デジタル加入者線

デジタル加入者線（DSL）は、元々はデジタル加入者ループと呼ばれ、電話回線を介してデジタルデータを送信するために使用される一連の技術です。[ 1 ]電気通信マーケティングでは、DSLという用語は、インターネットアクセス用に最も一般的にインストールされているDSL技術である非対称デジタル加入者線（ADSL）を意味すると広く理解されています。

ADSLでは、上り方向（サービスプロバイダーへの方向）のデータスループットが低いため、非対称サービスと呼ばれます。対称デジタル加入者線（SDSL）サービスでは、上り方向と下り方向のデータレートは同じです。

DSLサービスは、データ伝送に高周波数帯域を使用するため、同じ電話回線で有線電話サービスと同時に提供できます。お客様宅では、 DSLサービスと電話サービス間の望ましくない干渉を防ぐため、各電話機にDSLフィルターが設置されています。

消費者向けADSLサービスのビットレートは通常、256  kbit/s最大25  Mbit/sですが、後発のVDSL+技術では、顧客方向（下り）で16 Mbit/s～250 Mbit/s 、上りで最大40 Mbit/sの速度を実現します。正確なパフォーマンスは、技術、回線状況、サービスレベルの実装によって異なります。ベル研究所の研究者は、従来の銅線電話回線を使用して1 Gbit/sを超えるSDSL速度を達成しましたが、この速度はまだ顧客に提供されていません。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

歴史

当初、通常の電話回線は、通常9600ビット/秒未満の低速でしか使用できないと考えられていました。1950年代には、通常のツイストペア電話ケーブルでスタジオ間で4MHzのテレビ信号が伝送されることがよくあり 、このような回線であれば毎秒数メガビットの伝送が可能になることが示唆されました。英国では、そのような回線がニューカッスル・アポン・タインのBBCスタジオとポントップ・パイク送信所の間を約10マイル（16km）にわたって敷設されていました。しかし、これらのケーブルにはガウス雑音以外にも障害があり、このような速度は現場では実用的ではありませんでした。1980年代には、ブロードバンド通信技術が開発され、この速度制限は大幅に拡大されました。1979年には、既存の電話線を電話とデータ端末の両方に使用し、デジタルデータキャリアシステムを介してリモートコンピュータに接続する特許が出願されました。[ 5 ]

デジタル加入者線技術のきっかけとなったのは、1984年にCCITT（現ITU-T ）が勧告I.120の一部として提案した総合デジタルサービス網（ISDN）仕様であり、後にISDNデジタル加入者線（IDSL）として再利用されました。ベルコア（現テルコルディア・テクノロジーズ）の従業員は、電話交換機と顧客間の従来のツイストペアケーブルで伝送されていた既存のベースバンドアナログ音声信号よりも高い周波数に広帯域デジタル信号を配置することで、非対称デジタル加入者線（ADSL）を開発しました。[ 6 ] 1988年には、AT&Tベル研究所がDSLの基本概念に関する特許を出願しました。[ 7 ]

ジョセフ・W・レックライダーの DSL への貢献は、非対称構成により対称 DSL の 2 倍以上の帯域幅容量が得られるという洞察でした。[ 8 ]これにより、インターネット サービス プロバイダーは消費者に効率的なサービスを提供できるようになりました。消費者は大量のデータをダウンロードできる機能の恩恵を受ける一方で、同等の量のアップロードはめったに必要ありません。ADSL は、高速チャネルとインターリーブ チャネルの 2 つのトランスポート モードをサポートしています。高速チャネルは、時折のビットドロップは許容されるが遅延はそれほど許容されない、ストリーミング マルチメディアに適しています。インターリーブ チャネルは、配信されるデータにエラーがないようにする必要があるが、エラーを含むパケットの再送によって生じる遅延 (時間遅延) は許容される、ファイル転送に適しています。

