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Technologie des télécommunications Téléphonie p 7.1
La téléphonie.
Généralités.
Jusqu'à la fin des années 80 une distinction nette entre la téléphonie public et la téléphonieprivée était faite. Le réseau téléphonique public, organisé et géré en Belgique par Belgacom,était le support obligé pour le transfert des informations à grande distance. Seule la téléphonieet les réseaux à l'intérieur des entreprises étaient libres.
L'évolution très rapide des réseaux, des moyens de communication et des services proposésdurant ces dernières années ainsi que la libération des télécommunications a redéfini unpaysage très différent de celui qui existait dans les années 80.
Parmi les bouleversements importants ayant eu lieu citons
• la téléphonie numérique (ISDN)• le GSM• les hauts débits sur ligne analogique (ADSL)• la convergence de la téléphonie et des réseaux d'ordinateurs.
L'étude de la téléphonie va nous permettre de découvrir des techniques intéressantes etdirectement applicables au domaine des réseaux.
Architecture du réseau téléphonique public.
Le câblage du réseau téléphonique est organisé d'une manière structurée et hiérarchique.
La découpe se fait de la manière suivante :
• la zone à laquelle correspond le préfixe du numéro est gérée par un centre de zone
• le réseau, associé au premiers chiffres du numéro, est sous le contrôle d'un répartiteur
Les centres de zones et les répartiteurs participent à l'établissement de la connexion entre lesabonnées.
Ensuite vient la borne de répartition de laquelle partent des câbles comportant un certainnombre de paires permettant le raccordement de l'abonné via un câble d'introduction.
Les liaisons entre centre de zone, entre centre de zone et répartiteurs et entre répartiteurs sontassurées en grande partie par des fibres optiques, un codage numérique des informations et unmultiplexage de type SDH. A terme les liaisons optiques devraient atteindre les bornes derépartition.
Technologie des t
Zones et réseaux.
Raccordement
e
Zonélécommunications Téléphonie p
de l'abonné.
Centre de zone
Répartiteur ( un par réseau)
Câble de jonction
Liaison entre zones (trunk)
Réseau
d
Boîtierd'introduction
Prise
Borne derépartition
7.2
Câble'alimentation
Câble dedistribution
Câbled'introduction
Technologie des télécommunications
Les commutateurs.
Le routage d'un appel dans les réseaux et dans les centraux téléphoniques fait appel à lacommutation de circuits.
Dans le réseau téléphonique public, les commutateurs sont reliés entre eux au travers deliaison SDH, chaque communication occupe une voie à 64 kbps dans une trame E1 faisantpartie de la hiérarchie SDH.
Il existe deux types de commutateurs temporelle.
Commutation spatiale.
Ce type de commutateur, appelé crossélément permettant de relier toute ligninterrupteur électronique.
.
ADM
Téléphonie
: ceux à commutation sp
bar, se compose d'une me d'entrée avec une ligne
SDH
ADM
Commutateur
atiale et ceux à
atrice de conne de sortie au tr
.
Commutateurp 7.3
commutation
xion avec unavers d'un
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Comme le nombre de points de connexions augmente comme le carré de nombre de lignesd'entrées, ce type de commutateur n'est utilisable que pour des commutateurs de faiblecapacité. Les plus gros commutateurs utilisent une technique à plusieurs étages decommutation.
Le nombre de connexion est de : 2
2
+
n
NkkN
Dans ce type de commutateur la saturation est fonction du paramètre k. Elle aura lieu au delàde 8 lignes connectées (dans l'exemple ou k=2) et au delà de 12 lignes connectées (dansl'exemple ou k=3).
Commutation temporelle.
Il s'agit d'un multiplexeur temporel suivit d'un mélangeur d'ordre des voies
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Services fournis par le réseau public.
Les services proposés à l'heure actuelle sont les suivants :
• téléphonie et télécopie analogique (PSTN – POTS)
• téléphonie et télécopie numérique (RNIS)
• téléphonie (GSM)
• hauts débits sur paire en cuivre (ADSL).
