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TT089 - Comutação em Telecomunicaçõesaula 3
Transmissão e multiplexação digitais
Luis Fernando de Avila
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Introdução
Transmissão analógica
• Os repetidores são simplesmente amplificadores queamplificam o sinal juntamente com o ruído que ésomado a cada novo trecho.
• Assim, após um certo número de repetidores, arelação entre sinal e ruído, S / N, estará tão baixa quenão será possível distinguir entre o sinal e o ruído.
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Transmissão digital
• Não há somente o processo de amplificação.
• Há também, os processos de detecção e de regeneração dos bits.
• O sinal impregnado de ruído que chega ao repetidor digital sofreum processo eficiente de detecção de bits.
• Após a detecção dos bits, existe o processo de regeneração queconsiste em retransmitir os bits nos formatos originalmentetransmitidos
• Em cada repetidor digital, os bits são recuperados exatamente como se fossem no primeiro trecho do sistema de transmissão, assim, podendo atingir, teoricamente, a uma distância infinita.
• Na prática, isso não ocorre, pois os processos de detecção e regeneração são imperfeitos e ocasionam um limite na distância coberta pelo sistema de transmissão digital.
Sistema de transmissão digital plesiócrona
• é formado por centrais locais que concentram os aparelhos telefônicos, repetidores e centrais de trânsito
• O trecho entre o aparelho telefônico e a central local, na maioria dos casos, é analógico
100
Central local digital
101
Multiplexador (Mux)
atribui, de uma maneira seqüencial, a cada um dos 32 canais, um intervalo de tempo para transmitir 8 bits.
Esse processo é repetido a cada 125 μs; intervalo esse denominado de quadro.
Dos 32 canais, 30 canais são de voz, um de sincronismo e um de sinalização.
O enlace de saída, portanto, opera a uma taxa de (32 x 8) / 125 μseg. = 2,048 Mbps (Mega-106- bits por segundo) . Por simplicidade essa taxa é escrita como 2 Mbps.
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Os canais são numerados de 0 a 31.
O canal 0 é utilizado para sincronismo e o canal 16 é reservado para sinalização.
Essa estrutura de quadro para o PCM é utilizada na Europa e no Brasil e corresponde a uma freqüência de amostragem de 8 KHz, e uma codificação de 8 bits por amostra
103
Sistema de transmissão a 2Mbps
104
Repetidor
105
Redes de transporte
• As redes de transporte de informações (voz, dados e vídeo) são compostas de sistemas de transmissão que interconectam os equipamentos de comutação das redes de pacotes ou das redes de telefonia (centrais telefônicas).
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• Os sistemas de transmissão utilizam meios físicos fiados ("wired "), como, por exemplo, cabo coaxial e fibras ópticas ou meios sem fio ("wireless") (espaço livre) para a transmissão das informações, como, por exemplo, sistemas rádio.
107
• Os primeiros sistemas de transmissão desenvolvidos eram analógicos, pois mantinham a forma original do sinal a ser transmitido, e utilizavam a técnica de multiplexação denominada FDM (Frequency
Division Multiplex) para agregar vários canais de voz no mesmo meio de transmissão
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• No FDM, cada canal de voz modula uma determinada portadora, separada da outra por 4 kHz. O resultado é a translação das frequências de voz para um sinal composto, a banda base, que contém a informação de todos os canais. No FDM, os sinais de voz são sempre mantidos na forma original (somente se alteram as frequências), portanto é um sistema analógico.
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• A multiplexação dos canais de voz também pode ser feita em relação ao tempo, denominada TDM (Time Division Multiplex) ou multiplexação por divisão de tempo. Nesse método, o sinal de voz é amostrado em intervalos de tempo regulares e as amostras convertidas num código binário e transmitidas agrupadas no meio de transmissão. No destino, outro sistema multiplex TDM recupera os sinais de voz em sua forma original.
110
• Os sistemas digitais TDM surgiram no início dos anos de 1970 com a técnica denominadaModulação por Código de Pulso (PCM - Pulse
Code Modulation). No PCM, os sinais de voz analógicos, que ocupam a faixa de 300 a 3.400 Hz, são amostrados e cada amostra é digitalizada e codificada em 8 bits.
111
112
• O primeiro sistema PCM mundial foi desenvolvido nos EUA e agregava 24 canais de voz (PCM-24) em vez de 30 canais.
