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Redes de Telecomunicações

João Pires

Mestrado em Engenharia de Redes e Sistemas de Comunicações

ISUTC/IST

João Pires Redes de Telecomunicações/Dezembro 2009 2

Apresentação


Objectivos

• Apresentar uma perspectiva geral da estrutura das redes de telecomunicações e dos tipos de serviços.

• Explicar os princípios fundamentais das tecnologias Ethernet, ATM, SDH e OTN e descrever o seu papel na concepção de redes de transporte.

• Discutir metodologias de análise de desempenho e de planeamento de redes e estudar soluções de sobrevivência de redes em presença da falhas.

• Introduzir as soluções usadas para garantir acesso de banda larga e estudar de modo sumário a comutação telefónica.


Programa

1. Introdução

2. Fundamentos das Redes e dos Serviços

3. Redes Ethernet e ATM

4. Redes de Transporte SDH

5. Redes de Transporte Ópticas

6. Redes de Acesso

7. Tópicos sobre Comutação


Informações Gerais

• A disciplina está organizada em aulas teóricas e aulas práticas. As primeiras serão dedicadas à apresentação das matérias, enquanto as segundas serão dedicadas à resolução de problemas.

• A avaliação de conhecimentos será feita por exame. No entanto, uma parte muito significativa (>50%) das questões do exame coincidirá com as questões/problemas da lista fornecida durante as aulas.

• Bibliografia:

• Docente: João Pires, Dep. Engenharia Electrotécnica e de Computadores, Instituto Superior Técnico, Tel: 351-21-8418191, e-mail: [email protected].

- Slides das aulas - João Pires, Sistemas e Redes de Telecomunicações, IST, 2006 - M. Ellanti et al., Next Generation Transport Networks, Springer, 2005, - Rui Sá, Sistemas e Redes de Telecomunicações, FCA, 2007


Capítulo 1

Introdução



Aspectos da Evolução das Telecomunicações

1837 – Telégrafo1844 – Código de Morse1866 – 1º cabo submarino transatlântico1875 – 1º cabo submarino Lisboa-Brasil

1876 – Telefone (Bell)1882 – Primeira rede telefónica em Portugal (concessão)1891 – Comutação automática (Strowger)1894 – Telegrafia sem fios (Marconi)1925 – Transmissão de imagens em movimento (Bird) – televisão1928 – Teorema da amostragem (Nyquist) 1936 – Invenção do PCM (Reeves) – transmissão digital1948 – Transistor1956 – 1º cabo submarino telefónico transatlântico analógico (35 circuitos)


Aspectos da Evolução das Telecomunicações

1964 – Concepção da comutação de pacotes (Baran)1965 – 1ª satélite geo-estacionário (Intelsat1, 240 circuitos)1966 – Proposta de utilização de fibra óptica (Kao)1967 – Projecto da 1ª rede de comutação de pacotes (ARPAnet)1968 – Primeira central de comutação digital (tecnologia TTL) 1973 – Ethernet (Metcalfe)1978 – 1º sistema de rádio móvel celular analógico1981 – TCP/IP1982 – Correio electrónico1985 – Proposta da SONET (Belcore)1991 – GSM (Global System for Mobile Communications)1996 – Cabo submarino óptico TAT12/13 (122 880 circuitos)2002 – UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)2008/2009 – Instalação em Portugal da FTTH em larga escala


Princípio do Telefone


Telefone: instrumento multimédia?

Fonte: Rogério Santos, Olhos de Boneca, Uma história das telecomunicações 1880-1952, Edições Colibri e Portugal Telecom, 1999


EvoluEvoluçãção Histo Históórica rica –– FasesFases

• Telefone e telégrafo (XIX)

• Comunicações via satélite (1960s)

• Comunicações digitais (1980s)

• Comunicações ópticas (1980s)

• Internet (1990s)

• Telemóvel (1990s)

• Século XXI: Convergência fixo-móvel, convergência voz, dados e vídeo em suporte IP (Internet Protocol)


Evolução de Diferentes Serviços (Mundial)

• A evolução do número de utilizadores dos diferentes serviços de telecomunicações a nível mundial mostra um crescimento pouco expressivo para a telefonia fixa e um crescimento muito acentuado para a telefonia móvel e para a Internet.

Fonte: Maurizio Dècina, ECOC 2003


Evolução do Tráfego Internet Total (USA)

• As análises de tráfego nos Estados Unidos mostram que o tráfego Internet passou a ser dominante a partir do ano 2000, com um crescimento que duplica todos os anos.

Fonte: Maurizio Dècina, ECOC 2003

Cresce 35% ao ano


Evolução do Tráfego Total

• O tráfego telefónico de voz tem um crescimento entre 10 a 15% ao ano.

• O tráfego de dados (Internet) tem um crescimento superior a 100% ao ano.

• Actualmente o tráfego de dados é dominante nas redes dorsais. Dados (Internet)

Telefónico (voz)

1990 2010

Tráfego

Actualmente o planeamento das infraestruturas de telecomunicações deve ser determinado pelo tráfego de

dados


Lei de Moore

Fonte: Wikipedia

A lei de Moore diz que a capacidade dos computadores duplica todos os 18 meses, ou seja tem-se um crescimento anual de cerca de 60%


Lei de Nielsen

• A lei de Nielsen prevê um crescimento na velocidade de acesso à Internet na terminação do utilizador de cerca de 50% ao ano.

Fonte: http://connectedhome2go.com/2008/03/18/nielsens-law/

2005 – 2.3 Mbps

2010 – 17 Mbps

2015 – 129 Mbps

2020 – 980 Mbps


Definição e Ramos

• Transmissão: Transporte fiável da informação à distância.

• Comutação: Encaminhamento da informação (pôr em contacto dois utilizadores quaisquer, de acordo com as suas ordens).

• Controlo e gestão: Responsável pela dinâmica (controlo) e pela fiabilidade (gestão) das redes. A função de controlo é implementada através da sinalização.

As redes de telecomunicações compreendem o conjunto dos meios técnicos (de natureza electromagnética) necessários para transportar e encaminhar tão fielmente quanto possível a informação à distância.

Ramos das telecomunicações


Critérios de Qualidade

As redes de telecomunicações devem garantir que a informação nas suas diversas formas (voz, música, vídeo, texto, etc.) é transmitida sem perdas e alterações.

As redes de telecomunicações públicas devem assegurar um serviço permanente e sem falhas (menos de duas horas de indisponibilidade em 40 anos).

Fidelidade

Fiabilidade


Normalização em Telecomunicações

• O carácter internacional das telecomunicações implica normalização em aspectos tais como:

aspectos técnicos (qualidade de serviço, interfaces, etc.);planificação geral da rede (estrutura da rede, números telefónicos internacionais,etc.);problemas de exploração e gestão (preços das chamadas internacionais, análise de tráfego, etc.).

• No plano das redes nacionais a normalização também é importante de modo a:

garantir a compatibilidade dos sistemas de diferentes fabricantes;assegurar uma qualidade de serviço mínima a todos os utilizadores;respeitar as convenções internacionais.


Principais Organismos de Normalização

• International Telecommunication Union (ITU)Agência da ONU responsável por todos os sectores das telecomunicações. Os seus principais órgãos são:

ITU Telecommunications Sector (ITU-T)Estudo de questões técnicas, métodos de operação e tarifas para as redes de transporte, redes telefónicas e de dados.ITU Radiocommunications Sector (ITU-R)Estudo de questões técnicas e operacionais relacionadas com rádio-comunicações, incluindo ligações ponto-a-ponto, serviços móveis e de radiodifusão e ligações via satélite.

• European Telecommunications Standardas Institute (ETSI)Criado em 1988 para desenvolver as normas necessárias para uma rede de telecomunicações pan-europeia. Teve um papel importante no desenvolvimento da norma GSM.


Capítulo 2

Fundamentos das Redese dos Serviços



Tipos Básicos de Equipamento

• O equipamento básico pode-se dividir em vias de transmissão e elementos (dispositivos) de rede. Os elementos de rede incluem equipamento terminal, equipamento de comutação, sistemas de sinalização e gestão e servidores.

• Vias de transmissão: suporte de transmissão (cabos de pares simétricos, cabo coaxial, fibra óptica, feixes hertzianos,etc.) + repetidores (amplificadores, regeneradores).

• Equipamento terminal: interface com a rede (telefone, computador, PPCA, etc.).

• Equipamento de comutação: comutadores digitais nas redes telefónicas (comutação de circuitos), routers (comutação de pacotes) nas redes de dados.

• Sistemas de sinalização e gestão: responsáveis por processarem a informação de sinalização e gestão.

• Servidores: Dispositivos com capacidade para armazenar informação (servidores de WWW e cabeças de rede nas redes CATV,etc.).


Topologias

Representação de uma rede por um grafo

• A estratégia de interligação entre os nós define a topologia da rede, ou mais especificamente a topologia física. O modo como a informação flui define a topologia lógica.

v1v2

v3

v4

v5

e1

e2

e3e4

e5 e6

e7

1 2

3

4

5

Topologia física Topologia lógica

Fluxo de informação Grafo da

rede


Tipos de Topologias

• O tipo de topologia condiciona a estratégia de desenvolvimento e o tipo de serviços que a rede pode oferecer.

Topologias com meio não partilhado

Topologias com meio partilhado

Anel Malha

Árvore

Estrela

Barramento (Bus)

A

B

C

D

E


Representação de uma Rede (T. Física)

• Um rede pode-se representar a partir de um grafo onde representa o conjunto dos vértices ou nós e representa o conjunto de ligações (links).

• A topologia física também se pode representar usando uma matriz de adjacências g. Essa matriz tem dimensão NxN. O elemento gij=1, se existir uma ligação entre i e j.Caso contrário é igual a 0.

• Define-se o grau do nó como sendo o número de ligações que convergem para um determinado nó, ou seja

• O valor médio do grau do nó é dado por

),( EVG v1v2

v3

v4

v5

e1

e2

e3e4

e5 e6

e7

Grafo da rede

).......,( ,21 NvvvV =).......,( ,21 LeeeE =

∑=

=N

jiji g

1

δ

NL

N

N

ii

211

=>=< ∑=

δδ

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

0100110101010110010111110

g

Matriz de Adjacências

8.25

23324=

++++>=<δ


Representação de uma Rede (T. Lógica)

• A topologia lógica descreve o fluxo de tráfego que ocorre na rede. Este fluxo também é descrito através do número de pedidos de tráfego. Os pedidos de tráfego podem ser unidireccionais (um sentido) ou bidireccionais (nos dois sentidos).

• A topologia lógica também se pode representar através de uma matriz de pedidos d. O elemento dij=1, se existir um pedido de tráfego entre i e j. Caso contrário é igual a 0.

• No caso em que o fluxo de tráfego entre dois nós ocorre nos dois sentidos têm-se que o número médio de pedidosé dado por

• Para uma topologia lógica em malha (padrão de pedidos uniforme) têm-se O número total de pedidos de tráfego unidireccionais é então e bidireccional .

1−>=< Nd

v1v2

v3

v4

v5

Topologia Lógica em malha (um

sentido)

∑ ∑= =

>=<N

i

N

jijd

Nd

1 1

1⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

0000010000110001110011110

d

Matriz de pedidos

425

1234=×

+++>=< d

)1(1 −= NND2/)1(2 −= NND

Dois sentidos


Planos de Rede

• Numa rede de telecomunicações podem-se individualizar três panos: Plano de utilizador, plano de controlo e plano degestão.

• Plano de utilizador: responsável por transferir a informação do utilizador através da rede. Assegura o suporte físico.

• Plano de controlo: responsável pelo processo de sinalização associado ao estabelecimento, supervisão e terminação de ligações. Exemplo de planos de controlo: Sistema de sinalização nº 7, GMPLS (Generalized multiprotocol label switching), etc.

• Plano de gestão: Funções a nível de detecção e correcção de falhas (gestão de falhas), configuração dos elementos de rede (gestão de configuração), monitorização de desempenho (gestão de desempenho), autorização de acesso (gestão de segurança).


Classificação das Redes

• Em termos do modo de transferência de informação as redes podem-se classificar em comutadas e de difusão. Por sua vez as comutadas podem ser de comutação de circuitos ou de pacotes.


Redes comutadas Redes de difusão

Redes de comutação de circuitos Redes de comutação de pacotes

Redes orientadas à ligação (Circuitos virtuais)

Redes não orientadas à ligação (Datagramas)

• Rede de satélites

• Rede de difusão de televisão e rádio

• Rede Ethernet CSMA/CD

• Rede telefónica

• Rede celular

• Circuitos alugados

• Redes de transporte (SDH e OTN)

• Rede IP • Frame relay

• ATM (Asynchonous transfer mode)

• MPLS (Multi-protocol label switching)


Comutação de Circuitos

• Na comutação de circuitos é estabelecida pela rede uma ligação (circuito) entre dois utilizadores (chamado e chamador) para a transferência de informação a qual é mantida durante toda a comunicação.

• Envolve três fases: estabelecimento do circuito, transferência de dados, e terminação.

• Os circuitos podem ser comutados ou semi-permanentes. Os primeiros, como é o caso dos circuitos telefónicos, são estabelecidos por acção do plano de controlo. Os segundo, como é o caso dos caminhos nas redes SDH e dos canais ópticos nas redes OTN são estabelecidos pela acção do plano de gestão.

• Como os recursos usados na ligação são reservados durante todo o tempo em que a ligação está activa esta solução é apropriada para o tráfego de voz, mas não é adequada para o tráfego de dados que é bursty por natureza.

Numa ligação telefónica a primeira fase tem lugar quando se marca o número do destinatário e a central de comutação estabelece uma ligação para o telefone do destinatário e envia o sinal de chamada. A segunda fase corresponde à conversação entre os interlocutores. A terceira fase inicia-se quando se pousa o telefone.


Comutação de Pacotes

• Na comutação de pacotes a informação é segmentada em pacotes, que por sua vez são enviados através da rede de nó para nó até atingirem o destino.

• Na comutação com datagramas a cada pacote inclui um cabeçalho com informação do destino e da fonte. Cada pacote é encaminhado individualmente através da rede, podendo diferentes pacotes com o mesmo destino seguirem caminhos diferentes.

• Na comutação por circuitos virtuais por sua vez requer o estabelecimento prévio de uma circuito virtual entre a fonte e o destinatário, o qual é seguido por todos os pacotes. O processo de comunicação envolve três fases como na comutação de circuitos.

B

C

R

U

X

T

X D T

D

U R C B

X D T U R C B

FonteControlo da sequência

Nó

Comutação por datagramas


Estratificação em Camadas

• Uma rede de telecomunicações pode-se dividir em camada de redede transporte e camada de rede de serviços. A camada de rede de serviços funciona como cliente da camada de rede de transporte.

• A camada de rede de transporte porpociona caminhos (capacidade de transporte) à camada de serviços. Uma ligação a 34 Mb/s por segundo é um exemplo de uma caminho eléctrico e um comprimento de onda suportando um canal a 10 Gb/s é um exemplo de um caminho óptico.

