デジタル加入者回線

デジタル加入者線（DSL、元々はデジタル加入者ループ）は、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導入されている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、アップストリーム方向 (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、ダウンストリームとアップストリームのデータ レートは同じです。

DSL 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 DSL サービスを提供できます。顧客の敷地内では、 DSL と電話サービス間の望ましくない相互作用を防ぐために、各電話にDSL フィルターがインストールされています。

消費者向け ADSL サービスのビットレートは、通常 256 kbit/s から 25 Mbit/s の範囲ですが、最近の VDSL+ テクノロジでは、顧客方向 (ダウンストリーム) で 16 Mbit/s から 250 Mbit/s、アップストリームで最大 40 Mbit/s を実現しています。正確なパフォーマンスは、テクノロジ、回線の状態、およびサービス 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、このような速度はまだエンド ユーザーに提供されていません。^{[2] [3] [4]}

当初、通常の電話回線は、通常 9600 ビット/秒未満の控えめな速度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がスタジオ間で 4 MHz のテレビ信号を運ぶことが多く、このような回線では数メガビット/秒の伝送が可能になることが示唆されました。英国では、そのような回線の 1 つが、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 (16 km) にわたって走っていました。しかし、これらのケーブルにはガウス ノイズ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の技術が開発され、制限を大幅に拡大することができました。1979 年には、既存の電話線を電話と、デジタル データ キャリア システムを介してリモート コンピューターに接続されたデータ端末の両方に使用するための特許が申請されました。^[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る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）を開発した。^[6] AT&Tベル研究所は1988年に基本的なDSLコンセプトに関する特許を申請した。^[7]

ジョセフ・W・レックライダーのDSLへの貢献は、非対称構成が対称DSLの2倍以上の帯域幅容量を提供す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から大きな恩恵を受けますが、同等の量をアップロードする必要はほとんどありません。 ADSLは、高速チャネルとインターリーブチャネルの2つの転送モードをサポートしています。高速チャネルは、時折のビットの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、配信データにエラーがないようにする必要がありますが、エラーを含むパケットの再送信によって発生する待ち時間（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、基本速度インターフェイスISDN サービス用にすでに調整されている既存の回線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) サービスを標準の銅線ペア設備で提供するために、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、 シールドなしツイストペア銅線約2km（1.2マイル）で8Mbit/sの速度を顧客に提供していました。新しい規格では、この速度が向上しました。距離が2km（1.2マイル）を超えると、使用可能な帯域幅が大幅に減少し、データ速度が低下します。しかし、ADSLループエクステンダーは信号を繰り返すことでこれらの距離を延長し、地域通信事業者（LEC）が任意の距離にDSL速度を提供できるようにします。 ^[9]

1990 年代後半まで、 DSL 用のデジタル信号プロセッサのコストは法外なものでした。すべてのタイプの DSL では、既存のツイストペア線に固有の制限を克服するために、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) テクノロジの進歩により、DSL の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 2 つの機器は、一方の端にあるデジタル加入者線アクセス マルチプレクサ(DSLAM) と、もう一方の端にある DSL モデムです。

既存のケーブルを使用して DSL 接続を設定することは可能です。機器を含めたこのような導入は、同じルートと距離に新しい高帯域幅光ファイバーケーブルを設置するよりもはるかに安価です。これは、ADSL と SDSL の両方のバリエーションに当てはまります。DSL や同様のテクノロジの商業的成功は、数十年にわたるエレクトロニクスの進歩によるところが大きく、新しいケーブル (銅線または光ファイバー) のために地面に溝を掘るのは依然として高価ですが、パフォーマンスが向上し、コストが削減されています。

これらの利点により、ADSL はインターネット アクセス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提案となり、データ接続と同時に音声通話も受けられるようになりました。電話会社も、同様の速度を実現するためにDOCSIS ケーブル モデム技術を使用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などの高帯域幅アプリケーションの需要も、ADSL 技術の人気に貢献しました。DSL の最初のフィールド トライアルのいくつかは 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 対のケーブルで 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 POTS 信号を 1 対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年以来、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スプリッタと同じ目的を果たします。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近くに設置された初期の屋外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た。^[14]

電話は、物理的な一対の線であるローカル 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) のオーディオ周波数範囲をカバーしていました。しかし、長距離トランクが徐々にアナログからデジタル操作に変換されるにつれて、ローカル ループを介してデータを渡すことができる (音声帯域を超える周波数を使用する) というアイデアが定着し、最終的に DSL につながりました。

電話交換機をほとんどの加入者に接続しているローカル ループは、POTSの上限 3400 Hz をはるかに超える周波数を伝送できます。ループの長さと品質によっては、上限が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することにより、ローカル ループ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、アナログ モデムがPOTS 接続で行うのとほぼ同じように、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、使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のプールは、事前に設定された比率に基づいて、アップストリームトラフィックとダウンストリームトラフィックの 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軽減されます。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、1 組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。アップストリーム回線とダウンストリーム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他のネットワーク サービスに接続できます。