消費者向けADSLは、基本速度インタフェースISDNサービス用に既に調整された既存の回線上で動作するように設計されました。エンジニアは、従来のデジタル信号1 （DS1）サービスを標準的な銅線ペア回線上で提供するために、高ビットレートデジタル加入者線（HDSL）や対称デジタル加入者線（SDSL）などの高速DSL設備を開発しました。

旧式のADSL規格では、約2km（1.2マイル）のシールドなしツイストペア銅線で8Mbpsの速度を顧客に提供していました。新しい規格では、これらの速度が向上しました。2km（1.2マイル）を超える距離では、利用可能な帯域幅が大幅に減少し、データ速度も低下します。しかし、ADSLループエクステンダーは信号を中継することでこれらの距離を延長し、地域通信事業者（LEC）があらゆる距離にDSL速度を提供できるようにします。[ 9 ]

DSL SoC

1990年代後半まで、 DSL用のデジタル信号プロセッサは法外なコストでした。あらゆる種類のDSLは、既存のツイストペア線に固有の限界を克服するために、非常に複雑なデジタル信号処理アルゴリズムを採用しています。超大規模集積回路（VLSI）技術の進歩により、DSL導入に関連する機器のコストは大幅に低下しました。主な機器は、片方の端にあるデジタル加入者線アクセス多重装置（DSLAM）と、もう片方の端にある DSLモデムの2つです。

既存のケーブルを利用してDSL接続を構築することが可能です。機器を含めた導入コストは、同じルートと距離に新たに高帯域幅の光ファイバーケーブルを敷設するよりもはるかに安価です。これはADSLとSDSLの両方に当てはまります。DSLが継続的に利用されているのは、新たな物理インフラの敷設に多額の費用がかかるにもかかわらず、性能向上とコスト削減を実現した電子機器の進歩を反映しています。

これらの利点により、ADSLはインターネット接続を必要とする顧客にとって、従量制ダイヤルアップよりも優れた選択肢となり、データ接続と同時に音声通話も可能になりました。電話会社は、DOCSISケーブルモデム技術を用いて同等の速度を実現しているケーブル会社との競争により、ADSLへの移行を迫られました。ビデオやファイル共有といった高帯域幅アプリケーションの需要も、ADSL技術の普及に貢献しました。DSLの最初のフィールドトライアルは1996年に実施されました。[ 10 ]

初期の DSL サービスでは専用のドライ ループが必要でしたが、米国連邦通信委員会(FCC) が既存の地域交換通信事業者(ILEC) に競合する DSL サービス プロバイダーに回線をリースすることを義務付けたことで、共有回線 DSL が利用可能になりました。DSL over unbundled network elementとも呼ばれるこのサービスの分離により、1 人の加入者が 1 組のケーブルで 2 つの異なるプロバイダーから 2 つの別々のサービスを受けることができます。DSL サービス プロバイダーの機器は、顧客の既存の音声サービスを提供している ILEC の機器と同じ電話交換機内に配置されます。加入者の回線は、DSL 周波数と一般電話サービス(POTS) 信号を 1 組の銅線で組み合わせる ILEC 提供のハードウェアとインターフェイスするように配線し直されます。

1999年以降、一部のISPはマイクロフィルタを提供しています。これらのデバイスは屋内に設置され、屋外に設置されるDSLスプリッタと同じ役割を果たします。つまり、ADSLとPOTSの通話に必要な周波数を分割します。[ 11 ] [ 12 ]これらのフィルタは、DSLサービスのセルフインストールを可能にし、顧客とISPの境界点またはその付近に設置されていた初期の屋外DSLスプリッタを排除したいという要望から生まれました。[ 13 ]

2012年までに、米国の一部の通信事業者は、ファイバーバックホールを備えたDSLリモート端末が古いADSLシステムに取って代わっていると報告しました。[ 14 ]