• As camadas de serviço são de diferentes tipos (rede telefónica, redes de dados, rede celulares, redes de cabo, circuitos alugados.

Rede de Transporte

Rede telefónica

Rede de dados

Rede celular

Circuitos alugados

Rede de cabo


Rede de Transporte

• A rede de transporte é uma plataforma tecnológica que assegura uma transferência transparente e fiável da informação à distância, permitindo suportar diferentes serviços.

• A rede de transporte garante diferentes funcionalidades, como sejam, transmissão, multiplexagem, encaminhamento,protecção, supervisão e aprovisionamento de capacidade.

• A rede de transporte é constituída por diferentes elementos de rede ligados entre si segundo uma certa topologia física (anel ou malha) e interagindo directamente com o plano de gestão.


Exemplificação do Papel do Transporte

• A rede de transporte neste exemplo é representada pelo plano inferior e é constituída por multiplexadores ADM interligados por fibras ópticas.

• A camada de rede de serviços é representada por centrais de comutação telefónica (CC).

ADM

CC

Camada de rede de Transporte

Camada de rede de serviço

CC

CC

CC

ADM

ADM

ADMADM

A

BC

DE

a b

c

d

Tecnologias de rede para o transporte: SDH (Synchronous Digital

Hierarchy) , WDM, (Wavelength Division

Multiplexing), OTN (Optical Transport

Network)


Hierarquização da Rede

• Uma rede de telecomunicações de dimensão nacional é representada por uma estrutura hierárquica com três níveis: núcleo, metro e acesso.

• A estrutura hierárquica é comum à rede de transporte e de serviços.

Núcleo100s-1000s kmMalha

Metro10-100 kmAnel

Acesso<10 kmAnel, estrela, etc

Utilizadores

Na rede de núcleo e na rede metropolitana a topologia física é normalmente imposta

pela camada de transporte.

A rede de acesso usa uma grande variedade de tecnologias e topologias, e é

responsável por uma fracção muito importante do investimento feito numa rede.

Tecnologias de transmissão no acesso: pares de cobre, cabo coaxial, fibra óptica,

soluções rádio (FWA).


Rede Telefónica Pública Comutada

• A topologia em estrela é a solução mais simples

CCCentral de comutaçãotefefónia

Telefone

A topologia mais simples para uma rede telefónica é a topologia em estrela, ligando

uma central de comutação telefónica ao equipamento terminal do utilizador.

Número de centrais de comutaçãoC

usto

custo da linha

custo total

nº óptimode centrais

custo da comutação

Quando a dimensão da rede aumenta, torna-se mais económico dividir essa rede em sub-

redes de pequenas dimensões, cada uma servida pela sua própria central de

comutação telefónica.

Para interligar todas as centrais entre si, a solução mais económica é usar uma central

de nível superior: central tandem.

Estrutura hierárquica


Estrutura Hierárquica

• Uma rede telefónica pública comutada apresenta uma estrutura hierárquica e uma topologia em árvore não pura, porque à medida que se sobe na hierarquia aumenta o número de ligações directas entre centrais do mesmo nível.

Rede de núcleo oude troncas

Rede internacionalCentral internacional

Centros de trânsitosecundário

Centros de trânsitoprimários

Centrais locais

CentralTandem

Rede de acessoou local

Rede de junção

Linha de assinante

A linha de assinante é constituída por pares de cobre, por isso esta rede é muitas vezes designada por rede de cobre

Tran

smis

são

a 2

fios


Rede Digital Integrada

• Uma rede digital integrada (RDI) é uma rede telefónica pública em que a comutação é digital e a transmissão no núcleo e nas junções também é feita usando transmissão digital.

• A qualidade do sinal na RDI devido à regeneração é independente do número de troços e centrais presentes na ligação.

CR

CLRDI

Central analógica

Equipamentode rede. Conversão A/D

CL

CT

CR

CT

CT CL

CT

CL CL CL Central de trânsito digital

Central local digital

Concentrador digital

Telefone analógico

Transmissão digital

Transmissão analógica

Acesso analógico

Passo seguinte: Proporcionar transmissão digital até ao utilizador (RDIS)


Rede Digital com Integração de Serviços

• A característica fundamental da RDIS é a digitalização do lacete de assinante.

• O RDIS oferece acesso básico e acesso primário.

Acesso básico

2x64 Kbits – canais B para comunicação

1x16 kbit/s – canal D para sinalização

Interface U a 2 fios a 160 kbit/s

Acesso primário



Interface U a 4 fios a 2 Mbit/s

NT1

NT1

TA

Telefone analógico Telefone digital

PPCA

Interface U

Interface U

Acesso básico

Acesso primário

Interface SInterface T Central de

comutação

Para manter compatibilidade com os telefones analógicos

usa-se um adaptador TA


Rede Celular

• Estrutura básica de uma rede celular

• Numa rede celular a componente de acesso designa-se por Radio Network Subsystem, a qual inclui as estações de base (BS) e os controladores da rede de rádio (RNC)

• A componente de núcleo inclui as MSCs com as bases de dados associadas (HRL, VLR).

MSC

Estação base

Telefonemóvel

Centrallocal Rede fixa

Mobile Switchingcenter

BS

BS

RNC

Radio NetworkController

Base station


Redes Híbridas Fibra-Coaxial

• As redes de distribuição de televisão por cabo CATV ( CAble TV) (rede decabo) usam uma infra-estrutura de fibra óptica, para servirem células de 200 a 1000 utilizadores, seguida de uma rede em cabo coaxial.

• O servidor situado na cabeça da rede distribui para os utilizadores os diferentes sinais de televisão usando multiplexagem por divisão na frequência (FDM).

Cabeçade

Rede

Repartidorcoaxial

Amplificador de troncacom repartição

Utilizador

Amplificadorde linha

Nó de acessoóptico Cabo coaxial

Fibra ÓpticaUtilizador

A rede coaxial apresenta uma topologia em

árvore

Para o fornecimento de serviços interactivos, é necessário usar amplificadores bidireccionais e

um protocolo da acesso múltiplo para evitar colisões entre os sinais de retorno enviados

pelos diferentes utilizadores


Rede deTransporteSecundária

Rede de Transporte da Rede Híbrida

• A ligação entre a cabeça da rede e o nó de acesso óptico é realizado pela componente de transporte. Na rede de transporte representada a rede de transporte tem dois níveis.

• A rede de transporte primária usa a informação digitalizada.

Cabeçade Rede

Cabeçade Rede

Nó deAcessoNó de

AcessoNó de

AcessoNó de

Acesso

Par de fibrasópticas

Rede deTransportePrimária

Fibra óptica

Rede CoaxialNó de acesso

óptico

No rede de transporte primária a informação é digitalizada (PCM). No nó de acesso a informação é convertida para o domínio analógico (RF) e em

seguida para o domínio óptico.

No nó de acesso acesso o sinal óptico é convertido para um sinal de radiofrequência

(RF) e injectado na rede coaxial


Espectro de Radio-Frequência

• O canais de televisão (serviço distributivo) fazem uso da bandadirecta situada entre 111 e 750 MHz. A parte entre os 550 e 750 MHz é usada para televisão digital e ligação interactiva descendente.

• O via de retorno é usada para as ligações interactivas ascendentes.

• Note que os sinais transmitidos são sinais de radiofrequência FDM, logo analógicos.

5 65 88 108 111 550 750 1000 f (MHz)

Via deRetorno

CanaisFM

Canais de TV analógicos

Canaisdigitais

Upgradefuturo

Fibra Óptica ff1 fN

fN

Receptor Óptico f

Filtro Passa Baixo

Desmodulador (Televisor)

Oscilador local sintonizável

Sinal de radiofrequência


Os pacotes são encaminhados através da Internet.

Encaminhadores (Routers)

CaminhoRede 1

Rede 2

Pacote

Internet

Na Internet usa-se comutação de pacotes por datagramas

Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, 2006-2007


Arquitecturas de Rede: Modelo TCP/IPArquitecturas de Rede: Modelo TCP/IP

TCP: Transmissioncontrol protocol

UDP: User DatagramProtocol



Modelo TCP/IPModelo TCP/IP

Aplicação

Transporte

Rede

Dados

Físico

5 – Aplicação: Aplicações de rede distribuídas: FTP, SMTP, HTTP.

4 – Transporte:Transferência de dados entre estações: TCP, UDP.

3 – Rede:Encaminhamento e expedição de mensagens: IP, protocolos de encaminhamento.

2 – Ligação de dados:Transferência de dados entre máquinas vizinhas: PPP, Ethernet.

1 – Nível físico:Passagem de bits entre máquinas vizinhas: RS-232c, V.92.



Modelo TCP/IP (2)

Cliente ServidorComutador Ethernet Router

Aplicação HTTP Msg Aplicação

Transporte TCP Msg Transporte

Rede RedeRede

Dados TramaEthernet

Dados Dados Dados

Físico Físico FísicoFísico

Pacote IP


Redes do Século XXI

• As palavras chave vão ser banda larga e convergência.

• A banda larga irá exigir a aproximação da fibra óptica ao utilizador.

• A convergência irá reduzir o número de tecnologias de rede usadas tanto na camada de serviço, como na camada de transporte.


OTN

IP/MPLS

Camada de rede de serviçoPlataforma de acessomultiserviço

Utilizador

ONU

Fibra

Fibra

Cobre

Cobre


Serviços em Telecomunicações


Serviços

• Objectivo das redes de Telecomunicações: fornecer serviçosserviços aos clientes que estão sobretudo interessados no tipo, qualidade e custo

• Importa definir classes de serviços permite definir as características que as técnicas e tecnologias utilizadas pelas redes de telecomunicações devem apresentar


Classificação dos Serviços(quanto às direcções de transferência de informação)

Classes Classes

de de serviçosserviços

InteractivosInteractivosFluxo de infobi-direccional

Distribuição (difusão)

Fluxo contínuo de informação (unidireccional) de uma fonte central para vários utilizadores

(ex: difusão de televisão)

Conversacionais Transferência de informação bidireccional em tempo real

(telefonia, vídeo-conferência)

ConsultaConsulta de informação guardada em centros de

informação públicos na rede (WWW)

MensagensA troca de informação sem ser

em tempo real entre utilizadores com funcionalidades de armazenamento (correio

electrónico)


Classificação dos serviços(quanto às exigências feitas às redes)

Critérios

Largura de banda

Capacidade de transporte disponível nas ligações da rede para fornecer um dado serviço ao utilizador. Varia entre alguns kHZ para a telefonia até vários MHz para a televisão.

Os serviços que requerem um débito inferior a 2 Mbit/s , designam-se de banda estreita. Por sua vez os que requerem um débito superior a esse valor de banda larga.

Simetria/ assimetria da comunicação

A comunicação faz-se nos dois sentidos (comunicação simétrica) ou preferencialmente num sentido (assimétrica).

Difusão/ Comutado

Serviço difundido: a mesma informação chega todos os clientes.

Serviço comutado: diferentes clientes obtêm informação diferente.


Classificação dos Serviços(quanto às formas de representação da informação)

Classes Classes

de de serviçosserviços

MultimédiaMultimédia

MonomédiaMonomédia

dadosdados

Rede pública de dados

Internet

vídeovídeo

áudioáudio

Usam várias formas de representação de informação

num único serviço

Usam uma única forma de representação de

informação no serviço


Digitalização de um Sinal Analógico (PCM)

• A digitalização de um sinal envolve as seguintes etapas: filtragem, amostragem, quantificação e codificação.

• A filtragem é realizada de modo a garantir que o espectro do sinal não apresenta componentes espectrais superiores a um valor B.

• A amostragem consiste em retirar amostras do sinal a intervalos de tempo regulares designados por Ta.(período de amostragem). O valor de Ta é obtido a partir da frequência de amostragem fa (Ta =1/ fa ), a qual é dada por fa≥ 2B.

• A quantificação permite discretizar as amplitudes das amostras, num conjunto finito.

• A codificação permite atribuir a cada nível de amplitude gerado pelo quantificador uma palavra binária com Nb bits, gerando um sinal PCM (Pulse Code Modulation) com um débito binário igual a Db=Nb×fa.


Tensão (V)

PCM:Exemplo

• Exemplificação a digitalização de uma sinal

t (μs) 0 0.25 0.5 0.75 1.0

0.5

1

Tensão (V)

t (μs) 0 0.25 0.5 0.75 1.0

Tensão (V)

0.5

1

t (μs) 0 0.25 0.5 0.75 1.0

Tensão (V)

0.5

1

000001010011100101110111

Sinal Analógico Sinal Amostrado(Ta=0.25 μs)

Sinal Quantificado

000 011 110 010 000

Sinal Codificado

fa = 4 Mamostra/s

Db=3x4x106 =12 Mb/s

t (μs)0 0.25 0.5 0.75 1.0 1.25

5

0

Sinal PCM


Canal de Voz e Débito da Voz Digitalizada

• A voz humana cobre as frequência entre os 100 a 7000 Hz. Porém a maior parte do conteúdo inteligível situa-se entre a banda de 300-3400 Hz, chamada banda da voz. Por sua vez admite-se que a banda do canal de voz (telefónico) se situa entre 0 e 4 kHz.

• Na digitalização do sinal de voz considera-se que B é igual à banda do canal ou seja 4 KHz e como frequência de amostragem fa= 8 kamostra/s. A codificação do sinal também é feita com Nb=8 bit/amostra.

Frequência (HZ)0 300 3400

Banda da voz

4000

Amplitude ou tensão

Banda do canal de voz

As rec. G.132 e G.151 da ITU-T indicam a banda atribuída ao sinal de voz de 300-3400 Hz

Ta =125 μm Db =fa×Nb=64 kb/sPeríodo de amostragem

Débito binário


Características de Diferentes Sinais

705.6 384166 Mb/s64Débito Total(kbit/s)

161288 Dimensão da palavra PCM (bits)

uniformeuniformeuniformenão uniformeCodificação

44.13210.368 Mb/s (luminância) 8

Frequência de amostragem (Kamostra/s)

Música (gravação)

Música (transmissão)

Televisão Voz (telefonia)Parâmetro

No caso do sinal de voz (telefonia) usa-se uma codificação logarítmica: lei A com 13 segmentos (Europa) ou lei μ (EUA e Japão) com 15 segmentos.

No caso da televisão digital (ITU-R 601) têm-se 25 imagens/s, 720×576 amostras de luminância, 360×576 amostras de cada uma duas crominâncias e 8 bits/amostra, o que conduz a um sinal PCM com um débito de (720×576 + 2×360×576)×8×25 bit/s = (720×576)×16×25b/s ≈ 166 Mb/s.


Características de Sinais de Vídeo

0.04-0.30.3-2 2-610-20Débito comprimido (Mbit/s)

4.6737.3165.9 1036.8 Débito Total(Mbit/s)

15302525Resolução temporal (imagem/s)

12121620Resolução de cor (bit/pixel)

180 x 144360 x 288720 x 5761920 x 1080Resolução espacial (pixel)

Video-telefonia

Video-conferência

Televisão digital

Televisão de alta-definiçãoParâmetro

Na Internet e na televisão usam-se técnicas de compressão baseadas nas normas MPEG2 e MPEG2 da ISO e a nível da vídeoconferência ou da videotelefonia usam-se as normas H. 261 e H.263 do ITU.