• O PCM-24 (também é denominado T1) e o PCM-30 (também denominado E1) são conhecidos como sistemas primários, e formam a base para a Hierarquia Digital Plesiócrona (Plesyochronous Digital Hierarchy - PDH).
• Na PDH, em função da quantidade de canais agregados no feixe, bem como da taxa de bits utilizada na transmissão, várias ordens são formadas e padronizadas internacionalmente, sendo a primeira ordem 2.048 kbits/s, 30 canais, a segunda ordem 8.448 kbit/s, 120 canais etc.,
113
Operação plesiócrona
114
Sistema PCM americano
A importância do sistema PCM americano está no fato histórico, pois foi o primeiro sistema PCM desenvolvido no mundo. Assim apresenta algumas limitações técnicas, como utilizar bits dos canais de voz para a sinalização.
A freqüência de amostragem é 8 KHz e cada canal contém 8 bits. Assim, a taxa de transmissão de bits será [(24 x 8) +1] / 125 μseg. = 1,544 Mbps.
O sistema PCM americano é conhecido também por T1.
115
Hierarquia PDH na América do Norte e Europa
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No sistema americano de hierarquia superior , a 1a hierarquia (DS-1) corresponde a enlace de 1,544 Mbps que multiplexa 24 canais de voz
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• O primeiro sistema PCM desenvolvido no Brasil foi denominado MCP-30 e desenvolvido inicialmente na UNICAMP e posteriormente transferido ao CPqD da Telebrás para industrialização. O MCP-30 é um multiplexador de 30 canais de voz, que utiliza a tecnologia PCM/TDM (multiplexação por código de pulso/multiplexação por divisão no tempo) e opera a uma taxa de 2,048 Mbit/s. Destina-se a interligar centrais telefônicas em áreas urbanas e metropolitanas.
118
119
Hierarquia Digital Plesiócrona
OrdemNível da
Hierarquia
Taxa de bits
em Kbit/s
Nº de Canais
Meio de Transmissão
1 E1 2.048 30 Cobre
2 E2 8.448 120 Cobre
2 E3 34.368 480 Fibra / Rádio
4 E4 139.264 1920 Fibra / Rádio
120
121
O sinal ou feixe agregado de cada ordem é formado pela união de quatro feixes tributários da ordem imediatamente inferior, mediante o
entrelaçamento de bits, ou seja, um bit do tributário 1 é seguido por um bit
do tributário 2 e assim por diante.
122
A taxa de bits do sinal agregado é sempre superior ao quádruplo da taxa de bits dos tributários que o compõem. Isso ocorre
devido à necessidade de adição de bits em cada feixe, a fim de sincronizá-lo para que a multiplexação possa ser efetuada.
Na PDH, embora todos os feixes possuam a mesma taxa nominal de bits, eles são plesiócronos, ou seja, apresentam taxas de bits
ligeiramente diferentes entre si, devido a serem controlados por relógios independentes que podem variar suas freqüências
dentro de certas tolerâncias.
Para serem levados a uma taxa de bits comum, utiliza-se a técnica de justificação de bits (bit stuffing), mediante inserção, em determinada posição do quadro, de um bit de enchimento
ou de justificação
123
124
Devido à possibilidade de esse bit ser ou não inserido, em função da frequência instantânea de cada tributário, torna-se
necessário incluir no quadro informações sobre a condição do bit
situado na referida posição, ou seja, informar quando se trata de um bit de justificação ou não.
Tal informação está nos bits de controle de justificação inseridos nos quadros das diversas ordens hierárquicas.
125
126
Problemas da PDH
• Padronização Parcial
• pelo menos duas versões diferente
• Dificuldade Derivação/Inserção de Tributários
• Pouca Capacidade para Gerência de Rede
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Sistema de Transmissão Digital Síncrona -
SONET/SDH • Definição
A SDH é uma rede síncrona de transporte de sinais digitais, formada por um conjunto hierárquico de estruturas de transportes padronizadas objetivando a transferência de informação sobre redes digitais e oferecendo aos operadores e usuários flexibilidade e economia.
128
• Os primeiros esforços de desenvolvimento dessa nova hierarquia de transmissão foram feitos no Bellcore (Bell
Communications Research) através do sistema denominado SONET (Synchronous Optical Network), pois ele utilizava um padrão para as interfaces ópticas.