Quelque soit le système utilisé, il a toujours deux types d'informations qui sont transmises :
• le message proprement dit (charge utile – payload)• des informations de contrôle réalisant des tâches de synchronisation, d'établissement, de
gestion et clôture des communications, de statistiques de fiabilité…
Ces informations pourront être transmises sur le même canal de communication (par exempletonalité de composition d'un numéro en PSTN) ou sur un canal séparé (par exemple canal Dde ISDN). On parlera de signalisation dans la bande ou hors bande.
Les formats de données, débits et protocoles sont définis de manière internationale par unorganisme basé en Suisse qui s'appelle l'ITU (International Telecommunication Union).
Chaque service est accompagné d'un certain nombre d'options ou services complémentairesqui généralement ne sont pas utilisables de manière internationale.
PSTN.
Le téléphone.
Le téléphone analogique (PSTN – Public Switched Telephone Network ou POTS Plain OldTelephone Service) est basé sur la transmission de la voix de manière analogique et de lasignalisation dans la bande par tonalités (tone burst). La bande passante est limitée à 4KHz.
L'envoi d'informations de signalisation se fait en combinant deux signaux sinusoïdaux defréquences déterminées (DTMF - Dual Tone Multi Frequency). La combinaison de deuxsignaux donne une meilleure immunité aux parasites et se fait de manière matricielle.
1 2 3 A 697 Hz4 5 6 B 770 Hz7 8 9 C 852 Hz
* 0 # D 941 Hz
1209 Hz 1336 Hz 1477 Hz 1633 Hz
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La ligne téléphonique analogique qui arrive chez l'abonné est constituée d'une paire de fils decuivre de 0.5mm de diamètre.
Une alimentation en courant continu est fournie par le réseau. Il s'agit d'une boucle de courantsur laquelle circule un courant de ± 20 mA avec une tension à vide de 48 volts.
Quand le téléphone est raccroché la boucle est ouverte, lorsque l'on décroche la boucle estfermée sur une résistance interne au téléphone aux bornes de laquelle on retrouve une tensioncontinue de l'ordre d'une dizaine de volts.
Le signal de sonnerie est une tension alternative de ± 20 Hz avec une tension de l'ordre 80Volts RMS.
La ligne téléphonique présente une impédance caractéristique de l'ordre de 600 ohms.
Le cornet composé d'un microphone et d'un écouteur est relié par un cordon à 4 fils autéléphone où les signaux seront envoyés sur deux fils. Un contrôle de gain (AGC) permet auniveau sonore d'être indépendant des caractéristiques de la ligne, une partie du signal produitpar le micro est renvoyé dans l'écouteur afin d'assurer un confort d'utilisation optimal (sidetone).
Les télécopieurs (Fax).
Un télécopieur (Facsimile – Fax) permet d'envoyer et de recevoir du texte et des images enutilisant une ligne téléphonique. Il se compose, pour la partie émission, d'un scanner quipermet de numériser l'image (noir et blanc), le signal obtenu est ensuite comprimer enutilisant un codage approprié, puis mis dans un format permettant son envoi sur la lignetéléphonique. La partie réception est équipée d'un décodeur permettant de récupérer le signaloriginal et d'une imprimante.
Il existe deux types de télécopieurs :
• fax groupe 3 (pour la transmission sur une ligne PSTN)• fax groupe 4 (pour la transmission sur une ligne RNIS)
La résolution est de 3,8 ou 7,7 lignes /mm,la densité horizontal de points (pel) est de8,05/mm. La valeur 0 représente un pointblanc, la valeur 1 un point noir.
La compression fait appel à deux méthodesappelées T4 et T6.
Chaque ligne est terminée par un caractèrede synchronisation (EOL).
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La méthode T4 fait appel au codage de Huffman modifiée. Chaque suite de pels identiques estreprésenté par un code (termination code) qui est fonction du nombre de pels , par exempleune suite de 42 pels blancs sur une ligne est représenté par la valeur 00101011.