Fonte: Rui Sá, SRT, FCA, p.36, 37


Super Hi-Vision/Ultra- HDTV

• Comparação da ultra-HDTV (UHDTV) com outros formatos

• A UHDTV apresenta uma resolução de 7680 × 4320 pixels, ou sejaapresenta uma resolução cerca de 16 vezes superior à HDTV.

• O débito binário requerido é de 24 Gb/s o qual foi possível ser comprimido para valores entre 180 e 600 Mbit/s.

Fonte: Wikipedia


Codificadores de Voz

• Os codificadores de voz dividem-se em codificadores de forma ou onda (temporais) e codificadores de voz (vocoders).

• Os primeiros baseiam-se no facto de em certos sinais (voz, vídeo) a amplitude da amostra variar pouco de amostra para amostra (fortecorrelação entre as amostras).

• Os codificadores de voz baseiam-se na síntese de voz e são usados para débitos baixos (1.2-2.4 kb/s) e a qualidade é fraca.

• Para débitos entre 6-16 kb/s usam os codificadores híbridos que combinam o melhor dos vocoders e dos codificadores de forma.

Transmite- se a diferença entre as amostras o que requer um número de bits menor.

No caso da voz para débitos entre 24–40 kb/s a qualidade é boa, mas degrada-se rapidamente para valores da ordem dos 16 kb/s.


Qualidade de Diferentes Codificadores de Voz

• A qualidade da voz é medida normalmente usado testes subjectivos designados por MOS (mean opinion score).

• Nestes testes os codificadores de onda (ex: DPCM) têm a classificação máxima e os vocoders (Linear Predictive Coding) os piores resultados

CodificadoresLPC

Codificadoresde onda

Codificadoreshíbridos

1 2 4 8 16 32 64

Débito Binário (kb/s)

1

2

3

4

5

Qualidade da voz

Má

Mediocre

Razoável

Boa

Excelente

PCM (64 kb/s) ⇒ 4.2 ADPCM (40 kbit/s) ⇒ 4.2 ADPCM(32 kbit/s) ⇒ 4 ADPCM (16 kbit/s) ⇒ 2

ADPCM: Adaptative Differencial PCM


Voz sobre IP

• Na transmissão de voz sobre IP (Internet Protocol) a sinal de voz depois de digitalizado é segmentado em pacotes e transportado como datagramas IP.

• Como protocolo de nível 4 usa-se o UDP (User Datagrama Protocol), em vez do TCP, já que é mais rápido do que este.

• Uma das normas mais usadas para o transporte de voz sobre IP/UDPé a recomendação do ITU-T H.323. Esta norma define nomeadamente os codecs de voz a usar, assim como protocolos de sinalização e transferência de informação.

• Como numa rede IP os pacotes podem ser perdidos, atrasados ou corrompidos, a norma H.323 define o protocolo RTP (Real-timeprotocol) para aumentar a fiabilidade das transmissão.


Voz sobre IP (débitos)

• O protocolo RTP permite que os pacotes cheguem ordenados. Quando os pacotes são perdidos ou sofrem grande atraso, o sinal de voz é interpolado baseado nas amostras anteriores.

• Usam-se, normalmente na codificação da voz os codecshíbridos, como por exemplo o G. 723.1. Este codec origina um débito de 6.4 kbit/s e apresenta um valor de MOS de 3.9.

• Será de notar que os cabeçalhos RTP/UDP/IP vão aumentar significativamente aquele valor do débito, originado valores de 17 kbit/s.


Formação dos Pacotes IP

• A codificação é feita em tramas. À trama comprimida são adicionados os diferentes cabeçalhos.

A/D Amostra

Trama comprimida

Tramas comprimidas

RTP

UDP

IP

Cabeçalho RTP

Cabeçalho UDP

Cabeçalho IP

Voz


Capítulo 3

Redes Ethernet e ATM


Redes Ethernet


Introdução

• A Ethernet foi inventada em 1973 tendo como objectivo interligardiferentes equipamentos, no âmbito das redes locais de computadores (LAN, Local Area Networks).

• A maior parte do tráfego de dados hoje em dia é gerado através de interfaces Ethernet.

• A popularidade da Ethernet deve-se ao baixo custo da tecnologia, tendo a preocupação de baixo custo estado sempre associada a todos os desenvolvimentos ulteriores.

• Um LAN ocupa normalmente uma área relativamente restrita, como seja parte de um edifício, um edifício ou um campus.

• Nos dias de hoje a aplicação de Ethernet alargou-se às redes metropolitanas (Metro Ethernet) e às redes de núcleo (CarrierEthernet).


Arquitectura e Modelo OSI

• A Ethernet foi desenvolvida pelo Grupo de Trabalho IEEE802.3 nocomité IEEE 802 responsável pelo desenvolvimento de normas para as redes locais e metropolitanas.

Fisica

Ligação de

dados

Rede

OSI

Fisica

MAC

LLC

Ethernet

MAC: Medium Access ControlLLC: Logical Link Control

• A Ethernet inclui a camada física e a camada de ligação de dados do modelo OSI. A ligação de dados subdivide-se em MAC e LLC.

• A sub-camada LLC é responsável ela interface com as camadas superiores e pelo controlo de fluxo e de erros.

• A sub-camada MAC é responsável por controlar o acesso ao meio, assim como por garantir uma transmissão de informação sem erros. Organiza a sequência de bits recebida em tramas.

• A camada física tem a ver com o meio de transmissão/recepção de bits, com as propriedades eléctricas, ópticas e mecânicas, o tipo de fichas, etc.

802.3

802.3

802.2


Papel da Sub-camada MAC

• Em topologias de rede com meio partilhado é responsável pelo controlo de acesso ao meio entre várias estações usando por exemplo o protocolo CSMA/CD.

• Endereçamento MAC: O endereço MAC constitui o endereço físico de cada estação ligada à rede. Permite identificar a fonte e o destino das tramas.

• Processamento da trama: Permite identificar os limites e o tipo de tramas.

• Detecção e correcção de erros: Usa códigos de redundância cíclica para detectar e corrigir erros.

O endereço físico da maioria das estações está impresso na placa de rede da estação (NIC: Network Interface Card)


Endereço MAC (IEEE802.3)• O endereço MAC IEEE802.3 é constituído por 6 octetos (48 bits) e apresenta a

seguinte estrutura:

• O bit I/G é feito igual a 0 para indicar que a trama é destinada a uma estação individual (endereço unicast), ou igual a 1 quando a trama é destinada a uma grupo de estações (endereço de grupo). O endereço de grupo pode ser multicast (um grupo determinado), ou broadcast (todas a estações).

• O bit U/L indica se o endereço corresponde a um endereço indicado pelo IEEE (U/L=0), ou atribuído via software por uma organização (U/L=1).

• Normalmente os endereços MAC são representados em hexadecimal. Ex:

I/G U/L 46 bits

48 bits

I/G bit “0” = endereço individual, “1” = endereço de grupo

U/L bit “0” = endereço universal “1” = endereço local

Octeto 0 1 2 3 4 5 Representação Binária 0100 0111 0010 0000 0001 1011 0010 1110 0000 1000 1110 1110Representação Hexadecimal 47- 20 - 1B - 2E - 08 - EE

O número de endereços disponíveis é igual a 248 = 281 474 976 710 656


Como Verificar o Endereço MAC?

Para verificar o endereço MAC de um computador:> ipconfig /all Fonte: Prof. Paulo Correia,

TRC, 2006-2007

Endereço MAC


Formato da Trama (IEEE 802.3)

• A Ethernet usa o formato da trama representado abaixo. Apesar daevolução da tecnologia a estrutura das tramas tem-se mantido inalterada.

• Preâmbulo: sequência de 7 octetos (0101....) que permite a sincronização do receptor, pois este opera em modo burst.

• SFD (Start of Frame): Padrão de 8 bits (10101011) que indica o início da trama.

• Endereço de destino e endereço da fonte são campos com 6 octetos.• Comprimento/tipo: sequência de 2 octetos que indica o comprimento,

ou o tipo do campo de dados.• FCS (Frame Check Sequence): Conjunto de 4 octetos que contem o

valor do CRC calculado sobre todos os bits da trama com excepçãodo preâmbulo e SFD.

FCSDados+ Enchimento (Pad)

Comprimento / Tipo

Endereço de fonte

Endereço de destino

SFD

Preâmbulo

7 1 6 6 2 46-1500 4 octetos


Especificidades da Trama

• O campo comprimento/tipo indica um valor entre 0 e 216-1 (65 535).

• O campo de dados é o único campo de dimensão variável(46-1500 octetos).

• No campo de endereços o primeiro bit colocado a zero indica um endereço unicast (enviado para uma estação),enquanto este bit colocado a 1 indica multicast (grupo de estações).

Se o valor desse campo estiver situado entre 0 e 1500 indica o comprimento do campo de dados. Se o seu valor estiver situado entre 1536 e 65 535 representa o tipo do campo de dados. O parâmetro tipo é usado por exemplo para identificar as tramas de controlo MAC na operação de controlo de fluxo.

Se o número de octetos do campo de informação for inferior a 46, terão de ser inseridos octetos de enchimento até perfazer esse número.

O número total de endereços unicast (ou multicast) é igual a 247=1.4×1014. Note-se que o espaço de endereços do IPV4 é igual a 232=4.3×109.


Ethernet:Tipos

• Desde a publicação da norma IEEE 802.3 em 1985 a Ethernet evoluidesde um serviço half-duplex operando a 10 Mb/s, até a um serviço full-duplex operando a 10 Gb/s.

FibraNão?Fullduplex

100 Gbit/s

100 Gigabit Ethernet ?

Fibra NãoestrelaFullduplex

10 Gb/s10 Gigabit Ethernet

Par e fibra

SimestrelaHalf e fullduplex

1 Gb/sGigabit-Ethernet

Par e fibra

SimestrelaHalf e fullduplex

100 Mb/s

Fast-Ethernet

Par simétrico

SimbarramentoHalf-duplex

10 Mb/sEthernet

SuporteCSMA/ CD

TopologiaModoDébitoTipo

Half-duplex CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)

Full-duplex Ethernet Comutada


Topologias das Redes Locais

T coaxial Carga adaptada

Cabo coaxial

Bus: Anel:

HUB Switch

Trama

Estrela (Bus Lógico): Estrela :

PC

PC


Topologias: Bus

• A transmissão é escutada por todas as estações. Cada estação é identificada através do seu endereço físico.

A B C

C

A envia uma trama para C

A B C

C

Não é endereçada a B: é ignorada

A B C

C

A trama é copiada por C

• Como o meio é partilhado é necessário definir regras de acesso ao meio, para evitar que uma estação monopolize a rede e para regular a comunicação em presenças de colisões.

• Para controlar o acesso ao meio (MAC) em redes em bus usa-se o protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Acess with CollisionDetection).


CDMA e Colisões

• Cada estação monitoriza a actividade do meio físico (Carrier Sence) e só transmite se o meio estiver livre. Todas as estações podem aceder ao meio (Multiple Access).

• Podem ocorrer colisões se houver duas estações a transmitir simultaneamente. Quando a colisão é detectada (Collision Detection), as estações esperam um tempo aleatório antes de retransmitir.

A B

B B

Trama gerada a t=0Trama quase

chegar a B (t=T-δ)

A B

B

Colisão detectada t=2T

Ocorre uma colisão a t=T

A

Tt= 2 x Tp= (2x L)/v, Tt = Nt (mínimo) /Db : Duração da tramaTp= tempo de propagação (ida); L = distância máximaDb = débito binário; Nt= Número de bits da trama Ethernetv = velocidade de propagação; Nt (mínimo)= 64 x 8 = 512 bits

L

A norma IEEE802.3 impõe para Db = 10 Mb/s um L = 2500 m

Db = 100 Mb/s L = 250 m

Db = 1 Gb/s L = 25 m !!!


Topologias: Anel

• Normalmente à topologia física em anel está associada uma topologia lógica também em anel.

• Uma das soluções para o controlo do acesso ao meio é a rede TokenRing. Periodicamente é enviado de estação para estação um testemunho (token).

• Uma estação só pode transmitir tramas na posse desse testemunho. Quando a estação não tem dados a transmitir limita-se a repeti-lo para a estação seguinte.

• No anel as tramas em circulação são retiradas pelo nó emissor.

A B

D C

C

A B

D C

C

C

A envia uma trama dirigida para C. A trama passa por B. Este nó ignora a trama.

C

Em C a trama é copiada. Esta continua a circular no anel até A onde é removida.


Topologias: Estrela

• A topologia em estrela usando um hub ou concentrador, corresponde a uma topologia lógica em bus.

• Um hub pode ser visto como um repetidor, com múltiplos portos de saída. O hub responsabiliza-se por regenerar o sinal recebido e retransmiti-lo para todos os outros portos.

• Os switches permitem implementar a Ethernet comutada e estender o modo de operação para full-duplex.

• Contrariamente aos hubs que só operam a nível da camada física, os switches operam a nível do MAC.

HUB Capacidade Total 100 Mb/s

100 Mb/s

100 Mb/s100 Mb/s 100 Mb/s

Switch

100 Mb/s

100 Mb/s100 Mb/s 100 Mb/s

Capacidade Total N x 100 Mb/s

Rede com Hub: topologia lógica em bus

Rede com switch : topologia lógica em estrela


IEEE 802.3: Ethernet Comutada

• O elemento central é uma comutador (switch) Ethernet que envia os dados só para a estação de destino usando o endereço MAC.

• A rede pode transformar-se num conjunto de ligações ponto-a-ponto com uma topologia física em estrela em substituição do barramento clássico da Ethernet

Rede Ethernet Comutada com dois níveis hierárquicos

Fast Ethernet switch

Gigabit Ethernet switch

Interfaces:10/100/1000 Base-T100 Base-Fx/1000 Base X, 10 GbE

Switch JUNIPER


Funções de um Switch Ethernet

• Usa tabelas semelhantes às de encaminhamento mas apenas com base nos endereços de nível 2: aprende os endereços por observação das transmissões.

• Recebe tramas com um determinado endereço e realiza uma das seguintes funções: retransmissão (forwarding), difusão (flooding) e filtragem.

Quando Z começar a transmitir a SAT aprende o endereço

MAC address = Z, Port = 3


Diagrama Funcional de um Switch

• O diagrama funcional de um switch inclui uma tabela de endereços ou SAT (Source Address Table), lógica de filtragem/retransmissão, lógica de aprendizagem associada com os portos.

• Quando uma trama chega à interface de um porto a lógica de filtragem/retransmissão faz uso do endereço MAC e da SAT para decidir se a trama é difundida, retransmitida ou filtrada.

Tabela de endereçosEndereço Porto

Lógica de filtragem/retransmissão

Interface do porto

Interface do porto

Lógica de Aprendizagem

Lógica de Aprendizagem

A cada entrada da tabela corresponde o endereço de uma estação e o porto do switch através do qual essa estação pode ser alcançada.