DSL 設備を介した転送の基本技術は、高周波搬送波の変調、つまりアナログ信号伝送を使用します。DSL 回路は両端でモデムで終端し、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、反対側のモデムに送信します。遠端のモデムから受信した信号は復調されて対応するビット パターンが生成され、モデムはそれをデジタル形式で、コンピューター、ルーター、スイッチなどのインターフェイス機器に渡します。

従来のダイヤルアップモデムはビットを300～3400 Hzのオーディオベースバンドの信号に変調しますが、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、音声周波数を通過させますが、ヒスノイズとして聞こえる高周波信号をフィルタリングします。また、電話機の非線形要素により可聴相互変調が発生し、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 は 3.4 kHz の音声制限を超えて動作するため、負荷コイルを通過できません。負荷コイルは、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す。負荷コイルは、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、一定の距離を超えて音声サービスを維持することはできません。したがって、DSL サービスの範囲内であっても、負荷コイルの配置が原因でサービス対象外となるエリアがあります。このため、電話会社は負荷コイルがなくても動作可能な銅線ループから負荷コイルを取り除くよう努めています。負荷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。

住宅や小規模オフィスの DSL 実装のほとんどでは、POTS 用に低周波数が確保されているため、(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。したがって、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。一度に1 つの DSL モデムだけが加入者回線を使用できます。複数のコンピュータで DSL 接続を共有するための標準的な方法は、ルータを使用して、DSL モデムと顧客の敷地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、他の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」にまで遡ることができます。一般に、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 レートの比率、したがって帯域幅の比率は直線的ではありません。

ネイキッド DSL は、ローカル ループ上で DSL サービスのみを提供する方法です。音声サービスは DSL サービス (通常はVoIP ) または別のネットワーク (例:携帯電話) 経由で受信されるため、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。米国では一般にアンバンドル ネットワーク エレメント(UNE)とも呼ばれ、オーストラリアでは無条件ローカル ループ (ULL) として知られています。 ^[16]ベルギーでは「raw copper」、英国ではシングル オーダー GEA (SoGEA) として知られています。^[17]

アメリカでは2004年にQwest社がDSLの提供を開始し、Speakeasy社がそれに続いて復活し始めました。AT &TとSBC社の合併^[18]、VerizonとMCI社の合併^[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。

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配置できません。1 つの DSLAM にいくつかの住宅街区が接続されるのが一般的です。

上の図は、単純な DSL 接続 (青色) の概略図です。右側は、電話会社の電話交換機にある DSLAM を示しています。左側は、オプションのルーターを備えた顧客構内機器を示しています。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 ネットワークを管理します。顧客は、ルーターとワイヤレス アクセスの両方を備えたモデムを選択できます。このオプション (破線で囲まれた部分) により、接続が簡素化されることがよくあります。

交換機では、デジタル加入者線アクセスマルチプレクサ（DSLAM）がDSL回線を終端して集約し、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、音声コンポーネント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、またはその前に設置された特殊なフィルタリング機器によって行われます。^[20]地方で範囲を拡張するために使用される電話回線の負荷コイルは、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]}

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

一部の DSL バリエーション (たとえば、HDSL ) では、モデムはEthernetやV.35などのプロトコルを使用して、シリアル インターフェイス経由でコンピューターに直接接続します。その他の場合 (特に ADSL) では、顧客の機器がルーティング、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の機能と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 信号を低周波音声信号から分離するために、顧客の敷地内に適切なDSL フィルタを設置する必要があります。分離は、境界ポイントで行うことも、顧客敷地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、ゲートウェイ経由で電話を接続できるようにすることも可能です。

最近の DSLゲートウェイには、ルーティングやその他の機能が統合されていることがよくあります。システムが起動し、DSL 接続を同期し、最後に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。

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、ブリッジまたはルーティングされたネットワークを作成できます。ブリッジ構成では、加入者コンピュータのグループが実質的に単一のサブネットワークに接続されます。初期の実装では、DHCP を使用して加入者機器にIP アドレスを提供し、 MAC アドレスまたは割り当てられたホスト名で認証していました。その後の実装では、多くの場合、ポイントツーポイント プロトコル(PPP) を使用してユーザー ID とパスワードで認証します。

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。

• 最も一般的な種類の離散マルチトーン変調（DMT）、直交周波数分割多重（OFDM）とも呼ばれる
• トレリス符号化パルス振幅変調（TC-PAM）は、HDSL2およびSHDSLに使用されます。
• キャリアレス振幅位相変調（CAP）は、1996年にADSLでは廃止され、HDSLで使用されました。
• 2 バイナリ、1 クォータナリ(2B1Q)、IDSL および HDSL で使用