手術

電話は、物理的な2本の線からなるローカルループを介して電話交換機に接続されます。ローカルループはもともと、主に音声の伝送を目的としており、300～3400ヘルツ（商用帯域幅）の音声周波数範囲をカバーしていました。しかし、長距離回線が徐々にアナログからデジタルに移行していくにつれ、（音声帯域を超える周波数を使用することで）ローカルループを介してデータを伝送するというアイデアが定着し、最終的にDSLへと発展しました。

電話交換機をほとんどの加入者に接続している市内回線は、POTSの上限である 3400 Hz をはるかに超える周波数を伝送できます。回線の長さと品質によっては、上限は数十メガヘルツになることがあります。 DSL は、システムの構成方法に応じて 10 ～ 100 kHz で始まる 4312.5 Hz 幅のチャネルを作成し、市内回線のこの未使用の帯域幅を活用します。チャネルの割り当ては、新しいチャネルが使用不可と判断されるまで、より高い周波数 (ADSL の場合は最大 1.1 MHz) まで続行されます。各チャネルは、 POTS 接続でのアナログ モデムとほぼ同じように、使用可能かどうかが評価されます。使用可能なチャネルが多いほど、利用可能な帯域幅も大きくなります。そのため、距離と回線品質が要因となります (DSL で使用される高い周波数は、短距離しか伝送しません)。

使用可能なチャネルプールは、事前に設定された比率に基づいて、上りトラフィックと下りトラフィックの2つの異なる周波数帯域に分割されます。この分離により干渉が低減されます。チャネルグループが確立されると、個々のチャネルは各方向に1つずつ、一対の仮想回線に結合されます。アナログモデムと同様に、DSLトランシーバーは各チャネルの品質を常に監視し、使用可能かどうかに応じてサービスに追加または削除します。上り回線と下り回線が確立されると、加入者はインターネットサービスプロバイダなどのサービスや、企業のMPLSネットワークなどのネットワークサービスに接続できます。

DSL設備における伝送の基盤技術は、高周波搬送波の変調、つまりアナログ信号伝送です。DSL回線は両端でモデムに接続され、モデムはビットパターンを特定の高周波インパルスに変調して相手側のモデムに送信します。相手側のモデムから受信した信号は復調され、対応するビットパターンが生成されます。モデムはこれをデジタル形式で、コンピュータ、ルーター、スイッチなどのインターフェース機器に渡します。

300～3400 Hz の音声ベースバンドでビットを信号に変調する従来のダイヤルアップ モデムとは異なり、DSL モデムは 4000 Hz から最高 4 MHz までの周波数を変調します。この周波数帯域の分離により、DSL サービスと一般電話サービス(POTS) を同じケーブル (音声グレード ケーブルと呼ばれる) で共存させることができます。[ 15 ]回線の加入者側では、インラインDSL フィルタが各電話機にインストールされており、音声周波数は通過させますが、ヒス ノイズとして聞こえる高周波信号はフィルタリングされます。また、電話機の非線形要素によって可聴相互変調が生成され、これらのローパス フィルタがないとデータ モデムの動作に悪影響を与える可能性があります。DSL および RADSL 変調では音声周波数帯域を使用しないため、 DSL モデムの回路には音声周波数をフィルタリングする ハイパス フィルタが組み込まれています。

DSLモデム

DSL は 3.4 kHz 以上の音声制限で動作するため、シャント容量 (ツイストペアの 2 本のワイヤ間の容量) によって生じる損失を打ち消すように設計された誘導コイルであるローディング コイルを通過できません。ローディング コイルは、POTS 回線に通常一定の間隔で設置されます。このようなコイルがないと、特定の距離を超えると音声サービスを維持できません。したがって、DSL サービスの範囲内であっても、ローディング コイルの配置が原因で不適格となるエリアがあります。このため、電話会社は、ローディング コイルがなくても動作できる銅線ループからはローディング コイルを取り除くよう努めています。ローディング コイルを必要とする長い回線は、近隣またはノードへの光ファイバー ( FTTN ) で置き換えることができます。

