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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ていましたが、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技術のファミリーです。[ 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の最も一般的に設置されているDSL技術である非対称デジタル加入者線（ADSL）を意味するものとして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、下り方向と上り方向のデータレートは等しくなります。
DSLはデータ伝送に高周波数帯域を使用するため、同じ電話回線上で有線電話サービスと同時に提供できます。顧客宅内では、 DSLと電話サービス間の不要な干渉を防ぐため、各電話機にDSLフィルタが設置されます。
消費者向けADSLサービスのビットレートは通常、 最大256 kbit/s25 Mbit/s であるのに対し、後継の VDSL+ 技術では、顧客への方向 (下り)で16 Mbit/sから250 Mbit/s 、上りで最大40 Mbit/s の速度を実現しています。正確なパフォーマンスは、技術、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顧客には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4MHzのテレビ信号を伝送することが多く、このような回線で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、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・パイク送信局の間を約10マイル（16km ）にわたってそのような回線が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他の障害があり、このような速度が現場で実用化されることを妨げていました。1980年代には、ブロードバンド通信の技術が開発され、限界を大幅に拡張することが可能になりました。1979年には、既存の電話線を、デジタルデータキャリアシステムを介して遠隔コンピュータに接続された電話機とデータ端末の両方に使用する特許が出願されました。[ 5 ]
デジタル加入者線技術の動機は、1984 年に CCITT (現在のITU-T ) が勧告I.120の一部として提案した統合サービスデジタルネットワーク(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。Bellcore (現在のTelcordia Technologies )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により、非対称デジタル加入者線(ADSL) を開発しました。[ 6 ] 1988 年に AT&T ベル研究所が基本的な DSL コンセプトに関する特許を出願しました。[ 7 ]
ジョセフ・W・レヒライダーの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あった。[ 8 ]これにより、インターネットサービスプロバイダは、大量のデータをダウンロードできる一方で、同量のデータをアップロードする必要がほとんどないという利点から消費者に効率的なサービスを提供できるようになった。ADSLは、高速チャネルとインターリーブチャネルの2つの伝送モードをサポートしている。高速チャネルは、時折ビットが失われても許容されるが、遅延は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る。インターリーブチャネルは、配信されるデータはエラーがない必要があるが、エラーを含むパケットの再送信によって発生する遅延（時間遅延）は許容されるファイル転送に適している。
消費者向けADSLは、基本レートインターフェースISDNサービス用に既に整備された既存回線上で動作するように設計されました。エンジニアは、標準的な銅線ペア設備上で従来のデジタル信号1 （DS1）サービスを提供するために、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2 km (1.2マイル)の非シールド ツイスト ペア銅線で8 Mbit/s 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。2 km (1.2マイル)を超える距離では、線路で使用できる帯域幅が大幅に減少し、データ レートが低下します。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、ローカル エクスチェンジ キャリア(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非常に高額でした。あらゆる種類のDSLは、既存のツイストペア線の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、一方の端にあるデジタル加入者線アクセス多重化装置（DSLAM）と、もう一方の端にある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は可能です。機器を含めても、同じ経路と距離に新しい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費用が高いにもかかわらず、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は従量制ダイヤルアップよりもインターネットアクセスを必要とする顧客にとってより良い選択肢となり、データ接続と同時に音声通話も受信できるようになりました。電話会社は、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するケーブル会社との競争により、ADSLへの移行を迫られていました。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に対する需要も、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) が既存の地域交換キャリア(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。アンバンドリング ネットワーク エレメント上の DSL とも呼ばれるこのサービスのアンバンドリングにより、1 人の加入者が 1 本のケーブル ペアで 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 と同じ電話交換局に併設されています。加入者の回線は、ILEC が提供するハードウェアと接続するように再配線され、DSL 周波数と通常の電話サービス(POTS) 信号を 1 本の銅線ペアに組み合わせます。
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 スプリッタと同じ目的を果たします。つまり、ADSL と POTS 電話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 の間の境界点またはその近く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、光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 ]
電話機は、物理的な一対の電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。ローカルループは元々、主に音声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。[ 15 ]しかし、長距離回線が徐々にアナログからデジタル運用に移行するにつれて、ローカルループを介してデータを伝送できる（音声帯域を超える周波数を使用する）という考え方が広まり、最終的にDSLにつながりました。
電話交換機とほとんどの加入者をつなぐローカルループは、POTSの上限である3400 Hzをはるかに超える周波数を伝送する能力があります。ループの 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から始まる4312.5 Hz幅のチャネルを作成することで、ローカルループ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できないと判断されるまで、より高い周波数（ADSLの場合は最大1.1 MHz）に続きます。[ 16 ]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方法で、使用可能かどうか評価されます。使用可能なチャネルが多いほど、利用可能な帯域幅が多くなるため、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い距離しか伝送されません）。
使用可能なチャネル群は、あらかじめ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用に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、仮想回線のペアに結合されます。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他のネットワークサービスに接続できます。