• O primeiro nível hierárquico do SONET foi padronizado à taxa de 51,84 Mbit/s, ligeiramente superior à dos sistemas PDH americanos de 45 Mbit/s (terceiro nível) que eram amplamente difundidos no país.
• A seguir, o ITU-T padronizou o SDH, inicialmente, à taxa primária de 155 Mbit/s e compatível com o SONET a partir do terceiro nível (51 Mbit/s x 3 =~ 155 Mbits).
• Atualmente a interface de 51 Mbit/s também é padronizada na SDH.
129
Normas ITU-T
Normas Descrição
G.707Estrutura de multiplexação, formação do
quadro, ponteiros, cabeçalhos etc.
G.783 Tipos de equipamentos SDH e suas funções
G.784, G.774G.773
Gerência de recursos da rede
G.803 Tipos de configurações de rede
G.813 Sincronismo
G.841-2 Proteção da rede em anéis
G.957-8 Descrição da camada física
130
O sistema de transmissão síncrona foi planejado para solucionar as deficiências do sistema PDH, e com os seguintes objetivos:
a) Interconectar diferentes sistemas de transmissão.
b) Multiplexar canais digitais de diferentes taxas de transmissão.
c) Proporcionar suporte para operação, administração e manutenção.
131
1º padrão: SONET (Synchronous Optical Network) desenvolvido pelos EUA
2º padrão: SDH (Synchronous Digital Hierarchy), padronizado pela ITU-T, como padrão europeu e mundial.
Entretanto, diferente do que foi feito no sistema PDH, há bastante compatibilidade entre o sistema SONET e SDH.
O ITU-T desenvolveu o padrão SDH, tomando como base o SONET.
132
• Atualmente, o cenário das redes de transmissão é constituído de redes PDH e de redes SDH interconectadas, além dos sistemas ópticos que utilizam a técnica WDM ou multiplexação de comprimentos de onda.
• Essas diversas tecnologias integradas resultam num cenário com as seguintes características:
– infraestrutura simples,
– interfaces padronizadas,
– proteção total,
– tempo de comutação de proteção rápido e
– funcionamento estável e automático.
• A topologia mais utilizada é em forma de anéis autorregenerativos (self-
healing), pois é a mais adequada para obter as características anteriormente mencionadas.
133
Redes SDH
Nível da SDH Taxa de Bits ( Mbit/s)
STM-0 51,840
STM-1 155,520
STM-4 622,080
STM-16 2.488,320
STM-64 9.953,280
STM-256 39.813,120
134
• O Módulo de Transporte Síncrono (Synchronous Transport Module - STM) corresponde a uma estrutura básica de transporte de dados do SDH, constituída de quadros (frames), no qual os dados são armazenados.
• Um quadro STM-1 é composto por 2.430 bytes arranjados em uma estrutura de 270 colunas por nove linhas.
• Os bytes são transmitidos de forma serial, linha por linha, da esquerda para a direita, e o bit mais significativo de cada byte é transmitido primeiro.
• A duração do quadro é de 125 µs, o que corresponde a uma taxa de transmissão de 155,520 Mbit/s: (2.430 bytes x 8 bits)/125 µs.
135
136
O quadro STM-1 possui três campos principais:
• Área de Carga Útil (Payload);
• Ponteiro de AU (Administrative Unit);
• SOH (Section Overhead) - composto de MSOH (Multiplex SOH) e RSOH (Regenerator SOH).
137
Os sistemas SDH podem ser comparados aos sistemas de transporte de carga, em que as informações a serem transmitidas, denominadas contêineres virtuais (VCs), são inseridas na carroceria e na cabine é efetuado o controle da carga (direção, supervisão, entrega).
138
• Os sinais de 2 Mbit/s, 34 Mbit/s ou 140 Mbit/s
da PDH são mapeados (inseridos) individualmente em estruturas do tipo contêineres para serem trans-portados na rede SDH, denominados C-12, C-3 e C-4 respectivamente.
• A seguir, bytes para supervisão denominados POH (Path Overhead) são adicionados a eles, formando as estruturas denominadas contêineres virtuais (VCs).