ほとんどの住宅および小規模オフィス向けDSL実装では、低周波数帯域をPOTS用に確保しているため、（適切なフィルタやスプリッタを使用すれば）既存の音声サービスはDSLサービスとは独立して動作し続けます。そのため、ファックス機やダイヤルアップモデムなどのPOTSベースの通信は、DSLと回線を共有できます。加入者線を使用できるDSLモデムは一度に1台のみです。複数のコンピュータでDSL接続を共有する標準的な方法は、ルータを使用して、DSLモデムと顧客構内の ローカルイーサネット、電力線、またはWi-Fiネットワーク間の接続を確立することです。

DSLの理論的基礎は、多くの通信技術と同様に、クロード・シャノンの1948年の画期的な論文「通信の数学的理論」に遡ることができます。一般的に、ビットレートの高い伝送にはより広い周波数帯域が必要ですが、デジタル信号処理とデジタル変調方式の大きな革新により、ビットレートとシンボルレート、ひいては帯域幅の比率は直線的ではありません。

ネイキッドDSL

ネイキッドDSLは、ローカルループ回線を介してDSLサービスのみを提供する方式です。音声サービスはDSLサービス（通常はVoIP）上、または別のネットワーク（例：携帯電話）を介して提供されるため、顧客が従来の電話音声サービスを必要としない場合に便利です。米国ではアンバンドル・ネットワーク・エレメント（UNE）、オーストラリアではアンコンディショニング・ローカルループ（ULL）、 [ 16 ]ベルギーでは「ロー・カッパー」、英国ではシングル・オーダーGEA（SoGEA）と呼ばれています。[ 17 ]

アメリカでは2004年にQwestがDSLの提供を開始し、 Speakeasyもそれに続き、DSLが復活し始めました。AT &TとSBCの合併[ 18 ]、およびVerizonとMCIの合併[ 19 ]により、これらの電話会社は消費者にネイキッドDSLを提供する義務を負っています。

典型的なセットアップ

2006年のDSLAMの例

顧客側では、DSLモデムが電話回線に接続されます。電話会社は、回線のもう一方の端をDSLAM（デジタル加入者線アクセス多重化装置）に接続します。DSLAMは、多数の個別のDSL接続を1つのボックスに集約します。DSLAMとユーザーのDSLモデム間の減衰のため、DSLAMは顧客からあまり離れた場所に設置できません。1つのDSLAMに複数の住宅街区が接続されるのが一般的です。

DSL接続図

上の図は、シンプルなDSL接続（青色で表示）の概略図です。右側は、電話会社の電話交換機に設置されたDSLAM（DSLAM）です。左側は、オプションのルーターを備えた顧客宅内機器（CPE）です。ルーターは、 PCやその他のローカルデバイスを接続するローカルエリアネットワーク（ LAN）を管理します。お客様は、ルーターと無線アクセスの両方の機能を備えたモデムを選択することもできます。このオプション（破線で囲まれた部分）は、多くの場合、接続を簡素化します。

交換機器

電話交換機の古いスタンドアロンADSLフィルターとスプリッターバンク

交換局では、DSLAMがDSL回線を終端して集約し、PONネットワークやイーサネットなどの他のネットワークトランスポートに渡します。DSLAMはすべての接続を終端し、元のデジタル情報を復元します。ADSLの場合、音声成分もこの段階で分離されます。これは、DSLAMに統合されたフィルタまたはスプリッタ、あるいはDSLAMの前段に設置された専用のフィルタリング装置によって行われます。[ 20 ]地方で電話回線の通信範囲を拡張するために使用される負荷コイルは、電話ケーブルを通過できる周波数が最大4000Hzであるため、DSLを動作させるには取り外す必要があります。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