Quand le nombre de pels identique dépasse 63 le codage utilise deux valeurs : un codeindiquant le nombre de "soixante-quatraines" (make-up code) suivit du code indiquant lesunités (termination code). Par exemple 325 pels noirs seront représenté par : 320 + 5 =00110110 suivit de 0011. Le mak-up code est répété lorsque le nombre de pels identiquesdépasse 2560.
La méthode T6 est appelée codage MMR (modified-modified read), elle effectue lacomparaison de chaque ligne avec la précédente et ne transmet que les différences.
Les fax du groupe 3 fonctionnent avec le codage T4 et en option le codage T6, les fax dugroupe 4 avec le codage T6.
Termination code.
Nombrede pelsblancs
Code Nombrede pelsnoirs
Code
012345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152
00110101000111011110001011110011101111100111010000111010000010000000111101001101011010101010110100111000110000010000010111000001100001000101000010101100100110100100001100000000010000000110001101000011011001001000010011000101000001010100010110000101110010100000101001001010110010101100101100001011010000010000000101000010100000101101010010010100110101010001010101
012345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152
000011011101011100110011001000011000101000100000010000001010000111000001000000011100001100000000101110000011000000000100000001100111000011010000000110110000000110111000001010000000001011100000011000000011001010000011001011000011001100000011001101000001101000000001101001000001101010000001101011000011010010000011010011
5354555657585960616263
0010010000100101010110000101100101011010010110110100101001001011001100100011001100110100
5354555657585960616263
000011010100000011010101000011010110000011010111000001101100000001101101000011011010000011011011000001010100000001010101000001010110000001010111000001100100000001100101000001010010000001010011000000100100000000110111000000111000000000100111000000101000000001011000000001011001000000101011000000101100000001011010000001100110000001100111
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Make-up codes
Nombrede pelsblancs
Code Nombrede pelsnoirs
Code
641281922563203844485125766407047688328969601024108811521216128013441408147215361600166417281792185619201984204821122176224023042368243224962560EOL
1101110010010111011011100110110001101110110010001100101011010000110011101100110001100110101101001001101001101101010001101010101101011001101011101101100001101100101101101001101101101001100001001100101001101001100001001101100000001000000000011000000000110100000001001000000001001100000001010000000001010100000001011000000001011100000001110000000001110100000001111000000001111100000000001
641281922563203844485125766407047688328969601024108811521216128013441408147215361600166417281792185619201984204821122176224023042368243224962560EOL
00000011110000110010000000110010010000010110110000001100110000001101000000001101010000001101100000000110110100000010010100000001001011000000100110000000010011010000001110010000000111001100000011101000000001110101000000111011000000011101110000001010010000000101001100000010101000000001010101000000101101000000010110110000001100100000000110010100000001000000000011000000000110100000001001000000001001100000001010000000001010100000001011000000001011100000001110000000001110100000001111000000001111100000000001
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Les modems.
Les modems permettent la transmission de données numériques sur une ligne téléphoniqueanalogique. Les données sont transformée en un signal modulé en fréquence ou en phase et enamplitude (modulation QAM). Les données peuvent être comprimées avant la modulation(MNP-5 Microcom Networking Protocol 5 jusqu'à 2:1 ou V42 bis jusqu'à 4:1).
La limitation sur ligne analogique vient des codecs qui sont utilisés sur certains tronçons duréseau, là où les données sont numérisées et transmises à 64 kbps (E1). Le rapport signal bruitde la quantification opérée lors de l'échantillonnage est de l'ordre de 35dB. En appliquant lethéorème de Shannon avec une bande passante de 3kHz on obtient la limite suivante :
Donc une limite théorique de l'ordre de 35 kbps, ce qui correspond à la norme V34 (33,6 kbpsmodulation QAM).
Cette limite découle d'une hypothèse implicite concernant la quantification : il n'y a aucunecorrélation entre les valeurs des tensions quantifiées par le codec et les niveaux dequantification du codec. Si l'on envoie des signaux en escalier (PAM) dont la valeur est égaleaux seuils de quantification l'erreur (donc le bruit) est nulle!
Le rapport signal/bruit à prendre en considération est essentiellement celui de la ligne. Pourobtenir 56 kbps il doit être au minimum de 45 dB, ce qui est réalisable.