139
Os contêineres virtuais padronizados, que podem ser utilizados para formar o quadro STM-N, de acordo com a estrutura de multiplexação do SDH, estão indicados na
Tabela
Tipo de VC Taxa do VC Carga Útil do VC
VC-11 1.664 kbit/s 1.600 kbit/s
VC-12 2.240 kbit/s 2.176 kbit/s
VC-2 6.848 kbit/s 6.784 kbit/s
VC-3 48.960 kbit/s 48.384 kbit/s
VC-4 150.336 kbit/s 149.760 kbit/s
VC-4.4c 601.304 kbit/s 599.040 kbit/s
VC-4.16c 2.405.376 kbit/s 2.396.160 kbit/s
VC-4.64c 9.621.504 kbit/s 9.584.640 kbit/s
VC-4.256c 38.486.016 kbit/s 38.338.560 kbit/s
140
• Além dos bytes de supervisão, ponteiros que indicam o início do VCs dentro do quadro também são adicionados a cada VC, formando as unidades tributárias (TUs).
• Vários TUs multiplexados formam os TUGs (Tributary Unit
Groups).
• Por sua vez, os TUGs são inseridos em contêineres virtuais de ordem superior (VC-3 e VC-4) e a seguir ponteiros são inseridos novamente, dando flexibilidade à estrutura.
• Essa nova entidade é denominada AU (Administrative Unit).
141
Por fim, um sinal STM-N é composto de um agrupamento de AUs, denominado AUG-N (Administrative Unit Groups-N), em que
a) Um AUG-256 pode consistir em:
1. quatro AUG-64;
2. um AU-4.256c.
b) Um AUG-64 pode consistir em:
1. quatro AUG-16;
2. um AU-4.64c.
c) Um AUG-16 pode consistir em:
1. quatro AUG-4;
2. um AU-4.64c.
d) Um AUG-4 pode consistir em:
1. quatro AUG-1;
2. um AU-4.4c.
e) Um AUG-1 pode consistir em:
1. um AU-4;
2. três AU-3s. 142
143
No Brasil, somente uma parte da estrutura de multiplexação padronizada pelo ITU-T é utilizada, e é apresentada na Figura
144
Mapeamento de 2 Mbit/s no STM-1
Para preencher a capacidade de carga de um STM-1 (155 Mbit/s), são utilizados 63 sinais de 2 Mbit/s (63 x TU-12).
RSOH
MSOH
AU - 4
VC - 4
PTR
P
O
H
PTR
TU-12
2M
POHVC-12
C-1263 x TU-12
145
Mapeamento de 34 Mbit/s no STM-1
Para preencher a capacidade de carga de um STM-1 (155 Mbit/s), são utilizados três sinais de 34 Mbit/s (3 x TU-3).
RSOH
MSOH
AU - 4
VC - 4
PTR
P
O
H
TU-3
3 x TU-3
VC-3
PTR
POH
C-3
34M
146
Mapeamento de 140 Mbit/s no STM-1
RSOH
MSOH
STM - 1
AU - 4
VC - 4
PTR
C - 4
P
O
H
140M
147
140M(3)140M(2)
140M(1)
- Quantas vias de VC-4 e VC-3 existem na rede abaixo? Identifique-as. Exemplo: 2 VC-4 (A-B).
ADM ADMTM TM
TM
140M(4)
34M(3)
34M(2)34M(1)
34M(4)34M(1)
140M(5)
140M(3)140M(1) 34M(4)
STM-4
STM-1
A
E
B C
D
140M(4)
140M(2)
140M(5)
34M(2)
34M(3)
EXERCÍCIO
ADM: Add-Drop Multiplexer
TM: Terminal Multiplexer
148
VC-4:2 x (A-B), 1 x (A-C), 1 x (A-D), 2 x (B-D), 1 x (B-E) e1 x (C-D)
VC-3:2 x (A-D), 1 x (A-E) e 1 x (B-E)
RS = MS:1 x (A-B), 1 x (B-C), 1 x (B-E) e 1 x (C-D)
13) - Quantas vias de VC-4 e VC-3 existem na rede abaixo?
Identifique-as. Exemplo: 2 VC-4 (A-B).
- Identifique as seções de multiplexação e de regeneração.
RESOLUÇÃO DE EXERCÍCIO
149
STM-? B...
.
.
.
A
34M
34M34M
34M
22x2M 22x2M
Lembrar que:
VC-4
VC-12
VC-3
63 42 21
1 2 3
2) Planejar os nós A e B para a menor taxa de transmissão possível.Considerar os sinais de 34M compostos de 16x2M.