SAT

A tabela de endereços pode ser preenchida automaticamente ou manualmente através do plano de gestão.

No modo de aprendizagem automática a lógica de aprendizagem examina o endereço fonte de todas a tramas que chegam ao switch. Quando este endereço não faz parte da tabela, essa lógica insere esse endereço na tabela, assim como o número do porto de entrada da trama no switch.


Problema das Malhas Fechadas

• Nas redes com malhas fechadas tem-se o problema da tempestade de difusões (broadcast storm), que corresponde a ter-se uma trama que se replica exponencialmente na rede.

• Outro problema com as malhas fechadas está no facto de uma estação poder ser alcançada através de percursos múltiplos o que é uma fonte de confusão para a lógica de transmissão e de aprendizagem.

YX Z

Switch A Switch B

Switch C Admita-se que o endereço Z não está na SAT do switch A, e que a estação Y envia uma trama para Z. Deste modo o switch A vai difundir essa trama para todos os seus portos com excepção do porto de chegada. Os switchs B e C recebem essa trama e vão também difundi-la por todos os seus portos com excepção dos portos de chegada. Chega-se a uma situação com uma taxa de replicação da trama quase exponencial, que vai consumir quase todos os recursos de banda da rede.


Spanning Tree Protocol

• Para garantir a ausência de malhas fechadas nas redes Ethernet usa-se o Spanning Tree Protocol (STP).

• A implementação do protocolo envolve duas etapas: a eleição do switch raiz (Root switch) e a convergência da topologia. O protocolo tem ainda possibilidade de detectar alterações na topologia e responder a essas alterações.

• A transmissão de informação de controlo entre os switches é realizada através de mensagens designadas BPDUs (Bridge Protocol Data Units).

• Campos presentes numa BPDU: identificador (ID) do switch, identificador da raiz (IDR), ID do porto, custo de caminho (C) até à raiz, e informação temporal.

O custo de um caminho até à raiz corresponde à soma dos custos de todas as ligações existentes entre o porto de um switch e um porto da raiz. Como não é conveniente encaminhar tráfego em ligações de baixa capacidade o custo de uma ligação deve ser inversamente proporcional ao seu débito. 210 Gb/s

41 Gb/s

18100 Mb/s

10010 Mb/s

CustoDébitoCusto

recomendados


Eleição da Raiz

• Na primeira etapa é eleito como raiz o switch com o menor valor de ID e todos os outros são considerados switches designados.

• Para eleger a raiz todos os switches difundem BPDUs, anunciando o seu ID e fazendo o ID da raiz idêntico a esse ID. Se um switch detectar que o seu ID é superior ao do BPDU recebido, termina a suas emissões, limitando-se a difundir as tramas recebidas.

• No fim do processo só o nó raiz é que continua a emitir, sendo eleito raiz.

S1

B S3

4 4

19

19100

19

100

S2

S5S4

IDR=S1, ID=S1 IDR=S1, ID=S1

IDR=S2, ID=S2

IDR=S2, ID=S2

IDR=S2, ID=S2

IDR=S2, ID=S2

S1

B S3

4 4

19

19100

19

100

S2

S5S4

IDR=S1, ID=S1 IDR=S1, ID=S1

IDR=S1, ID=S1

IDR=S1, ID=S1

IDR=S1, ID=S1

IDR=S1, ID=S1

1ª fase 2ª fase


Convergência de Topologia

• A etapa de convergência inicia-se com o switch raiz difundindo tramas BPDUs, indicando um custo mínimo zero.

• Cada porto repete esta trama e adiciona o custo da sua ligação até à raiz. De entre os diferentes portos de um switch, aquele que receber a trama com o menor custo é considerado porto raiz . Este porto é colocado em estado de retransmissão e todos os outros em estado de bloqueio.

S1

B S3

4 4

19

19

100

19

100

Switch raiz

Switchdesignado

Switchdesignado

Switchdesignado

Switchdesignado

S2

S5S4

IDR=S1, ID=S1, C=0IDR=S1, ID=S1, C=0

IDR=S1, ID=S2, C=4 IDR=S1, ID=S2, C=4

IDR=S1, ID=S5, C=23

IDR=S1, ID=S3, C=4

S2 recebe uma BPDU através de três portos. Num porto a trama indica C=0, e nos outros C=4 e C=23. Por isso o primeiro porto é um porto raiz e os outros são bloqueados

Quando um switch recebe em dois portos tramas com idênticos custos, escolhe com porto raiz aquele que recebe a trama com menor ID.

Porto raiz

Porto Bloqueado


Convergência de Topologia (II)

Topologia convergidaEstados dos portos de um switch:

A

B C

4 4

19

19100

19

100

Switch raiz

- Porto raiz

- Porto designado

Switchdesignado

Switchdesignado

Switchdesignado

B

ED

- Porto bloqueado

É proporcionado um caminho bidireccional com uma topologia lógica em árvore entre a raiz e todos os swiches da rede, sem malhas fechadas.

SimSimSimSimRetransmissão

NãoSimSimSimAprendizagem

NãoNãoSimSim Escuta

NãoNãoNão SimBloqueado

NãoNãoNãoNão Desactivado

DadosTx

Dados Rx

BPDUTx

BPDURx

Estado

O estado de escuta corresponde à fase de configuração e construção da spanning tree.

No estado bloqueado o porto continua a receber BPDUs. Este portos só impedem a tramas de serem retransmitidas. Quando um porto activo falha, pode ser necessário activar os portos bloqueados.


Arquitectura da Ethernet P2P e P2MP

Dentro da camada física a camada PCS, corresponde à sub-camada responsável por gerar a codificação apropriada para a transmissão no meio físico. No caso da Gbit Ethernet usa-se o código 8B10B, o que implica uma transmissão no meio a 1.25 Gbaud/s. A 10 Gigabit Ethernet usa o código 64B66B, conduzindo a 10.3125 Gbaud/s

A sub-camada PMA é responsável pela transmissão, recepção, detecção de colisão, recuperação de relógio.

A sub-camada PMD é responsável por definir as características ópticas do transceptor e MDI corresponde a um conector (ficha).


Implementações IEEE 802.3

• Formato usado na designação: [Valor1] Base [Valor 2]Valor1 = Débito binário de transmissão: Ex: 100 100 Mb/sBase = Baseband Mode: Transmissão em banda baseValor 2: Tipo de cabo usado (T: Twisted Pair, F, X: Fibra Óptica)

• Exemplos:10 Mbit/s Ethernet

100 Mbit/s Ethernet (PCS: 4B5B)

Gigabit Ethernet (PCS: 8B10B)

10BaseT: Usa pares entrançados UTP de categoria 3 ou 5; max distância = 100 m 10Base F: Usa fibra óptica multimodal

100BaseT: Usa pares entrançados UTP de cat. 5; max distância = 100 m 100Base FX: Usa fibra óptica multimodal (62.5 μm) e LEDS; max distância = 2000 m

1000BaseT: Usa pares entrançados UTP de cat. 5; max distância = 100 m 1000Base SX: Usa fibra óptica multimodal (62.5 μm) e LEDS; max distância = 275 m 1000Base Fx; Usa fibra óptica monomodal; max distância = 5000 m


Tipos de Pares Entrançados

• Unshielded Twisted Pair (UTP)- Usado em aplicações telefónicas, ethernet, vídeo, etc.- Mais barato e é fácil de instalar- Está sujeito a interferências electromagnéticas externas- Há vários tipos de cabos com diferentes diâmetros

• Shielded Twisted Pair (STP)- Existe uma camada metálica que reduz as interferências- Mais caro e mais difícil de manejar

Categoria 5: Largura de banda disponível de 100 MHz. Usado na 10 Mb/s e 100 Mb/s Ethernet.

Categoria 6: Largura de banda disponível de 250 MHz. Permite débitos de 1Gbit/s a distâncias maiores do que o 5e

Categoria 7: Largura de banda disponível de 600 MHz. Permite débitos até 10Gbit/s, usando um cabo com quatro pares STP

Exemplos:

Categoria 5e: Largura de banda disponível de 100 MHz. Usado a 100 Mb/s e 1 Gbit/s.


Gigabit Ethernet

• A arquitectura da gigabit Ethernet é a seguinte:

• Normas gigabit Ethernet com fibras ópticas

MAC 1Gb/s PCS

GMIIPMDPMA PMDRS MDI

RS:Reconsiliation SublayerGMII: Gigabit Media Independent InterfacePCS: Physical Coding SublayerPMA: Physical Medium AttachmentPMD: Physical Medium DependentMDI: Medium Dependent Interface

Códificador/Descodificador 8B10B

Serializa/Des-serializaRecupera o relogio Transmissor Laser/

Receptor óptico

Conector de fibra

Fibra

Não suportadoN/A10 μm SMF

2 a 55050050 μm MMF

2 a 50040050 μm MMF

2 a 27520062.5 μm MMF

2 a 22016062.5 μm MMF

Alcance (metros)

Largura de banda

(MHZ.km)

Tipo de Fibra

1000 BASE- SX (850 nm)

2 a 5000N/A10 μm SMF

2 a 55050050 μm MMF

2 a 55040050 μm MMF

2 a 55050062.5 μm MMF

--------------62.5 μm MMF

Alcance (metros)

Largura de banda

(MHZ.km)

Tipo de Fibra

1000 BASE- LX (1300 nm)

1000Base-ZX (1550 nm) SM ---até 100 km 1000Base-T ( pares de cobre) ---- máx 100 m

Outras normas

A norma 1000 Base T usa como meio de transmissão o UTP de cat. 5e


10 Gigabit Ethernet

• As versões actuais da Ethernet operam a 10 Mbit/s, 100 Mbit/s e 1 Gbit/s. 10 Gbit Ethernet (10GbE) é uma versão ultrarápida (10 Gbit/s), cuja primeira norma foi publicada em 2002.

• As aplicações da 10GbE são: curta distância (<100m ): interligação de equipamento de alta velocidade, e servers com volumes de disco elevados; distância intermédia (<3 km): interligação de edíficios e campus; longa distância (<10 km): redes metropolitanas, redes empresariais; ultra longa distância (até 80 km): redes dorsais (backbones).

• Arquitectura da 10 GbE

MAC 10Gb/s

PCS +

PMA

Relógio

32 linhas de dados+ 4 controlo

Relógio

10GMII

PMD

4 canais @ 2.5 Gbit/s (3.125 Gbaud com 8B10B)

ou

Canais ópticos em paralelo ou em série

MDITotal de 72 bits


Camadas e Interfaces do Nível Físico

• 10GMII (10-Gigabit Media Independent Interface) : interface normalizada entre a camada MAC e a camada física. Permite que a camada MAC trabalhe com diferentes implementações da camada física.

• PCS (Physical Coding Sublayer): responsável pela codificação/descodificação da informação proveniente da camada MAC. Há vários tipos de códigos que podem ser implementados: 64B66B, baralhamento (scrambling), PAM-5, etc. O PAM-5 é um código multi-nível usado na norma 1000-Base T.

• PMA (Physical Medium Attachment): responsável pela conversão série/paralelo e vice-versa. A sincronização dos relógios também é efectuada ao nível desta camada.

• PMD (Physical Medium Dependent): responsável pela transmissão do sinal. Têm-se diferentes dispositivos PMD de acordo com o meio de transmissão.

• MDI (Medium Dependent Interface): refere-se ao conector usado.


Implementação a Nível Físico

• Há duas alternativas para implementar o 10GbE a nível físico: solução série e solução paralelo. A solução série divide-se em LAN PHY e WAN-PHY.

• A solução série baseia-se no uso de um canal físico operando a 10 Gbit/s.

• Na solução paralelo há vários canais múltiplos, que podem ser implementados usando diferentes fibras, ou diferentes comprimentos de onda (WDM).

Sinal Óptico 10 Gbit/s (sem codificação)

MUX

Comando de laser

Laser

Comando de laser

4 Lasers Comando de laser

MUX

Fibras em paralelo WDM

4 Fibras Ópticas 4 Lasers

Débito binário por fibra 2.5 Gbit/s (sem codificação)

MUX WDM1 fibra óptica

Débito binário por fibra 4×2.5 Gbit/s (sem codificação)

Na solução LAN PHY usa-se um débito binário de 10 Gb/s. Na solução WAN-PHY o sinal depois de codificado (64/66B) deverá ser compatível com o STM-64 (9.953 Gb/s). Para construir a trama SDH usa-se uma sub-camada entre a PCS e a PMA designada por WIN (WAN interface sub-layer.


Propriedades das Tecnologias Usadas

• Na implementação série a operação emissão/recepção é relativamente simples e só requer um laser/receptor óptico. A principal desvantagem é que requer electrónica de alta velocidade e lasers com larguras de banda elevadas. Para reduzir a banda de transmissão requerida pode-se usar uma codificação PAM.

• Na solução paralelo a principal desvantagem é a necessidade de um módulo colector/distribuidor dos diferentes canais e a necessidade de requerer várias fontes/receptores ópticos. A electrónica e as fontes operam, contudo, a débitos mais baixos, o que implica custos mais baixos.

• As diferentes interfaces para a 10 GbE são as seguintes:

Tensão eléctrica

DFB laser

VCSEL, FP ou DFB laser

VCSEL, ou FP laser

Fonte

Par de cobre

Fibra Monomodal

Fibra Monomodal ou multimodal

Fibra Multimodal

Meio

<20 m10GBase-Cx

>40 km10GBase-Ex

5-15 km10GBase-LX

100-300 m10GBase-SX

DistânciaInterface


LAN virtual (VLAN)

• Uma LAN virtual (VLAN) consiste no agrupamento lógico de vários nós (dispositivos de rede), sobre uma determinada topologia física, de modo a criar a nível lógico uma nova rede com todas as funcionalidades de uma LAN.

• Vantagens:(1) Limita o tráfego de difusão a pequenos grupos melhorando o desempenho. Cada grupo passa a ter a sua própria spanning tree;

(2) Aumenta a segurança e privacidade da rede, separando o tráfego pertencente a diferentes organizações/departamentos;

(3) Facilita a gestão da rede na medida que permite ao administrador da rede organizar os utilizadores em grupos de modo a reflectir a estrutura da organização (departamentos, edifícios, etc.), de modo independente da topologia física.


VLANs Agrupadas Logicamente

1a

1b

1c

1d

2a

2b

3a

3b

4

5

VLAN1: Grupo de utilizadores que usam uma base de dados localizada em 1a

VLAN2: Grupo de utilizadores que requerem acesso a uma mainframe 2a

VLAN3: Departamento com utilizadores em diferentes edifícios

VLAN4,5: Departamentos com utilizadores no mesmo edifício


Etiqueta VLAN IEEE802.1Q

• Os switches capacitados para processar tramas VLAN devem ter possibilidade de segregar as tramas de acordo com a VLAN a que pertencem.

• Para tal é necessário adicionar uma etiqueta (tag) de 4 octetos , designada por etiqueta - Q (Q tag), a seguir ao campo de endereço fonte da trama 802.3.