DSL回線における伝送の基盤技術は、高周波搬送波の変調、すなわちアナログ信号伝送を利用しています。DSL回線は両端にモデムを備えており、モデムはビットパターンを特定の高周波パルスに変調して、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。モデムはこのビットパターンをデジタル形式で、コンピュータ、ルーター、スイッチなどの接続機器に送信します。
従来のダイヤルアップモデムは、300～3400 Hz のオーディオベースバンドでビットを信号に変調しますが、DSL モデムは 4000 Hz から最大 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 サービスと従来の電話サービス(POTS) が同じケーブル (音声グレードケーブルとして知られています) 上で共存できます。[ 17 ]回線の加入者側では、各電話機にインラインDSL フィルタが設置され、音声周波数は通過させますが、そうでなければ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します。また、電話機内の非線形要素は、可聴相互変調を発生させ、これらのローパスフィルタがない場合、データモデムの動作を損なう可能性があります。DSL および RADSL 変調は音声周波数帯域を使用しないため、 音声周波数をフィルタリングするために、DSL モデムの回路にハイパスフィルタが組み込まれています。
DSLは3.4kHzの音声周波数制限を超えるため、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とは、並列容量（ツイストペアの2本のワイヤ間の容量）による損失を打ち消すために設計された誘導コイルです。ローディングコイルは、POTS回線で一定間隔で設置されるのが一般的です。このようなコイルがないと、一定の距離を超えると音声サービスを維持できません。そのため、ローディングコイルの設置場所によっては、DSLサービスの対象範囲外となる地域もあります。こうした理由から、電話会社は、ローディングコイルなしでも動作する銅線ループから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が必要な長距離回線は、FTTN （Fiber to the Neighborhoods ）に置き換えることができます。
ほとんどの住宅用および小規模オフィス用DSL実装では、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ることができます。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。加入者回線は、一度に1台のDSLモデムしか使用できません。複数のコンピュータがDSL接続を共有できるようにする標準的な方法は、ルーターを使用して、DSLモデムと顧客宅内のローカルイーサネット、電力線通信、またはWi-Fiネットワークとの接続を確立することです。
DSLの理論的基礎は、通信技術の多くと同様に、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。[ 18 ]一般的に、ビットレートが高いほど、より広い周波数帯域が必要になりますが、デジタル信号処理とデジタル変調方式の著しい革新により、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線形ではありません。
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サービス上（通常はVoIP）または別のネットワーク（例えば、携帯電話）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。米国では一般的にアンバンドルネットワーク要素（UNE）と呼ばれ、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。 [ 19 ]ベルギーでは「生銅線」として知られ、英国ではシングルオーダーGEA（SoGEA）として知られています。[ 20 ]
米国では2004年にQwestが提供を開始し、Speakeasyがそれに続いて、再び注目を集めるようになった。AT &TとSBCの合併[ 21 ]、およびVerizonとMCIの合併[ 22 ]の結果、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る。
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つの機器に集約します。DSLAMとユーザーのDSLモデム間の減衰のため、DSLAMは顧客からあまり遠く離れた場所に設置することはできません。通常、数ブロックの住宅が1つのDSLAMに接続されます。
上の図は、シンプルなDSL接続（青色）の概略図です。右側は、電話会社の電話交換局に設置された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宅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、ルーターと無線アクセス機能の両方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（点線のバブル内）は、接続を簡素化することがよくあります。
交換局では、DSLAM がDSL 回線を終端し、それらを集約して、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伝送に渡します。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、DSLAM に統合されたフィルタまたはスプリッタ、あるいはその前に設置された専用のフィルタリング機器によって分離されます。[ 23 ]農村地域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する周波数が最大 4000 Hz までしか許可されないため、DSL を動作させるには取り外す必要があります 。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]
接続の顧客側はDSLモデムで構成されています。これは、コンピュータで使用されるデジタル信号と、電話回線に印加される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ます。
DSLの一部の方式（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されます。一方、その他の方式（特にADSL）では、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およびソフトウェアといった上位レベルの機能が顧客機器に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。分離は、境界点で行うか、顧客宅内の電話コンセントにフィルタを設置することで行うことができます。DSLゲートウェイにフィルタを統合し、電話機をゲートウェイ経由で接続することも可能です。
最新のDSLゲートウェイは、ルーティング機能やその他の機能を統合していることが多い。システムが起動し、DSL接続を同期した後、 DHCPやPPPoEなどのプロトコルを使用して、ローカルネットワークとサービスプロバイダ間のインターネットIPサービスと接続を確立する。
多くのDSL技術は、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）層を実装することで、同一リンク上で様々な異なる技術を適応させることを可能にしている。
DSLの実装では、ブリッジ型ネットワークまたはルーティング型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ワークに接続されます。初期の実装では、加入者機器にIPアドレスを割り当てるためにDHCPが使用され、認証はMACアドレスまたは割り当てられたホスト名によって行われていました。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っています。
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。
DSL技術（まとめてxDSLと呼ばれることもある）には、以下のものが含まれる。
電話交換局から加入者までの回線長制限は、データ伝送速度に大きな制約をもたらします。VDSLなどの技術は、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（通常は光ファイバーを路側まで敷設するネットワークアーキテクチャで実装される）を提供する方法として利用されています。
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、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。[ 38 ] [ 39 ]この最初の実験は、大型電話ケーブルの金属装甲をシミュレートすることを目的とした金属パイプ内で、互いに平行でツイストされていない銅線を使用して行われました。[ 40 ] [ 41 ]