顧客の機器

DSLモデムの回路図

接続の顧客側はDSLモデムで構成されます。これは、コンピュータで使用されるデジタル信号と、適切な周波数範囲のアナログ電圧信号との間でデータを変換し、電話回線に供給します。

DSLの一部のバリエーション（例えばHDSL）では、モデムはイーサネットやV.35などのプロトコルを使用して、シリアルインターフェースを介してコンピュータに直接接続します。他のケース（特にADSL）では、顧客の機器にルーティング、ファイアウォール、その他のアプリケーション固有のハードウェアやソフトウェアなどの高レベル機能が統合されているのが一般的です。この場合、機器はゲートウェイと呼ばれます。

ほとんどのDSL技術では、DSL信号と低周波の音声信号を分離するために、顧客宅内に適切なDSLフィルタを設置する必要があります。この分離は、境界点で行うことも、顧客宅内の電話コンセントに設置されたフィルタで行うこともできます。DSLゲートウェイにフィルタを統合し、ゲートウェイを介して電話機を接続することも可能です。

最新のDSLゲートウェイは、ルーティングなどの機能を統合していることが多いです。システムは起動し、DSL接続を同期し、最終的にDHCPやPPPoEなどのプロトコルを使用して、インターネットIPサービスとローカルネットワークとサービスプロバイダー間の接続を確立します。

プロトコルと構成

多くの DSL テクノロジでは、低レベルのビットストリーム層の上に非同期転送モード(ATM)層を実装して、同じリンク上でさまざまなテクノロジを適用できるようにします。

DSL実装では、ブリッジ型またはルーティング型のネットワークが構築される場合があります。ブリッジ型構成では、加入者コンピュータのグループは実質的に単一のサブネットに接続されます。初期の実装では、加入者機器にIPアドレスを提供するためにDHCPが使用され、認証にはMACアドレスまたは割り当てられたホスト名が使用されていました。その後の実装では、ユーザーIDとパスワードによる認証にポイントツーポイントプロトコル（PPP） が使用されることが多くなりました。

伝送変調方式

伝送方法は市場、地域、通信事業者、機器によって異なります。

DSLテクノロジー

DSL規格[ 24 ]
フルネーム 略語 ITU-T規格 日付
非対称デジタル加入者線ADSL G.992.1 (G.dmt) 1999
ADSL2 G.992.3 (G.dmt.bis) 2002
ADSL2プラス G.992.52003
非対称デジタル加入者線-Reach Extended ADSL2-RE G.992.32003
シングルペア高速デジタル加入者線SHDSL G.991.22003
超高ビットレートデジタル加入者線VDSL G.993.12004
VDSL2 -12 MHz 長距離 G.993.22005
VDSL2 -30 MHz 短距離 G.993.22005

DSL テクノロジ (総称してxDSLと呼ばれることもあります) には次のものがあります。

電話交換機から加入者までの回線長の制限により、データ伝送速度は大幅に制限されます。VDSLなどの技術は、非常に高速でありながら短距離のリンクを提供します。VDSLは、トリプルプレイサービス（通常はFiber to the Curbネットワークアーキテクチャで実装）を提供する手段として使用されます。

テラビットDSLは、電話ケーブルの銅ツイストペア線の誘電体（絶縁体）間の空間を300GHz信号の導波管として使用し、最大100メートルの距離で毎秒1テラビット、300メートルで毎秒100ギガビット、500メートルで毎秒10ギガビットの速度を実現する技術である。[ 35 ] [ 36 ]この最初の実験は、大きな電話ケーブルの金属外装をシミュレートすることを目的とした金属パイプ内で、互いに平行でねじれていない銅線を使用して実施された。[ 37 ] [ 38 ]

参照

参考文献

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さらに読む

ウィキメディア コモンズには、デジタル加入者線に関連するメディアがあります。
  • ADSL 理論- ADSL の背景と仕組み、およびモデムとDSLAM間の良好な同期を実現するために必要な要素に関する情報。
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