Etiqueta VLAN

IEEE802.Q


Comprimento / Tipo

Endereço de fonte


SFD

Preâmbulo

7 1 6 6 4 2 46-1500 4 octetos

Indentificadorde VLAN 12 bits

CFI1

bit

Prio.3 bits

Identificador do protocolo VLAN

(0x8100)

2 2 octetos

Só permite suportar 4096

diferentes VLANs

O campo de prioridade (Prio ) pode ser usado para

implementar classes de serviço.

1000 0001 0000 0000 > 1500 : tipo da tramaO campo CFI (Canonical

Format Indicator) não é usado.


IEEE 802.1ad Provider Bridges

• O protocolo 802.1 Q suporta só 4096 diferentes VLANs. Esse número é demasiado limitado para poder ser usado pelos operadores públicos para oferecer serviços VLAN.

De modo a responder a essa limitação e continuar a garantir a aplicação das VLANs 802.1 Q em ambientes corporativos, foi adicionada uma outra etiqueta, dedicada aos service providers.

Norma: IEEE 802.1ad ProviderBriges


Distribuição da Dimensão das Tramas Ethernet


Redes ATM


Conceito de ATM

• O ATM (Asynchronous Tranfer Mode) é uma técnica de transferência de informação assíncrona que surge em contraste com Synchronous Transfer Mode que serve de base ao SDH.

• O ATM foi normalizado em 1988 como um meio de transferência de informação apropriado para o B-ISDN.

• O ATM foi concebido para transportar diferentes tipos de tráfego(voz, vídeo, dados), com débitos que podem ir desde um E1 até STM-16.

• Os diferentes tipos de tráfego tem diferentes tipo de exigências em termos de qualidade de serviço (perdas de pacotes, atraso extremo-a-extremo).

• Contrariamente ao IP o ATM tem possibilidade de proporcionar a diferentes ligações diferentes qualidades de serviço.


Aplicações

• Antes do advento do MPLS (multi-protocol label switching) o ATM era a única tecnologia de rede que permitia garantir qualidade de serviço por ligação.

• Nas redes UMTS o ATM é usado na UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) para interligar os nós B (Base Station) aos RNC (Radio NetworkController)

Redes de núcleo dos ISP (Internet ServiceProviders)

Rede de acesso no ADSL

Redes APON (ATM passive optical networks) e GPON

Rede UTRAN no UMTS

Aplicações

Nó B

Nó BRNC

Interface Iub

UTRAN

MSC

Video p2p e p2m

UTRAN na rede UMTS


TDM versus Multiplexagem Estatística

• No TDM a informação transmitida por cada fonte tem de ocupar a posição que lhe está atribuída na trama. No caso da multiplexagem estatística cada fonte envia para o multiplexador toda a informação que tem para enviar sem esperar pelo seu slot. No caso do ATM esta informação é estruturada em células.

V1 V2 V3

D1

D2

D3 D4

D5V1 D1 V2 D2 D3

MUX

0 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7 8 9

V3 D4 D5

Bit/s

s

A área representa o tráfego em bits

TDM

V1 V2 V3

D1

D2

D3 D4

D5V1 D1 V2 D2 D3

MUX

0 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7 8 9

V3 D4 D5

Multiplexagem estatística

(ATM)

Os hiatos 4 e 8 vão em branco porque não há informação de voz para transmitir, embora haja dados para transmitir.

Voz

Dados

Mais eficiente: Os hiatos não activos são usados para transmitir dados.


Princípios do ATM

• O ATM (Asynchronous Transfer Mode) usa o modo de transferência assíncrono: as fontes de informação são mutuamente assíncronas e a informação é segmentada em células, as quais são enviadas pelas fontes em instantes independentes.

• O TDM usa o modo de transferência síncrono: as fontes de informação são sincronizadas, e enviam as suas unidades de informação em intervalos de tempo que lhes são previamente atribuídos.

• No ATM a informação é estruturada em células com 53 octetos, sendo 48 octetos destinados ao campo de informação e 5 destinados ao cabeçalho.

• O ATM estabelece conexões entre dois pontos extremos (tecnologia orientada para a conexão). As conexões ATM designam-se por canais virtuais (VC, virtual channel) às quais é atribuído um idendificador VCI (virtual channel identifier). Os VC podem ser agregados formando um caminho virtual (VP, virtual path) também designado por conduta virtual. Cada VP é caracterizado por um identificador VPI (virtual path identifier).

Conexão física

VPI a

VPI b

VCI xVCI y

VCI xVCI y


Elementos de Rede e Interfaces (1)

• Equipamento de utilizador (CEQ, Customer Equipment): Equipamento capazde comunicar com outro através de uma rede ATM usando canais virtuais(circuitos virtuais). Esse equipamento deve permitir aos seus utilizadorestransmitir mensagens de voz, vídeo e dados.

• Multiplexador ATM: Permite que diferentes canais virtuais provenientes de diferentes utilizadores sejam agregados de modo a partilharem o mesmo meio de transmissão. A agregação é feita fazendo com que diferentes canais virtuais pertencentes a diferentes caminhos virtuais (VP, virtual path) partilhem um único caminho virtual.

MUX ATM

CEQ

Os canais virtuais (VC, Virtual Channel) são estabelecidos e terminados numa base de chamada a chamada, como acontece na rede telefónica.

UNI

UNI User-NetworkInterface

UNI NNI

NNI Network-NodeInterface

VPI=1, VCI=1

VPI=2, VCI=1

VPI=3, VCI=1

VPI=4, VCI=1,2 & 3

Multiplexador

VPI a, VCI x

UNI é uma especificação técnica que permite que equipamento de utilizador comunique com o equipamento de rede

NNI: interface usada entre os nós da rede ou entre sub-redes


Elementos de Rede (2)

• Comutador de cruzamento ou cruzador ATM (ATM crossconnect): Permite reencaminhar os caminhos virtuais sem afectar os canais virtuais por eles transportados.

• Comutador ATM (ATM switch): Permite não só reencaminhar os caminhos virtuais, mas também comutar os canais virtuais entre os diferentes caminhos virtuais.

VPI=6

VPI=2

VPI=3

VPI=5

VPI=4VCI=1

VCI=2VCI=3

VCI=4

VCI=6

VCI=5

VCI=3

VCI=4VCI=5

VCI=6VCI=1

VCI=2

Comutador de cruzamento

VCI=1

VCI=2

VCI=3

VCI=4

VPI=1

VPI=1

VPI=2

VPI=3

O comutador deve possuir a capacidade de processar e de transladar os VPI e VCI transportados nos cabeçalhos das células.


Permuta de Identificadores de Ligação

• O estabelecimento de um circuito virtual entre dois utilizadores normalmente consiste num caminho através de vários comutadores ATM.

• Como cada ligação pertencente ao caminho é caracterizada pelo seu identificador próprio (CI={VPI, VCI}) a função do comutador consiste em fazer a permuta de CIs (label swapping).

• Os circuitos virtuais podem ser permanentes ou comutados. Os primeiros são estabelecidos pelo sistema de gestão e os segundos por sinalização.

Comutador ATM

Comutador ATM

Comutador ATM

A

B

VPI=10 VCI=55

VPI=20 VCI=37

1

2

3

4

VPI=10 VCI=74

VPI=30 VCI=37

10 55 1 10 74 4 20 37 2 30 37 3 Tabela de

encaminhamento 1

5D

VPI=50 VCI=43

10 74 1 50 43 5

C2 6

30 37 2 70 66 6

VPI=70 VCI=66

VPI, VCI Porto de entrada

Porto de saída

O caminho entre A e C é constituído pelos seguintes CIs: 10/55, 30/37 e 70/66. A ligação efectua-se através do porto de entrada 1 do comutador 1 e sai do porto 3 do mesmo comutador, entra em seguida no porto 2 do comutador 2 e sai no porto 3 do mesmo comutador.

Note-se que os valores VPI/PCI só têm significado local, só são válidos para uma ligação.


Modelo de Camadas ATM (1)

• A rede ATM é descrita em termos da camada de adaptação ATM, da camada ATM e da camada física. A camada física divide-se em sub-camada de suporte físico e sub-camada de convergência de transmissão. A camada de adaptação sub-divide-se em sub-camada de segmentação e agregação e sub-camada de convergência.

Camada de adaptação

Controlo do fluxo de informação, geração e extracção do cabeçalho, translação do VPI/VCI da célula, multiplexagem/desmultiplexagem da célula

Adapta as características dos serviços suportados às características do ATM

Sub-camada de convergência

Sub-camada de segmentação

Segmentação e agregação da informação ou SAR (Segmention and Reassembly)

Camada ATM

Camada física

Sub-camada de convergência

Sub-camada de suporte físico

Verificação/geração do HEC, delimitação da célula, adaptação à trama de transmissão geração e recuperação da trama

Temporização de bit, codificação e descodificação (4B/5B e 8B/10B) e meio físico


Modelo de Camadas ATM(2)

• Cada camada (com excepção da física) tem um conjunto de octetos que são usados como cabeçalho da camada (cabeçalho de PDU). Estes octetos são adicionados sempre que a camada é introduzida e removidos sempre que esta é terminada.

• Inserção de cabeçalhos de PDU (Protocol Data Unit)Serviços

Camadas:

Adaptação ATM

ATMFísica

Equipamentoterminal

Comutador ATM Equipamentoterminal

Camada física Camada física

Camada ATM Camada ATM

Camada de Adaptação ATM

Adaptação ATM-PDU

ATM-PDU

ComutadorATMCEQ CEQ


Estrutura do Cabeçalho da Célula ATM

• A estrutura do cabeçalho é diferente conforme o fluxo de dados ATM é transmitido entre um utilizador ATM e a rede através de uma interface UNI, ou entre dois elementos de rede ATM através de uma interface NNI.

• O controlo de fluxo genérico ou GFC (Generic Flow Control) permite controlar o fluxo de dados enviados pelo equipamento do utilizador para a rede.

• O conjunto VPI (Virtual Path Identifier) e VCI (Virtual Channel Identifier) constituem a informação de endereçamento da célula.

• O tipo de capacidade útil (PT, Payload Type) especifica se o campo de informação transporta informação dos clientes ou de gestão.

• O campo de prioridade de perda de células (CLP, Cell Loss Priority), permite definir dois níveis de prioridade: CLP=0 ⇒prioridade alta; CLP=1 ⇒ prioridade baixa.

• O campo HEC (Header Error Control) permite detectar vários erros de bit e corrigir 1 erro nos primeiros 4 octetos do cabeçalho e permite realizar o enquadramento da célula.

GFC VPI

VPI VCI

VCI

VCI CLPPT

HEC

1 2 3 4 5 6 7 8 bit

1

2

3

4

5

Oct

eto

VPI

VPI VCI

VCI

VCI CLPPT

HEC

1 2 3 4 5 6 7 8 bit

1

2

3

4

5

Oct

etoUNI NNI


Função da Camada ATM

• Multiplexagem/desmultiplexagem de células: células pertencentes a diferentes caminhos virtuais ou diferentes canais virtuais são multiplexadadas/ desmultiplexadas no/do mesmo fluxo de células.

• Translação do VPI/VCI das células: a função de encaminhamento consiste em mapear o VPI/VCI de uma célula recebida numa via de entrada (por exemplo de um comutador) ATM num novo VPI/VCI e numa via de saída usando uma tabela de encaminhamento presente no comutador.

• Geração/extracção do cabeçalho: O cabeçalho é inserido (extraído) quando a célula é recebida (enviada) da (para) camada de adaptação.

• Controlo do fluxo genérico: Esta função é usada para controlar o tráfego na UNI. Permite resolver conflitos entre utilizadores que acedem à mesma UNI, garantindo que cada utilizador só usa a largura de banda que lhe está disponível. Para garantir essa exigência pode ser necessário descartar células não prioritárias.


´ Sub-camada de Convergência de Transmissão

• As principais funções são as seguintes:Geração/recuperação da trama de transmissão &

adaptação da trama de transmissãoEstas funções correspondem em alocar o fluxo de células ATM numa estrutura apropriada para transmissão (baseada no SDH ou na célula).

Desacoplamento do débito das célulasConsiste em inserir (remover) na transmissão (recepção) células inactivas quando não há células provenientes da camada ATM disponíveis, de modo a que o débito do fluxo de células na camada física se mantenha constante.

Geração e verificação do campo HEC

Consiste em proteger a informação transmitida no cabeçalho das células usando o campo HEC. Este campo permite corrigir um bit errado e detectar até quatro bits errados. É baseado no controlo de redundância cíclica com o polinómio gerador x8+x2+x+1. O resto da operação é transmitido no campo HEC.

Delimitação de célulasA delimitação das células consiste em identificar as fronteiras das células no fluxo de bits constituído pela sequência das células transmitidas. A delimitação é feita com base no campo HEC. A ideia é encontrar 40 bits cuja divisão pelo polinómio gerador x8+x2+x+1 dê como resto 0.

Modo de sincronismo

Modo de pre-sincronismo

Modo de procura

HEC correcto

δ HEC correctos consecutivos

HEC incorrectoα HEC incorrectos consecutivos

Diagrama de alinhamento de células do receptor: No modo de procura é realizada uma procura bit a bit até identificar o cabeçalho. Depois de identificado passa ao modo de pre-sincronismo. Neste modo faz-se uma procura célula a célula. Depois de identificar δ cabeçalhos passa ao modo de sincronismo.

ITU-T

δ=6, α=7


Camada de Adaptação ATM

• É usada para adaptar as características da informação fornecida pelos utilizadores às características da rede ATM. A camada de adaptação pode proporcinar diferentes classes de serviços.

• Os principais parâmetros usados para diferenciar as classes são a necessidade de uma relação de temporização entre a fonte e o destinatário, o tipo de débito da fonte(constante ou variável) e o tipo de conexão de suporte ao serviço (orientado para a conexão ou orientado sem conexão).

• O transporte de um sinal de voz a 64 kb/s é um serviço de classe A, o transporte de vídeo codificado com débito variável é um serviço de classe B, a transmissão de dados em modo orientado para a conexão (X.25, frame-relay) é um serviço de classe C e a transmissão de dados em modo orientado sem conexão ( IP) é um serviço de classe D.

Orientado s/ conexão

Orientado para a conexãoModo de Conexão

VariávelConstanteDébito Binário

Não requeridoRequeridoRelação de temporização

Classe A Classe B Classe C Classe D


Protocolos AAL

• Tradicionalmente havia quatro tipos de protocolos AAL (ATM Adaptation Layer). Os protocolos AAL-1, AAL-2, AAL-3 e AAL-4, respectivamente para os serviços de classe A,B,C e D. Mais tarde os protocolos AAL-3 e AAL-4 foram fundidos no AAL-3/4 e foi normalizado o protocolo AAL-5.

• A informação associada a cada um destes protocolos consome alguns octetos do campo de informação da célula ATM (cabeçalho da PDU-SAR). A única excepção é o AAL5 que não introduz nenhuma cabeçalho de sub-camada SAR.

