures à 300 Hz et supérieures à 3 400 Hz. La fréquence de coupure n'est pas nette - 300 Hz et 3 400 Hz étant les limites incluant l'affaiblissement de 3 dB - si bien que la largeur de la bande passante indiquée est souvent 4 000 Hz, même si la différence entre les fréquences de coupure haute et basse est de 3 100 Hz. Les données doivent également respecter cette bande étroite.
Lorsqu'un client s'abonne au service ADSL, la ligne entrante est connectée à un autre type de commutateur, non équipé de ce filtre, ce qui permet de bénéficier de la capacité totale de la boucle locale. S'applique alors la limite physique de la ligne, non plus celle artificielle de 3 100 Hz introduite par le filtre, mais une limite plus large, de l'ordre de 1 MHz.
Vous avez dû en entendre parler : La capacité de la boucle locale dépend de plusieurs facteurs, dont sa longueur, son épaisseur et sa qualité. Le schéma suivant illustre l'influence de la distance sur la bande passante.
à coller : 2-27
Cette figure vous explique les choix d'un opérateur. Lorsqu'il choisit un débit à offrir, il choisit en même temps un rayon d'éloignement de son central au-delà duquel le service ne peut plus être proposé. En d'autre terme, un client se trouvant au-delà de cette distance ne peut accéder au service. Vous comprenez que plus le débit est faible, plus de rayon de couverture est grand mais moins l'offre est attractive et donc moins de personnes sont disposées à payer pour en bénéficier. L'opérateur devra donc trouver un juste compromis entre commerce et technologie (Il pourrait envisager d'installer des mini-centraux dans une plus grande périphérie, mais cette solution est coûteuse).
Les exigences des services xDSL sont les suivantes :
Ils doivent fonctionner sur les boucles locales de paires torsadées de catégorie 3 existantes
Ils ne doivent pas gêner les téléphones et les télécopieurs en activité chez les abonnés
Ils doivent être beaucoup plus rapides que 56 Kbit/s
Ils doivent être accessibles en permanence, avec seulement un abonnement mensuel au forfait, mais pas de facturation à la minute
La première offre initiée divisait la bande passante disponible sur la boucle locale (environ 1,1 MHz) en 3 sous-bandes de fréquences :
L'une pour le service téléphonique
La seconde pour le canal montant (de l'utilisateur vers le central de l'opérateur)
La troisième pour le canal descendant (du central vers l'utilisateur)
Une autre technique dite Multitonage discrète, ou DMT (Discrete Multitone), illustrée sur le schéma ci-dessous, consiste à diviser en 256 canaux indépendants de 4 312,5 Hz chacun. Le canal 0 est utilisé pour le service téléphonique. Les canaux 1 à 5 ne sont pas exploités afin d'éviter une interférence entre les signaux vocaux et ceux de données. Sur les 250 canaux restants, 1 sert pour le contrôle du flux montant (upstream), un autre pour le contrôle du flux descendant (downstream). Les autres sont disponibles pour le transport des données utilisateur.
Schéma 2_28
En principe, chacun des 248 canaux peut être utilisé pour la transmission duplex de données, mais les problèmes d'harmoniques, de diaphonie, ou autres, maintiennent la capacité du système bien en deça de la limite théorique. Il revient au FAI de déterminer le nombre de canaux à affecter dans chaque direction. Un partage égal (50% dans chaque sens) est possible, mais la plupart des FAI choisissent plutôt d'allouer 80 à 90% dans le sens descendant et le reste dans le sens montant (la plupart des utilisateurs reçoivent davantages de données qu'ils n'en émettent). Ce choix explique l'emploi du "A" dans le sigle ADSL. Une répartition courante prévoit 32 canaux pour le flux montant et les autres canaux pour le flux descendant. On peut aussi exploiter quelques-uns des des canaux supérieurs montants de façon bidirectionnelle pour augmenter la bande passante disponible, bien que cette optimisation nécessite l'ajout d'un circuit spécial afin d'annuler l'echo.
La norme ADSL (ANSI T1.413 et UIT G992.1) autorise des débits allant jusqu'à 8 Mbit/s dans le sens descendant et 1Mbit/s dans le sens montant.
L'application de techniques de modulations, comme nous en avons déjà parlé, permettent de dépasser ces vitesses.
Le schéma ci-dessous illustre l'implémentation typique de l'ADSL. Dans cette configuration, un technicien doit installer une interface réseau, ou NID (Network Interface Device) non loin de chez le client (chez le client dans le cas des particuliers). Cette petite boîte en plastique représente la frontière entre l'opérateur et le client. A proximité, on installe un séparateur de ligne (splitter), c'est-à-dire un filtre analogique servant à isoler les signaux de données des signaux en bande vocales de 0 à 4 000 Hz. Ainsi, un signal du service téléphonique et dirigé vers le téléphone ou le télécopieur, est un signal de données est