DSL テクノロジー (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。

• 対称デジタル加入者線(SDSL)。双方向のビットレートが等しい xDSL の総称です。
  • ISDNデジタル加入者線（IDSL）、2つのISDNベアラと1つのデータチャネルに相当するビットレート（1ペアで144 kbit/s対称）を提供するISDNベースの技術
  • 高ビットレート デジタル加入者線(HDSL)、ITU-T G.991.1、ISDN よりも高い周波数スペクトルを使用した最初の DSL テクノロジ、1,544 kbit/s および 2,048 kbit/s の対称サービス、各 784 kbit/s の 2 ペアまたは 3 ペア、各 1,168 kbit/s の 2 ペア、または 2,320 kbit/s の 1 ペア
  • 高ビットレート デジタル加入者線 2/4 (HDSL2、HDSL4)、ANSI、1 対 (HDSL2) または 2 対 (HDSL4) で 1,544 kbit/s 対称
  • 対称デジタル加入者線（SDSL）、特定の独自技術、1ペアで最大1,544 kbit/sの対称
  • シングルペア高速デジタル加入者線(G.SHDSL)、ITU-T G.991.2、HDSL および独自仕様の SDSL の後継規格、ペアあたり最大 5,696 kbit/s、最大 4 ペア
• 非対称デジタル加入者線(ADSL)。ビットレートが一方向で他方向よりも高い xDSL の総称。
  • ANSI T1.413 Issue 2、最大 8 Mbit/s および 1 Mbit/s
  • G.dmt、ITU-T G.992.1、最大10 Mbit/sおよび1 Mbit/s
  • G.lite、ITU-T G.992.2、G.dmtよりもノイズや減衰に強く、最大1,536 kbit/sおよび512 kbit/s
  • 非対称デジタル加入者線 2 (ADSL2)、ITU-T G.992.3、最大 12 Mbit/s および 3.5 Mbit/s
  • 非対称デジタル加入者線 2 プラス(ADSL2+)、ITU-T G.992.5、最大 24 Mbit/s および 3.5 Mbit/s
  • 超高速デジタル加入者線（VDSL）、ITU-T G.993.1、最大52 Mbit/sおよび16 Mbit/s
  • 超高速デジタル加入者線2（VDSL2）、ITU-T G.993.2、VDSLの改良版、ADSL2+と互換性あり、両方向の合計速度は最大200 Mbit/s。^[25] G.vectorクロストークキャンセル機能（ITU-T G.993.5）を使用すると、特定のビットレートで範囲を拡大できます（例：最大500メートルで100 Mbit/s）。^[26]
  • G.fast、ITU-T G.9700およびG.9701、^[27] 100mで最大約1Gbit/sの総合上り下り速度。^[28] 2014年12月に承認され、2016年に導入が予定されている。^{[29] [30]}
  • XG-FASTは、銅線ツイストペア線で最大10Gbpsの速度を実現しますが、長さは最長30メートルに限られます。実際のテストでは、30メートルのツイストペア線で8Gbpsの速度が実証されています。^{[31] [32] [33]}
• ボンディング DSL リング(DSL リング)、400 Mbit/s の共有リング トポロジ
• ケーブル/DSLゲートウェイ
• Etherloopイーサネットローカルループ
• 高速音声・データリンク
• レート適応型デジタル加入者線（RADSL）は、上り速度を犠牲にして範囲とノイズ耐性を高めるように設計されています。
• Uni-DSL（Uni デジタル加入者線または UDSL）は、Texas Instruments が開発した技術で、すべての DMT 標準と下位互換性があります。
• ハイブリッドアクセスネットワークは、既存のxDSL展開とLTEなどの無線ネットワークを組み合わせ、2つのアクセスネットワーク上のトラフィックを分散させることで帯域幅とエクスペリエンスの品質を向上させます。^[34]

電話交換機から加入者までの回線の長さの制限により、データ伝送速度が厳しく制限されます。VDSL などのテクノロジは、非常に高速ですが短距離のリンクを提供します。VDSL は、トリプル プレイサービスを提供する方法として使用されます(通常はファイバー ツー ザ カーブネットワーク アーキテクチャで実装されます)。

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することを提案する技術であり、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提供できます。^{[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ました。^{[37] [38]}

• ダイナミックスペクトル管理(DSM)
• ジョン・シオフィ- 「DSLの父」として知られる^[39]
• インターネット利用者数による国別リスト
• インターフェースビットレートのリスト

• デイブ・バースタイン（2002年）。DSL 。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。ISBN 0-471-08390-9。53～86ページ
• デジタル加入者線。国際エンジニアリングコンソーシアム。2001年。ISBN 978-0-933217-95-9。
• 「G.Sup50 – デジタル加入者線勧告の概要」。ITU-T。2011年9月。 2013年12月26日閲覧。

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。