155.520 Mbit/s

149.760 Mbit/s

135.632 Mbit/s

132.806 Mbit/s

124.329 Mbit/s

Suporte físico

Convergência de transmissão

ATM AAL-5

ATM AAL-1

ATM AAL-3/4

Cabeçalho SDH Campo de informação do VC-4

Campo de informação da célula ATM (48 octetos)Cabeçalho da célula

Campo de informação do PDU-SAR (47 octetos)5 octetos Cabeçalho

de PDU

Cabeçalho de PDU

Campo de informação do PDU-SAR (44 octetos)

1 octeto

2 octeto 2 octeto

Cabeçalho de PDU

SAR: Segmentionand Reassembly


Formato AAL5

• O protocolo AAL5 é usado para suportar tráfego IP. Permite transferir unidades de dados de comprimento variável até um máximo de 65 535 octetos. Para aumentar a eficiência de transmissão insere-se um cabeçalho mínimo antes da operação de segmentação e agregação.

• A sub-camada de convergência introduz em cada unidade um cabeçalho com oito octetos. Entre estes encontram-se os campos que indicam o comprimento do bloco e um código CRC. Esta sub-camada introduz ainda em cada unidade um certo número de octetos sem informação (enchimento) (0-47) de modo que o número de octetos da PDU-SC resultante seja múltiplo de 48.

• A sub-camada SAR não introduz nenhum cabeçalho. Esta sub-camada só usa um dos bits do campo PTI (terceiro) do cabeçalho da célula. Este bit é feito igual a 1 se a célula transporta os 48 octetos correspondentes à ultima parte da PDU-CS e igual a zero nos outros casos.

Dados do utilizador PAD Cabeçalho

1 a 65535 1 a 47 8 Octetos

PDU-CS

PT 48 octetos

Cabeçalho da célula

PTI=xx0

PT 48 octetos

PTI=xx0

PT 48 octetos

PTI=xx1


Ligações Virtuais Comutadas

CEQ A

CEQ B

Rede ATM

CEQ D

CEQ ECEQ F

UNI:user network interfaceUNI OADM

CPADM2

CP

CPCP

UNI

Plano de Controlo

CP: call processor

sinalização

SWATM SW ATM

SW ATM

SW ATM

SW ATM

SW ATM

SW ATM

SW ATM

SW ATM: comutador ATM

Ligação virtual comutada

As ligações virtuais semi-permanentes são estabelecidas sobre o controlo do sistema de gestão

Rede ATM (Plano do utilizador)


Categorias de Serviço em Redes ATM

• CBR (constant bit rate). Débito constante especificado por PCR e garantia de QoS(CLR, CTD máximo e peak-to-peak cell delay variation). Aplicações em tempo real como emulação de circuitos e vídeo a pedido.

• RT-VBR (real-time variable bit rate): Débito variável com garantia de relação temporal. Os parâmetros especificadores do tráfego são PCR, SCR e MBS e os da QoS são CLR CTD máximo e peak-to-peak cell delay variation. Aplicações em tempo real como vídeo e voz comprimidos. Ex: Aplicações multimédia e teleconferência.

• NRT-VBR (non-real-time variable bit rate): Débito variável e sem relação temporal. Especifica para o tráfego PCR, SCR e MBS. Para a qualidade de serviço especifica CLR. Aplicações sem ser em tempo real como transferência de dados críticos, interligação de LANs, etc, que requerem uma connectividade orientada para a ligação.

• UBR (unspecified bit rate): melhor esforço da rede sem garantia de qualquer qualidade de serviço. Aplicações como IP e interligação de LANs.

• ABR(available bit rate): O débito é variável de acordo com os recursos da rede (nível de congestão). É especificado o PCR e o minimum cell rate. Também pode ser especificado um valor para CLR. Aplicações sem tempo real como IP, ou interligação de LANs.


Multi-Protocol Label Switching (MPLS)

• O MPLS trabalha adicionando aos pacotes IP um cabeçalho designado por label. O label é similar em termos de funcionalidade ao valor do VPI/VCI associado às células ATM e por isso garante uma operação connection-oriented.

• Cada label contém 4 campos: o primeiro campo (20 bit) é usado para transportar o valor do label; o segundo campo (3 bit) é usado para transportar informação sobre qualidade de serviço; o terceiro campo (1 bit) indica se o label corrente é o último de uma pilha de labels (S=1), ou não (S=0); o último campo (Time-to-Live) tem um significado similar ao TTL do IP.

• Uma rede MPLS inclui os Label Edge Routers (LER) e os Label SwitchingRouters (LSR). Os primeiros servem de interface entre a rede MPLS e a rede não MPLS, enquanto os segundo fazem o encaminhamento dos pacotesusando unicamente os labels.

Label (20 bit) QoS(3 bit) S (1 bit) TTL ( 8 bit)Label MPLSQuando um router recebe um pacote decrementa o TTL. Quando o valor de TTL atinge zero o pacote é descartado.

Redes de Transporte SDH

Capítulo 4


Estrutura Estratificada das Redes de Telecomunicações

Camada de rede de serviços

Camada de rede de transporte

Camada de serviços: Consiste em redes de diferentes serviços (circuitos, IP,etc.)

Camada de transporte: Fornece à camada superior uma plataforma apropriadapara transferência de informação, que se pretende independente dos serviços.

Tecnologias usadas: PDH, SDH, OTN

PDH: Plesiochronous Digital Hierarchy; SDH: Synchronous Digital Hierarchy; OTN: Optical Transport Network


Rede de Transporte

• A rede de transporte é uma plataforma tecnológica que assegura uma transferência transparente e fiável da informação à distância, permitindo suportar diferentes serviços.

• A rede de transporte garante diferentes funcionalidades, como sejam, transmissão, multiplexagem, encaminhamento,protecção, supervisão e aprovisionamento de capacidade.

• A rede de transporte é constituída por diferentes elementos de rede ligados entre si segundo uma certa topologia física (anel ou malha) e interagindo directamente com o plano de gestão.


Multiplexagem

• Multiplexagem designa a operação pela qual vários sinais analógicos ou digitais são combinados num único sinal tendo em vista a sua transmissão sobre um único canal.

• O dispositivo que realiza a operação de multiplexagem designa-se multiplexador (MUX), enquanto o dispositivo que realiza a operação inversa designa-se desmultiplexador (DEMUX).

• A multiplexagem pode ser realizada no domínio do tempo (TDM, Time-Division Multiplexing), no domínio da frequência (FDM, Frequency Division Multiplexing) ou no domínio do comprimento de onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing).

• A operação de multiplexagem inversa consiste em separar um fluxo de informação em vários fluxos, os quais são transmitidos por diferentes canais e agregados na recepção.


FDM e WDM

• Na multiplexagem por divisão na frequência (FDM) cada sinal (analógico ou digital) vai modular uma portadora com uma frequência própria.

L1

L2

LN

λ1

λ2

λN

R1

R2

R3

λ1, λ2, .....λΝ

λ1

λ2

λΝ

Fibra Óptica

Receptor Óptico

MUX

DEMUX

Laser

MUX

f1

fN

f

f

DEMUX

f1 fN ff1

fN

f

fAplicações: Redes de TV por cabo

• Na multiplexagem por divisão no comprimento de onda (WDM) os sinais ópticos obtidos a partir da modulação de lasers são multiplexados.

Na emissão N sinais eléctrícos vão modular N lasers, cada um emitindo num comprimento de onda próprio.

Na recepção os N sinais ópticos obtidos a seguir ao DEMUX são convertidos para o domínio eléctrico e regenerados com receptores ópticos.Aplicações: Redes OTN e WDM


Multiplexagem por Divisão no Tempo (I)

• A multiplexagem por divisão no tempo permite que uma via de transmissão seja usada simultaneamente por vários utilizadores (canais).

MUX

DEMUX

123

N

123

NVia de transmissão

multiplexador desmultiplexador

• A transmissão da informação na via é organizada em tramas.

• Cada trama contém um número fixo de time-slots.

• Cada time-slot é atribuído a um determinado canal de entrada.

• Se esse canal não transmitir informação o time-slot correspondente está vazio.

N canais de entrada N canais de

saída

Desvantagem do TDM

Bits do canal 2

Bits do canal 3

Bits do canal N

Bits de sincro

Trama

Bits do canal 1


Multiplexagem por divisão no tempo (II)

• A multiplexagem TDM pode-se realizar usando interposição de bit ou interposição de palavra. No primeiro caso, a cada canal atribui-se um time-slotconstituído por um único bit, enquanto no segundo caso a cada canal corresponde um time-slot constituído por vários bits (palavra).

• Interposição de palavra: Exemplo da multiplexagem de 4 canais:

C2

C3

C4

Trama

C1

C4 C3 C2 C1

t44 t3 t2 t1

Palavra de 8 bit do canal C1 MultiplexagemDesmultiplexagem

Sincronismo

Time-slot

C1

C2

C3

C4


Relógios e Sincronismo

• A geração de sinais de sincronismo é feita por relógios. Um relógio ideal gera sinais isócronos, ou seja sinais em que a frequência é constante (pelo menos em valor médio).

• A precisão de um relógio expressa em ppm (parte por milhão) traduz o afastamento da frequência real (fr) da nominal (f0) .

• Estão definidas quatro hierarquias de precisão (níveis stratum).Stratum 1 Stratum 2 Stratum 3 Stratum 4Nível

Precisão (ppm)

1×10-5 1.6×10-2 4.6 32

Relógio isócrono

Relógio real

Desfasagem positiva Desfasagem negativa

t

t

T0

0

0Precisãof

ff r−=

Os relógios de stratum 1 são relógios atómicos

(césio ou rubídio)

To

Sinais de relógio

t

t

Frequência nominal f0=1/T0


Redes Síncronas e Plesiócronas

• Dois relógios são síncronos se operam com a mesma frequência e com uma diferença de fase constante. Os relógios não síncronos designam-me por assíncronos.

• Os relógios assíncronos dividem-se em: mesócronos, plesiócronos e heterocronous.

• Redes síncronas e plesiócronas

Relógios mesócronos: têm a mesma frequência, mas a relação de fase é aleatória.

Relógios plesiócronos: têm a mesma frequência nominal, mas a real pode ser ligeiramente diferente.

Relógios heterocronous: têm a frequência e fases diferentes.

NE 3 NE 4

NE 1 NE 2

NE 3 NE 4

NE 1 NE 2

Relógio de stratum 1

Rede plesiócrona

Relógios com a mesma frequência nominal, mas independentes

Rede síncrona

Relógios com a mesma frequência nominal, controlados por um relógio central


• A frequência de amostragem mínima (fa) de um sinal deve ser igual ou superior ao dobro da frequência máxima do sinal (fa≥2B).

• Um canal telefónico usa uma banda entre os 300 e os 3400 Hz. Para uma frequência máxima de 4000 Hz, tem-se uma frequência de amostragem de 8 kHz, ou seja, um período de amostragem de 125 μs.Codificando cada amostra com 8 bits tem-se um débito de 64 kbit/s.

• A trama de um sinal E1 é consituída por 32 time-slots, a que correspondem 32 canais (30 de informação).

• Cada conjunto de 8 bits (time-slot) não poderá durar mais de 125μs/32=3.9 μs, o que corresponde a 488.2 ns por bit, ou seja, um débito binário de 2.048 Mbit/s.

Estrutura de uma Trama TDM (E1)

1 2 3 4 3231

125 μs

Time-slot

Trama E1.......8 bits


Sistema de Multiplexagem Primário E1 (ITU-G704)

• A trama correspondente ao sinal E1 tem uma duração de 125 μs e está dividida em 32 intervalos de tempo. Os intervalos de tempo numerados de 1 a 15 e 17 a 32 são atribuídos a canais de informação, cada um com um débito de 64 kbit/s. Os intervalos de tempo 0 e 16 são usados, respectivamente, para fins de sincronização de trama e sinalização.

• No intervalo de tempo 0 das tramas ímpares é transmitido o padrão de enquadramento de trama (PET), enquanto nas tramas pares é transmitido um padrão de não enquadramento (NPET).

PET 1 2 3029S1 S2

0 1 2 16 30 31

NPET 1 2 3029S3 S4

PET 1 2 3029S5 S6

PET 1 2 3029S29 S30

NPET 1 2 3029PEM

Multitrama de sinalização(16x125μs=2 ms)

1

2

3

15

16

PEM: padrão de enquadramento de multitrama de sinalização

0000xxxx

Si: sinalização correspondente ao canal i. A sinalização de cada canal é actualizada de 2 em 2 ms.


Aspectos de Sinalização

• Para estabelecer, terminar e controlar chamadas telefónicas é necessária sinalização entre os assinantes e a central local e entre as diferentes centrais.

• A informação de sinalização de assinante (na rede local), corresponde a sinais que variam lentamente, sendo suficiente um débito de 2 kb/s por assinante, e uma actualização da informação de 2 em 2 ms.

• Exemplo de um sinal de endereçamento (número 32):

• No sistema em que se faz uma actualização da sinalização de cada assinante de 2 em 2 ms designa-se por sistema de sinalização de canal associado. Em alternativa tem-se o sistema de sinalização em canal comum, que proporciona um canal de sinalização a 64 kb/s, que é usado pelos diferentes canais.

Pulso Interdígito Dígito 3 600 ms 60 ms 40 ms

Intervalo de amostragem de 2 ms


Padrão de Enquadramento (E1)

• O padrão de enquadramento permite sincronizar a trama do lado do receptor. É constituído por uma padrão fixo com 7 bits. O primeiro bit do padrão têm funções especiais.

• O padrão de não enquadramento é usado para transportar informação sobre o estado da ligação e proporciona sinais de controlo para os multiplexadores.

0 0 1 1 0 1 1Ui(C)

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8

PETNo PCM30 o bit 1 (Ui) é usado para aplicações internacionais. No PCM30C o bit 1(C) é usado para o controlo CRC-4 (Código de Redundância Cíclica).

1 A Sa4Ui(M)NPET Sa5 Sa6 Sa7 Sa8No PCM30 o bit 1 (Ui) é usado para aplicações internacionais. No PCM30C o bit 1(M) é usado como padrão de multitrama para a transmissão do CRC-4.

O bit A é usado como um alarme distante . Quando os bits Sa não são usados são feitos igual a 1. Sa4 pode ser usado para transmissão de dados de serviço, e os outros bits para diferentes aplicações.

0:Normal 1:Alarme

MUX A

MUX B

PET

NPET

O NPET pode ser usado para transmitir um alarme distante RAI (Remote Alarm Indicator) . Quando A recebe esse alarme deixa de transmitir os sinais de voz e passa a transmitir uma sequência de 1s. O multiplexador em B activa o alarme AIS (Alarm Indication Signal).

Falha de correnteFalta do sinal E1

Erro no PETTaxa de erro do PET>1×10-3

Falha no Codec

Alarme AIS (AlarmIndication Signal)


Hierarquia Plesiócrona Europeia

• Na hierarquia PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) os relógios dos diferentes elementos de rede (regeneradores e multiplexadores) não estão perfeitamente sincronizados.

• A primeira hierarquia PDH (sistema multiplex primário) europeia corresponde à multiplexagem de 30 canais de 64 kbit/s, enquanto as hierarquias de ordem superior obtêm-se multiplexando 4 de ordem inferior.