Norme Vitesse Modulation
V32 9600 bps QAMV32 bis 14.400 bps QAMV34 33.600 bps QAMV90 56 kbps PAM
ISDN (Integrated Service Digital Networks) – RNIS (Réseau Numérique à Intégration deService)
L'évolution vers la transmission numérique de la voix et l'intégration aux réseaux ont été àl'origine du réseau RNIS. Ce système met à la disposition des utilisateurs un certain nombrede canaux de transmission à 64 kbps (canaux B – Bearer) accompagnés d'un canal designalisation (canal D – Delta).
Deux interfaces sont proposés :
bpsN
SBWbps 822,34)1(log2 =+⋅=
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• BRI (Basic Rate Interface) : 2 B + D (2x64 kbps + 16 kbps)
• PRI (Primary Rate interface) 30 B + D (30x64 kbps + 64 kbps)
Un PRI peut être véhiculé sur un canal E1.
Les canaux à 64 kbps correspondent à une transmission d'un signal analogique de bandepassante égale à 4 kHz échantillonné à 8 kHz et quantifiés sur 8 bits.
La quantification se fait en suivant une loi non-linéraire qui privilégie les niveaux faibles (LoiA ou µ). La loi de quantification A est définie comme suit :
• le bit de poids fort détermine le signe du signal
• les 3 bits suivants définissent 8 segments linéaires définis comme suit
• 111 = [vmax , vmax/2]• 110 = [vmax/2 , vmax/4]• ….• 000 = [vmax/128 , 0]
• les 4 bits de poids représentent une quantification linéaire dans le segment concerné.
Ce type de quantification permet d'obtenir un rapport signal/bruit de l'ordre de 35 dB (àcomparer avec les 24 dB théoriques pour une quantification linéaire et une densité deprobabilité uniforme).
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Plusieurs types d'équipements et de points de références sont définis pour le BRI :
• U est une ligne de transmission en boucle (2 fils), faisant partie du réseau public, quivéhicule les données et l'alimentation continue.
• Dans les installations de base le NT2 n'existe pas et les points S et T sont confondusformat un bus à quatre fils appelé S/T.
• Le NT1 (Network Terminal 1) est le point de raccordement du particulier au réseaupublic, il transforme, entre autre, la boucle U en bus S/T.
• Le NT2 est un dispositifs permettant le raccordement aux PBX (centraux) numériques.
• Un TE1 (Terminal Equipment 1) est un dispositif de communication numérique(téléphone, modem).
• Un TE2 est un dispositif de communication analogique, il nécessite un TA (TerminalAdaptator) pour pouvoir se connecter sur le bus S/T.
Le bus S/T permet la connexion de 8 dispositifs de communication (mode multipoints).
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La longueur totale du bus S/T peut atteindre 200 m avec une longueur de raccordement au busde maximum 10 m. Le codage utilisé est le code AMI, les données sont regroupées sousforme de trames (2 octets B1, 2 octets B2, 4 bits D + bits de contrôle et de suppression de lacomposante continue) véhiculées à 192 kbps.
Le bus S/T est composé de deux voies (NT → TE et TE → NT) véhiculant des trames dont leformat est défini par la norme I.430. Au maximum deux équipements peuvent utilisersimultanément la ligne. L'allocation des canaux B se fait via le canal D qui fonctionne commeun bus logique multipoints avec contention. Le canal D permet également l'envoid'information de signalisation sur le réseau (connexion, déconnexion, informationsdiverses…)
La boucle U utilise le codage 4B/3T (USA 2B/1Q), elle est alimentée en 96 volts avec unelimitation de courant à 55 mA.
Le protocole utilisé pour le niveau liaison sur la ligne D est dérivé d'HDLC (LAPD – I.441 –Q.921).
A l'intérieur du réseau public les canaux B sont transmis en utilisant la technique du frame-relay (niveau 2).
Pour les particuliers, il existe des systèmes intégrant le NT1 et deux TA appelés Twin parBelgacom qui permettent la connexion d'appareils analogiques et numériques.