EXERCÍCIOS
150
RESOLUÇÃO SEM UTILIZAR MUX DA PDH
A B = 2 VC-3 + 22 VC-12 = 1 VC-4 + 1 VC-12 > VC-4
A B = 2 STM-1 ou 1 STM-4
A B = 1 VC-3 + 16 VC-12 + 22 VC-12 = 1 VC-3 + 38 VC-12 < VC-4
A B = 1 STM-1
RESOLUÇÃO UTILIZANDO MUX DA PDH
2)
RESOLUÇÃO
151
STM-1 TM
P
D
H
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
P
D
HTM
34M
34M34M
34M
22 x 2M 22 x 2M
2M 2M
2) continuação
RESOLUÇÃO
152
PDH
2M
PDH
2M
PDH
2M
A
B
C
D
140M
140M
140M
42x2M
1 2
4
.
.
.3
. . .
CPA
3) Planejamento de rede: considerando a topologia de rede abaixo comsua matriz de tráfego correspondente, planejar os nós 1, 2, 3 e 4 con-siderando equipamentos da PDH e da SDH de modo a minimizar a taxa nos enlaces STM-N.
= um par de fibras
EXERCÍCIOS
153
Exercício 3 - Matriz de Tráfego
3
16 x 2M 26 x 2M 22 x 2M
1 x 140M
1 x 34M 2 x 34M 1 x 34M
10 x 2M 32 x 2M
16 x 2M1 x 140M
10 x 2M
A
B
C
D
2
3
2 4
10 x 2M
EXERCÍCIOS
154
Padrão de Tráfego em VCs
3
16 x VC-12 26 x VC-12 22 x VC-12
1 x VC-4
1 x VC-3 2 x VC-3 1 x VC-3
10 x VC-12 32 x VC-12
16 x VC-12
1 x VC-410 x VC-12
A
B
C
D
2
3
2 4
10 x VC-12
3)
RESOLUÇÃO
155
Tráfego por Enlace
1 2 2 3 2 4
A 2
A 3
A 4
B 3
C 2
C 3
C 4
D 2
D 3
2 3
2 4
3 4
16 x VC-12
26 x VC-12
22 x VC-12
1 x VC-4
1 x VC-3
2 x VC-3
1 x VC-3
10 x VC-12
32 x VC-12
26 x VC-12
22 x VC-12
1 x VC-4
2 x VC-3
1 x VC-3
32 x VC-12
1VC-4 + 16VC-12
10 x VC-12
10 x VC-1210 x VC-12
TOTAL106 x VC-12 +
4 x VC-3 + 1 x VC-4
84 VC-12 +
2 xVC-3 + 2 x VC-4
42 x VC-12 +
1 x VC-3
3) continuação
RESOLUÇÃO
156
1 2 : 106 VC-12 + 4 VC-3 + 1 VC-4 = 63 VC-12 + VC-4 + 3 VC-3 ++ VC-3 + 43 VC-12 = 4 VC-4 + 1 VC-12 > STM-4
1 2 : 106 VC-12 + (3 VC-3 +16 VC-12) + 1 VC-4 = 122 VC-12 + + 3 VC-3 + 1 VC-4 = 63 VC-12 + 3 VC-3 + 1 VC-4 ++ 59 VC-12 = 3 VC-4 + 59 VC-12 < STM-4
2 3 : 84VC-12 + 2 VC-3 + 2 VC-4 = (63 + 21) VC-12 + 2 VC-3 ++ 2 VC-4 = 4 VC-4 = STM-4
Desmontando um feixe de 34M em 16 x 2M (MUX da PDH):
2 4 : 42 VC-12 + 1 VC-3 = 1 VC-4 = STM-1
3) continuação
RESOLUÇÃO
157
STM-42
42x2M
P
D
H
.
.
.
P
D
H
2M
34M
.
.
.
P
D
H
.
.
.
2M
140M
140M
140M
T
M
A
B
C
D
3) cont.
Nó 1
RESOLUÇÃO
158
P D H
2M
140M52x2M
STM-4
. . .
A D MSTM-4
. . .
STM-134M
1 3
4
3) cont. Nó 2
RESOLUÇÃO
159
2
84x2M
STM-4 T
M
.
.
.
34M
34M
140M
140M
3) cont. Nó 3
RESOLUÇÃO
160
3) cont.
42x2M
STM-1
2
34M
T M
. . .
Nó 4
RESOLUÇÃO
161