• Os relógios da hierarquia europeia requerem as seguintes precisões:

Muxprimário

X30Mux

primárioX30 X4X4

X4X4X4X4

E12.048 Mbit/s(30 canais) E2

8.448 Mbit/s(120 canais)

E334.368 Mbit/s(480 canais)

E4139.264 Mbit/s(1920 canais)

30 canais (64 kb/s)

E1 E2 E3 E4Hierarquia

Precisão 50 ppm 30 ppm 20 ppm 15 ppm


Hierarquia Plesiócrona Americana

• A nível mundial para além da hierarquia europeia há também as hierarquias plesiócronas americana e japonesa as quais têm a particularidade de serem incompatíveis entre si.

• As primeiras hierarquias PDH americana e japonesa usam como sistema multiplex primário um sistema com 24 canais de 64 kb/s.

• Hierarquia plesiócrona americana:

• Os sinais DS-n são transportadas usando um carrier system (inclui a componente de transmissão e as interfaces) designado por T-n. Assim, o DS1 é transportado através do T1. O DS2 através do T2, etc

Muxprimário

X24Mux

primárioX24 X4X4

X7X7X6X6

DS1 1.544 Mbit/s (24 canais)

DS26.312 Mbit/s (96 canais) DS3

44.736 Mbit/s (672 canais)

DS4 272.176 Mbit/s (4032 canais)

24 canais (64 kb/s)

DS-n: Digital Signal ol Level n


Origem do Plesiocronismo

• Todos os elementos de rede digitais requerem uma fonte de temporização, ou relógio, de modo a sincronizar todas as operações realizadas por esse elemento.

• Os relógios reais não são isócronos, ou seja, a sua frequência de emissão está sujeita a ligeiras flutuações relativamente à frequência nominal.

• Devidos às características referidas, dois relógios independentes com a mesma frequência nominal são plesiócronos (quase síncronos), pois oscilam com frequências que embora diferentes estão muito próximas.

Relógio isócrono

Relógio realDesfasagempositiva

Desfasagemnegativa

t

t


Perturbações Introduzidas no Relógio

• A temporização necessária para sincronizar os relógios das centrais digitais pode ser derivada a partir da trama E1, a que corresponde um sinal de relógio de 2.048 MHz.

• A transmissão deste sinal através de uma rede está sujeita a perturbações. As mais relevantes são a flutuação de fase ou jitter e o vageio de frequência. O jitter corresponde a variações rápidas da frequência do relógio em torno da sua frequência média. As principais fontes de jitter são os regeneradores e os multiplexadores.

• A amplitude do jitter é expresso em termos do intervalo unitário ou UI (unit interval), sendo 1 UI igual ao período de bit (488 ns no E1). Por exemplo, um valor de 0.05 UI, indica que a flutuação temporal não deve ultrapassar 5% do período de bit.

• O vagueio de frequência corresponde a variações lentas (<10Hz) da frequência de relógio em torno do seu valor nominal, devido a variações do comprimento de transmissão.

Relógio isócrono

Desfasagempositiva

Desfasagemnegativa

t

t

Relógio irregular (com jitter)


Papel das Memórias Elásticas• A temporização usada para formar as tramas PDH de ordem superior (E2, E3 e E4) não é

derivada do relógio da rede a 2.048 MHz, mas é gerada localmente no multiplexador com a precisão do relógio interno.

• O débito de chegada dos dados à entrada do multiplexador para cada um dos canais (tributários), pode ser diferente do débito de leitura imposto pelo relógio do multiplexador. A diferença de velocidades deve-se ao plesiocronismo e também às perturbações de transmissão (jitter e vagueio).

• Para acomodar essas diferenças usam-se memórias elásticas com capacidade para armazenar uma trama do tributário de entrada. A memória é escrita ao ritmo do tributário e é lida ao ritmo imposto pelo relógio do multiplexador.

Relógio do multiplexador

Recuperaçãodo relógio

Escrita Leitura, f´k

Sinal de tributário, Dk

fk

Sinal de saída, D´kMemória Elástica


Origem dos Slips

• Estrutura de uma memória elástica

• Uma dupla escrita implica que umatrama (com L bits) é escrita sem a anterior ter sido lida

• Uma dupla leitura implica que a mesma trama é lida duas vezes

• Esta perda ou repetição designa-se por slip

• Operação da memória elástica (porbit)

• fk=f´k

• fk>f´k

• fk<f´k

12

L bits

P/S

fk

f´k

Endereçosde escrita

Endereçosde leitura

Sinal de entrada, Dk

Sinal de saída, D´k

Duplaescrita

Duplaescrita

Duplaleitura

Duplaleitura

escrita

leitura Tempo

Tempo

Tempo


Impacto dos Slips• A perda ou repetição de uma trama completa designa-se por slip controlado e

ocorre com um período dado por

• O efeito dos slips depende do serviço considerado.

• Para reduzir a frequência de ocorrência dos slips deve-se aumentar a precisão dos relógios. Por exemplo, para garantir um período de slips de 20 h deveria usar-se no sistema E1 relógios com uma precisão de 1.74×10-9 .

kkks D

LDD

LTΔ

=′−

=

L: comprimento da trama em bit Dk: débito binário de entrada D´k: débito binário de saída

Erros de transmissão de 0.01 até 2 s, a chamada pode ser perdidaDados na banda de voz

Perda ou repetição de dadosDados

É necessário retransmitir o código de criptografiaTexto encriptado

Perturbação nas tramas de video, salvas de ruído no áudioMultimedia

Perda de 4 a 8 linhas de varrimentoFax

Cliques, perda de dados de sinalização (SS7)Voz

Impacto dos SlipsServiço


Justificação

• Como as exigências imposta aos relógios para eliminar os slips são muito elevadas, recorre-se a uma outra técnica, designada por justificação, para evitar os slips.

• Na justificação positiva a frequência do relógio de leitura é feita igual ao ritmo máximo no canal de entrada, ou seja . Para evitar o esvaziamento da memória elástica é inserido na sequência de saída um bit sem informação (bit de justificação).

• Sistema de sincronização do multiplexador:

kkk fff Δ+=′

Detector fase

Sinal do tributário, DkSinal de saída, D´k

Relógio recuperado, fk Inibidor

Relógio interno

f´k

Controla a ocupação da memória

Comando de inibição

O relógio de leitura é inibido durante um período de relógio

Memória Elástica

Quando a ocupação desce abaixo de um limiar


fN'fN

f2'

f1'

Estrutura de um Multiplexador TDM Plesiócrono

• Um multiplexador TDM plesiócrono inclui um multiplexador síncrono, um sincronizador por cada tributário e um relógio. O multiplexador terminal realiza a multiplexagem por interposição de bit dos bits lidos das diferentes memórias.

Padrão deenquadram.

Memóriaelástica

Memóriaelástica

Memóriaelástica

Controlo dejustificação +sincronismo

D2

DN

D0

Relógio domultiplexador

D1

f1

f2 Mux

Sinal do tributário 1

Relógio recuperado do tributário 1

Sinal multiplexer com débito D0

Multiplexador síncrono

Sinal do tributário N

Relógio recuperado do tributário N

f0

O relógio do multiplexador gera o relógio do sinal multiplexer (f0), enquanto o bloco de controlo de justificação e sincronismo gera os relógios de leitura das diferentes memórias elásticas, usando a referência obtida a partir do relógio do multiplexador.


Estrutura da Trama E2 com Justificação Positiva

• A posição do bit de justificação na trama é assinalada pelos bits de indicação de justificação (bits C). Com base na informação transmitida pelos bits C os bits de justificação são removidos no desmultiplexador.

• Estrutura da trama E2 com justificação positiva (G742)

I212I13I12I11I10I9J4J3J2J1C43C33C23C13

I212I13I12I11I10I9I8I7I6I5C42C32C22C12

I212I13I12I11I10I9I8I7I6I5C41C31C21C11

I212I13YXF0F0F0F0F1F0F1F1F1F1

Padrão de enquadramento de trama Bits F, F1=1 e F0=0

Bits de indicação de justificação Bits C, Ckj : controlo de justificação do canal k

Bits de justificação Bits J, Jk : justificação do canal k

Bits de informação Bits I, I5, I6, I7,I8 bits de informação, respectivamente, do canal 1, 2, 3 e 4

Bits de de serviço Bit X: bit de alarme, bit Y:bit de reserva

Ck1= Ck2 = Ck3=1

Há justificação

Ck1= Ck2 = Ck3=0

Não há justificação


Estrutura da Trama E2 com Justificação Positiva/Negativa

• Na justificação positiva/negativa o relógio de leitura opera à velocidade nominal. Quando o débito de entrada aumenta são removidos bits da sequência e transmitidos em posições determinadas (justificação negativa). No caso oposto usa-se justificação positiva.

• Estrutura da trama E2 com justificação positiva /negativa (G745)

I264I13J+4J+

3J+2J+

1J-4J-

3J-2J-

1C43C33C23C13

I264I13I12I11I10I9Y4Y3Y2Y1C42C32C22C12

I264I13I12I11I10I9X4X3X2X1C41C31C21C11

I264I13I12I11I10I9F0F1F1F0F0F1F1F1

Padrão de enquadramento de trama Bits F, F1=1 e F0=0

Bits de indicação de justificação Bits C, Ckj : controlo de justificação do canal k

Bits de justificação Bits J, Jk : justificação do canal k (J- :negativa; J+ :positiva)

Bits de informação Bits I, I9, I10, I11,I12 bits de informação, respectivamente, do canal 1, 2, 3 e 4

Bits de de serviço Bits X: bits de alarme, bits Y:bits de reserva

Ck1= Ck2 = Ck3=1

Justificação positiva

Ck1= Ck2 = Ck3=0

Ckj= 1, Ckj=0

alternadamente

Justificação negativa

Não há justificação


Desvantagens da PDH (1)

• Não há normalização para débitos superiores a 140 Mbit/s.

• Incompatibilidade entre equipamento de diferentes fabricantes.

• Falta de flexibilidade. É difícil usar o equipamento PDH para funções de inserção/extracção de canais.

• Difícil a monitorização do desempenho dos canais ao longo da transmissão.

• Capacidade muito limitada para funções de gestão centralizada (não há canais nas tramas destinados a esta função).

• Não tem interfaces normalizadas a nível óptico (ex. definição dos códigos a usar, do nível de potência, da largura de linha das fontes).


Desvantagens da PDH (2)

• Cascata de multiplexadores/desmultiplexadores usados para extrair um E1 de um E4.

• As interfaces só estão normalizadas a nível eléctrico

Terminal delinha de 140 Mb/s

Terminal delinha de 140 Mb/s

2 Mb/s

2 Mb/s

DMUX MUX

MUXTerminal de linha óptica

Interface eléctrica normalizada (G.703)

Interface óptica proprietária do fabricante

Códigos de linha, níveis de potência óptica, tipo de fibra, não normalizados .

Fibra óptica

34 Mb/s

140

3434

8

8

2

8

2

34

8

140

348 Mb/s


Hierarquia Digital Síncrona


Hierarquia Digital Síncrona

• A hierarquia SONET (Synchronous Optical Network) foi proposta pela Bellcore (Telecordia) em 1985, com o objectivo de transportar os sinais DS-n no domínio óptico.

• A hierarquia SDH (Synchronous Digital Hierarchy) foi definida posteriomente pelo ITU-T como uma norma internacional, compatível com a SONET e com capacidade para transportar os sinais PDH E-n.

• A informação transmitida na SDH/SONET está organizada em tramas TDM.

• O sinal básico SDH designa-se por Synchronous Transport Module(STM). O sinal básico SONET no domínio eléctrico designa-se por Synchronous Tranport Signal (STS), enquanto no domínio óptico designa-se por Optical Carrier (OC).


Débitos SONET/SDH

• Hierarquias SONET e SDH

• As hierarquais SDH também foram definidas para o transporte de células ATM e pacotes IP empacotados em PPP (point-to-pointprotocol) ou HDLC (high-level data link control).

9953.280STM-64STS-192OC-192

39813.120STM-256STS-768OC-768

2488.320STM-16STS-48OC-48

622.080STM-4STS-12OC-12

155.520STM-1STS-3OC-3

51.840-----STS-1OC-1

Débito Binário(Mb/s)

SDHSONET(Eléctrico)

SONET(Óptico)


Vantagens da SDH (1)

• Há normas até 10 Gbit/s: Apropriada para as rede de transporte.STM-1 ⇒ 155.52 Mbit/s, STM-4 ⇒ 622.08 Mbit/s, STM-16 ⇒2488.32 Mbit/s, STM-64 ⇒9953.28 Mbit/s, STM-256 ⇒39.81312 Gbit/s (STM: SynchronousTransport Module).

• Compatibilidade entre o equipamento de diferentes fabricantes e entre as hierarquias europeias e americanas.

• Função de inserção/extracção simplificada. Como a tecnologia ésíncrona é fácil identificar os canais de ordem inferior.

• Gestão centralizada fácil. A trama SDH dispõe de um número elevado de octetos para comunicação entre os elementos de rede e um centro de gestão centralizada, usando o sistema TMN (TelecommunicationsManagement Network).


Vantagens da SDH (2)

• Elevada disponibilidade permitindo uma provisão rápida dos serviços requeridos pelos clientes. Tal deve-se ao facto da SDH fazer uso intensivo de software, em contrapartida com a PDH cuja funcionalidade reside no hardware.

• Elevada fiabilidade. As redes SDH usam mecanismos de protecção que permitem recuperações rápidas a falhas (da ordem dos 50 ms), quer das vias de comunicação, quer dos nós da rede.

• Normalização das interfaces ópticas (definindo os códigos a usar, os níveis de potência, as características dos lasers e das fibras, etc.).

• Possibilidade de monitorizar o desempenho dos diferentes canais.

• Plataforma apropriada para diferentes serviços.


Desvantagens da SDH

• Técnica complexa devido à necessidade de registar a relação de fase entre os sinais dos tributários e o cabeçalho.

• A justificação por octeto usada na SDH é mais problemática relativamente ao jitter originado no processo de desmultiplexagem, do que a justificação por bit.

• A estrutura de multiplexagem não está organizada de modo muito eficiente no que diz respeito ao transporte dos tributários CEPT. Por exemplo, só é possível transportar 3x34 Mbit/s numa trama STM-1, embora a capacidade do STM-1 permitisse 4x34 Mbit/s.

• A estrutura de multiplexagem não está organizada de modo uniforme no que diz respeito ao transporte dos tributários plesiócronos. Um determinado tributário pode ser transportado usando diferentes opções de multiplexagem.

• Não suporta de modo eficiente as tramas Ethernet. SDH nova geração


Exemplificação do Papel do Transporte

• A rede de transporte neste exemplo é representada pelo plano inferior e é constituída por multiplexadores ADM interligados por fibras ópticas.

• A camada de rede de serviços é representada por centrais de comutação telefónica (CC).