Une connexion via un PBX se présente comme suit :
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GSM (Global System for Mobile communication)
Le système de téléphonie mobile GSM est basé sur le principe de la division du territoire àcouvrir en cellules. Chaque cellule possède un émetteur récepteur fixe (station de base) quitravaille avec des fréquences différentes de celles de ses voisins.
Un réseau GSM comporte les éléments suivants :
• des stations mobiles (MS Mobile Subscriber) possèdant une carte à puce SIM (SubscriberIdentity Module) permettant l'identification de l'utilisateur ( IMSI International MobileSubscriber Identity). Ces stations entrent en contact périodique avec la BTS la plusproche afin que le réseau puisse connaître leur position de manière permanente
• des stations de base se trouvant au centre de chaque cellule (BTS Base TransceiverStation)
• des stations supervisant le fonctionnement de plusieurs stations de base (BSC Base StationController)
• un centre de commutation (MSC Mobile Switching Center) connecté avec plusieurs BSC
• des bases de données HLR (Home Location Register), VLR (Visitor location Register) etEIR (Equipment Identity Register) contenant des informations sur les abonnés du réseau(HLR), sur les visiteurs identifiés par le réseau (VLR) et sur le matériel autorisé (EIR,détection des GSM volés entre autres)
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La manière dont les appels sont gérés (localisation du MS, établissment de la liaison, routage,…) est défini par une norme appelée Common Channel Signaling System No. 7 ( SS7). Ils'agit d'un stack de protocoles permettant le contrôle du système GSM.
MTP (Message Transfert Part ) : transfert des données de contrôle dans le réseau
ISUP (ISDN User Part) : procédure d'établissement de la liaison au format ISDN (ou plusrarement au travers de ligne analogique TUP (Telephone User Part).
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La station mobile se fait connaître en permanence de la station de base la plus proche. Sonidentification et sa localisation sont mémorisés dans le VLR. L'identification du VLR dontdépend la station est transmise à son HLR.
• Si l'on appelle la station, l'appel passe par le HLR qui connaît le VLR du réseau dontdépend la station qui connaît la position finale.
• Si c'est la station qui réalise un appel, le principe est celui d'un appel normal avec transfertde la facturation vers le HLR.
• Lorsqu'une communication est en cours et que le BTS perd le contact (la station mobilequitte sa zone) il signale aux BTS adjacents l'arrivée possible de la station mobile avecson identité (→ roaming).
Codage de la voix.
Après un échantillonnage et une quantification non linéaire (loi A) résultant en échantillons de8 bits avec un débit de 8 koctets/sec (64kbps) un algorithme de compression est appliqué auxdonnées. Cet algorithme permet d'obtenir des débits de 13 kbps ou de 7 kbps. Les différentesvariantes de cet algorithme sont les suivantes :
• Full rate : codage RPE - LTP (Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction)• Half Rate : codage CELP-VSELP (Code Excited Linear Prediction - Vector Sum Excited
Linear Prediction)• Enhanced Full Rate : codage ACELP ( Algebraic Code Excited Linear Prediction), permet
une meilleure qualité pour un même débit que le codage RPE-LTP
Les données ainsi générées seront transmises par paquets à raison de 260 bits / 20 ms.
A ces données seront ajoutés des bits de contrôle permettant la détection et la correctiond'erreurs. La technique utilisée est le codage Reed-Solomon (codage cyclique par blocs), 196bits seront ajoutés toutes les 20 ms ce qui donne un débit de 456 bits/ 20ms soit 22.8kbps.
Ce train de bits sera enfin partitionné en groupes de 57 bits destinés à être véhiculés par lecanal de communication.
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Protocole de communication.
Le système le plus répendu est le GSM900, il utilise la bande 890 à 915 MHz pour les canauxmontants (du portable vers le BSC) et 935 à 960 MHz pour les canaux descendants (du BSCvers le portable). Les canaux montants et descendants utilisés par une station seront espacésde 45 MHz.. Le GSM1800 opère autour de 1800 MHz et possède 4 fois plus de canaux.
L'utilisation des bandes de fréquence pour le GSM900 se fait de la manière suivante :
• les deux bandes de 25 MHz sont divisées en 124 couples de canaux de 200 KHz (FDM). Cescouples de canaux sont généralement répartis entre 3 opérateurs ce qui donne 40 couples decanaux par opérateur. Chaque station de base reçoit de l'ordre de 4 couples de canaux.
• Chaque canal de 200 KHz comporte 8 slots multiplexés temporellement formant une trame(TDM). La durée d'un slot est de 4,615 ms ce qui correspond à un débit de 270 kbps.
Chaque slot se compose de plusieurs champs ayant des rôles particuliers et chaque trame faitpartie d'une multitrame de 26 éléments.
Technologie des télécommunications Téléphonie p 7.17
Format d'un slot :
• délimiteur de début (3 bits)• champ d'information (57 bits) encrypté• bit de contrôle (détermine si le champ précédent contient de la voix ou des données de
service) (1 bit)• bits de synchronisation (26 bits)• bit de contrôle (détermine si le champ suivant contient de la voix ou des données de
service) (1 bit)• champ d'information (57 bits) encrypté• délimiteur de fin (3 bits)
La modulation des données pour le canal de 200 KHz se fait en utilisant la technique duGaussian Minimum Shift Keying (GMSK)
Les données de services sont de plusieurs types et forment des canaux particuliers decommunication :
• Broadcast Control Channel (BCCH)
fournit au téléphone portable des informations sur l'identité de la BTS, les fréquencesdisponibles …
• Frequency Correction Channel (FCCH) and Synchronisation Channel (SCH)
utilisé pour réaliser la synchronisation avec le time slot de la BTS
• Random Access Channel (RACH)
canal utilisant la méthode dite "Slotted Aloha" pour obtenir un accès au réseau
• Paging Channel (PCH)
informe la station mobile d'un appel entrant
• Access Grant Channel (AGCH)
allocation des canaux de signalisation aux stations mobiles.
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ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line).
ADSL fait partie d'un ensemble de normes (xDSL) en rapport avec la transmission de donnéesà grande vitesse sur une ligne téléphonique conventionnelle.
Le type de modulation utilisée est QAM. Mais à la différence de la transmission par modemanalogique conventionnelle chaque borne de répartition est équipée d'un convertisseur QAM– numérique et d'une connexion fibre optique vers les répartiteurs du réseau. Les modemsxDSL sont également pourvus de système de traitement des échos.
Exemple d'architecture :
Dans la course aux vitesses élevées les modems-câbles sont une alternative qui utilise commesupport le câble coaxial des télédistributeurs. Ces systèmes permettent d'atteindre des vitessesde l'ordre de 10 Mbps dans le sens descendant et utilisent principalement la techniqued'étalement du spectre.
Technologie des télécommunications Téléphonie p 7.19
Centraux téléphoniques.
Les centraux téléphoniques (PBX – PABX (Private (Automatic) Branch Exchange))permettent la gestion de la téléphonie interne d'une entreprise et sa connexion au réseautéléphonique public. Cette téléphonie interne s'interconnecte de plus en plus avec les réseauxd'ordinateurs de l'entreprise pour offrir une infrastructure complète intégrant la téléphonie àl'informatique.
La paquetisation des données sous IP (VoIP – Voice over IP) et l'intégration au multimédia(norme H323) sont deux domaines où de nombreux efforts de recherche sont consentis.
Des nouvelles normes ont également vu le jour afin de pouvoir interconnecter les matériels devendeurs différents (Q-SIG).
Bibliographie.
BURD N., The ISDN subscriber loop,Chapman and Hall 1997, ISBN 0-412-49730-1
HALSALL F., Data Communications, Computer Networks and Open Systems,Addison Wesley 1996, ISBN 0-201-42293-X
TANENBAUM A., Réseaux 3ème édition,Prentice Hall 1997, ISBN 2-7296-0643-2
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xDSLhttp://alumni.caltech.edu/~dank/isdn/adsl.html ADSL