ADM

CC


Camada de rede de serviço

CC

CC

CC

ADM

ADM

ADMADM

A

BC

DE

a b

c

d

Tecnologias de rede para o transporte: SDH (Synchronous Digital

Hierarchy) , WDM, (Wavelength Division

Multiplexing), OTN (Optical Transport

Network)


Rede de Transporte em Aplicações Telefónicas

ADM

ADMADM

ADMADMDXC

ADM

ADM2.5 Gbit/s 155-622 Mbit/s

CT3

CT1 CT2 CL1

CL3

CL2

Elementos de rede SDH

DXC: Cruzador digital (digital crossconnect)ADM: Multiplexador de inserção/extracção(add/drop multiplexer)

Rede de Serviço

Rede de Transporte(SDH)

(circuitos)

Usada para interligar diferentes centrais

telefónicas

Elementos de rede telefónica

CL: Central telefónica localCT: Central telefónica de trânsito


Rede de Transporte em Aplicações de Dados

ADM

ADMADM

ADMADMDXC

ADM


ER

Rede de Serviços


(pacotes)

CR

CR

CR

ER

ER

Usada para interligar diferentes routers de uma rede IP ou diferentes comutadores de uma rede Ethernet

Numa rede IP (Internet Protocol) os routers são usados para encaminhar os pacotes Os edge routers são aqueles que estão mais próximos do utilizador, enquanto os core routers fazem parte da dorsal da rede.

Elementos de rede SDH

DXC: Cruzador digital (digital crossconnect)ADM: Multiplexador de inserção/extracção(add/drop multiplexer)

Elementos de rede de pacotes

ER: Edge routerCT: Core router


Estabelecimento de Caminhos

ADM

ADMADM

ADMADMDXC

ADM


CT3

CT1 CT2 CL1

CL3

CL2Rede de Serviços


(circuitos)

1: CL3 CT1

A informação de gestão é enviada através do DCC (Data

Communication Channel)

Interligações representadas:

2: CL2 CT3

Fases do estabelecimento:

1) O sistema de gestão configura os diferentes elementos de rede envolvidos no circuito;

2) Os elementos de rede de serviço iniciam a sua actividade.

Sistema de Gestão de Rede


Definição dos Elementos de Rede (1)

• Regenerador: Regenera o relógio e a forma dos sinais de entrada. Possui canais de comunicação a 64 kb/s para transmitir mensagens.

• Multiplexador terminal: Agrega sinais plesiócronos ou síncronos de modo a formar sinais STM-N de débito mais elevado.

• Multiplexador de inserção/extracção: Permite extrair/inserir, quer sinais PDH, quer sinais SDH de débito mais baixo do que o da linha.

RSTM-N STM-N

PDH

SDH (STM-M)STM-N (N>M)

ADM

MT

STM-N STM-N

PDH, SDH (STM-M) M<NTributários

Oeste Este


Definição dos Elementos de Rede (2)

• Comutador de cruzamento ou cruzador (DXC, digital cross-connect): Proporciona funções de comutação apropriadas para estabelecer ligações semi-permanentes a nível do VC-1, VC-3, VC-4, e permite o restauro das redes.

• Os comutadores de cruzamento são usados para interligar anéis SDH, ou como nós de redes em malha.

DXCADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

Fibra Óptica

A

B

C

1

2

3

4

1

2

3

4

E3 C,2

E3 B,3

STM-N STM-N

STM-N STM-N


Topologias Físicas (1)

• Topologia em cadeia

• Topologia em anel com duas ou quatro fibras

PDH

SDHSTM-N

MT ADM

PDH SDH

ADM

PDH SDH

MT

PDH

SDHRSTM-N

ADM

ADM

ADM

ADM

AD

M

AD

MAD

M

AD

M

Duas fibras ópticasQuatro fibras ópticas


Topologias Físicas (2)

• Anéis unidireccionais e bidireccionais

• Topologia emalhada (usada no núcleo central da rede)

DXCDXC

DXCDXC

DXCDXC

DXCDXC

DXCDXC

DXCDXC

ADM

ADM

AD

M

AD

M

Anel unidireccional

ADM

ADM

AD

M

AD

M

Anel bidireccional

A presença dos DXC permite implementar um sistema de restauro dinâmico para fazer face a falhas na rede.

Com esta técnica o sistema de gestão da rede reencaminha o tráfego por percursos alternativos àqueles onde ocorreram falhas.


Estabelecimento de um Caminho

• Exemplo de um caminho (E3) entre o utilizador A e o utilizador B

• A ligação entre A e B com capacidade E3 é estabelecida por um operador através do sistema de gestão de rede, que envia os sinais de controlo apropriados para configurar cada um dos elementos de rede ao longo da ligação.

ADM

ADM

AD

M

AD

MMTA

B

E3 STM-1

STM-4

E3

O utilizador A gera um sinal E3 que é multiplexado em conjunto com outros E3 num sinal STM-1 usando um multiplexador terminal. O sinal STM-1 é transmitido até um ADM onde é inserido num sinal STM-4. O sinal STM-4 é transmitido em fibra óptica até ao ADM que serve o utilizador B onde é extraído. Na comunicação B→A o processo é recíproco.

Sistema de Gestão de Rede

Sinais de controlo

Ligação semi-permanente e dedicada


Arquitectura de uma Rede de Transporte

ADM

ADMADM

ADMADMDXC

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

TM

Rede de Acesso(STM-1)

DXCDXC

DXC DXC

DXC

DXC

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

Rede Dorsal ( STM-64)

Rede Metropolitana(STM-4 ou STM-16)

Nó concentrador (Hub)


Modelo de Camadas da SDH (1)

Rede de

transporte

SDH

Camada de

caminho

Camada de

transmissão

Camada física

Camada de

secção

Sub-camada de secção de

multiplexagem

Sub-camadade secção de regeneração

Ordem superior

Ordem inferior


Modelo de Camadas da SDH (2)• Algumas das funcionalidades das camadas:

Caminho:Identificação da integridade da ligação, especificação do tipo de tráfego transportado no caminho e monitorização de erros.

Secção de multiplexagem:Sincronização, comutação de protecção, monitorização de erros, comunicação com o sistema de gestão.

Secção de regeneração:Enquadramento de trama, monitorização de erros, comunicação com o sistema de gestão.

Física:Forma dos pulsos ópticos, nível de potência, comprimento de onda, sensibilidade dos receptores, etc.


Modelo de Camadas da SDH (3)• Cada camada (com excepção da física) tem um conjunto de octetos que são

usados como cabeçalho da camada. Estes octetos são adicionados sempre que a camada é introduzida e removidos sempre que esta é terminada.

• Inserção de cabeçalhosServiços

Camadas:

Caminho

Secção de Multiplexagem

Secção RegeneraçãoFísica

Multiplexadorterminal

Regenerador MultiplexadorADM

Multiplexadorterminal

S. Regeneração S. Regeneração S. Regeneração

Secção de Multiplexagem S. de Multiplexagem

Caminho

Regenerador

MT MT

Multiplexador terminal

Cabeçalho de caminho

Cabeçalho de secção de multiplexagem

Cabeçalho de secção de regeneração

ADMR

Multiplexador de inserção/extracção


Modelo de Camadas SDH (4)

ADM

ADMADM

ADMADM

ADM

ADM

TM

2.5 Gbit/s 155-622 Mbit/s

CT3

CT1 CT2 CL1

CL3

CL2

DXC: crossconnect

TM: multiplexer terminalCT: central de trânsito

CL: central local

Rede de Serviços

Rede de Transporte

ADM: multiplexer de inserção/extracção

(circuitos)

CL3 CT1

Caminho

S. multiplexagem


Estrutura da Trama Básica

• Uma trama SDH básica (STM-1) contém três blocos:- Cabeçalho de secção (SOH, section overhead)- Ponteiro (PT): permite localizar a informação transportada no VC- Contentor virtual (VC): capacidade transportada + cabeçalho de caminho.

• A duração da trama é igual a 125 μs, o que corresponde a 8000 tramas/s.270

SOH5Cabeçalho da secção

de multiplexagem

125 μs

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Contentor

Virtual

261 Representação bidimensional de uma trama STM-1: matriz com 9 linhas e 270 colunas, a que correspondem 2430 octetos.

Os diferentes octetos são transmitidos linha a linha, começando pela 1ª linha e 1ª coluna.

SOH

9

3Cabeçalho da secção de regeneração

PT1Ponteiro


Formação da Trama STM-N

• Sinais SDH multiplex de ordem superior são obtidos através de umamultiplexagem por interposição de palavra (octeto) de vários STM-1

• O débito binário do sinal STM-N é N×155.52 Mbit/s

SOH

SOH

PT VCSOH

SOH

PT VCSOH

SOH

PT VC

STM-1 #1 STM-1 #2 STM-1 #N

N

9×N

PT

261×N

125 μs 125 μs 125 μs

125 μs

SOH

SOH

Contentor

virtual


Cabeçalho de Secção da Trama STM-1 (1)

• Estrutura do cabeçalho de secção

• Cabeçalho de secção de regeneraçãoA1, A2 : Padrão de enquadramento de trama (A1=11110110, A2=00101000).Jo: Traço de secção de regeneração. Verifica a integridade da ligação a nível de secção.B1: Monitorização de erros a nível da secção de regeneração.D1- D3: Canal de comunicação de dados. Transporta informação de gestão de rede.E1: Canal de comunicação de voz (64 kb/s) entre regeneradores.F1: Canal de utilizador. Diferentes aplicações. Ex: transmissão de dados, alarmes, etc.

Cabeçalho de secção de multiplexagem

Cabeçalho de secção de regeneração

Ponteiro

X: usados para uso nacional

Δ: informação dependente do meio de transmissão (fibra óptica, feixe hertziano, etc).

XXE2M1S1

D12D11D10

D9D8D7

D6D5D4

K2K1B2B2B2

H3H3H3h2h2H2h1h1H1

D3ΔD2ΔΔD1

XXF1ΔE1ΔΔB1

XXJ0A2A2A2A1A1A1

Ex: Comandos de aprovisionamento remoto de capacidade; reportagem de alarmes; reportagem de parâmetros de desempenho, etc.


Cabeçalho de Secção da Trama STM-1 (2)

• Cabeçalho de secção de multiplexagemB2: Monitorização de erros a nível da secção de multiplexagem.K1- K2: Comutação de protecção automática (Transporta o protocolo APS).D4- D12: Canal de comunicação de dados a 576 kbit/s. Transporta informação de gestão de rede entre os elementos que terminam a secção de multiplexagem e entre estes e o sistema de gestão de rede. S1: Indicador da qualidade do relógio. Transporta mensagens referentes ao tipo de relógio usado no processo de sincronização.M1: É usado para transportar uma indicação de erro remoto ou REI (remote errorindication) a nível de secção de multiplexagem. O alarme REI é enviado para o ponto onde a secção de multiplexagem é originada e indica o número de blocos detectados errados a partir da informação dada pelo B2.E2: Canal de comunicação de voz (64 kb/s) para comunicações vocais entre as extremidades da camada de multiplexagem.

• PonteiroH1, H2: Octetos de ponteiro. Indicam o início do contentor virtual na trama.H3: Octetos de acção do ponteiro. Usados para justificação negativa.h1, h2: Octetos com um valor invariável.


Subestruturas Modulares do STM-1

• Contentor (C)Unidade básica usada para transportar informação dos tributários (ex PDH). Inclui ainda octetos de justificação fixa (sem informação) para adaptar os débitos dos tributários aos débitos dos contentores e bits usados para justificação dos tributários PDH.

• Contentor Virtual (VC)O contentor virtual consiste num contentor mais o cabeçalho de caminho. O VC é uma entidade que não sobre modificações desde o ponto onde o caminho é originado até ao ponto onde é terminado. Os VCs transmitidos directamente no STM-1 designam-se contentores virtuais de ordem superior,e os restantes de ordem inferior.

• Unidade Administrativa (AU)Consiste num contentor virtual de ordem superior mais um ponteiro de unidade administrativa. O ponteiro regista a relação de fase existente entre o contentor virtual e a trama e específica o início do contentor virtual.


Subestruturas Modulares do STM-1 (2)

• Grupo de unidade administrativa (AUG)Resulta da combinação por interposição de octeto de várias unidades administrativas. Adicionando o cabeçalho de secção à AUG obtem-se a trama STM-1.

• Unidade tributária (TU)A unidade tributária consiste num contentor virtual de ordem inferior mais um ponteiro da unidade tributária. Como o VC de ordem inferior pode flutuar dentro do VC de ordem superior, o início do primeiro dentro do segundo é indicado pelo ponteiro da unidade tributária.

• Grupo de unidade tributária (TUA)Resulta da combinação de várias unidades tributárias por interposição de octeto. Em alguns casos é necessário proceder a justificação fixa, para adaptar débitos binários.


Transporte das Hierarquias E3 e E4 no STM-1

• Transporte do E3 e E4

E4

VC-4

Octetos sem informação

Ponteiro da AU-4

AU-4

Cabeçalho de secção

STM-1

Unidade administrativa

E3

VC-3

Octetos sem informação

Ponteiro da AU-3

AU-3

Cabeçalho de secção

STM-1

Unidade administrativa

AUG

Multiplexagem de 3 AU-3

C-4

Cabeçalho de caminho de ordem superior

C-3


AUG

Mapeamento do E3

Multiplexagem por interposição de octeto

Alinhamento


Estrutura de Multiplexagem

• Estrutura de multiplexagem do SDH

Em existe processamento de ponteiros

VC-12C-12

TU-2

VC-3

VC-2

C-4

C-11

C-3

C-2

AU-4VC-4TUG-3TUG-2TU-12

DS3: 44.736 Mb/s

TU-11VC-11

TU-3

E3: 34.368 Mb/s

DS2: 6.312 Mb/s

E1: 2.048 Mb/s

DS1: 1.544 Mb/s

E4: 139.264 Mb/s

VC-3 AU-3

AUG STM-N×1

STM-N=N×155.52 Mb/s

C - ContentorVC - Contentor VirtualTU - Unidade TributáriaTUG - Grupo de Unidade TributáriaAU - Unidade AdministrativaAUG - Grupo de Unidade Administrativa

MapeamentoMultiplexagem

×1

×3

×N

×1

×7

×3×4

×3

Alinhamento

×7

ATM

ATM

A informação entre os routers IP pode ser enviada usando o esquema “Packet overSonet/SDH” . Os pacotes IP são encapsulados no protocolo PPP (Point-to-Point Protocol) e o signal resultante é depois transmitido num STM-N.


Contentores Virtuais de Ordem Superior

• Os contentores virtuais VC-3 e VC-4 obtêm-se adicionando, respectivamente, aos contentores C-3 e C-4 um cabeçalho de caminho de ordem superior.

• O cabeçalho de caminho de ordem superior é constituído por 9 octetos iniciando-se com octeto J1, que é também o primeiro octeto do VC.

• O contentor VC-4 é constituído por 261×9=2349 octetos, o que dá um débito de 150.336 Mbit/s. Ao VC-3 corresponde um débito de 49.96 Mb/s.

J1B3C2G1F2H4F3K3N1

C4


1 2 3 4 261

VC-4

J1B3C2

F2H4F3K3N1

C3G1VC-3

1 2 3 85

Duração=125 μs


Octetos do Cabeçalho de Caminho de OrdemSuperior

J1: Permite verificar a integridade do caminho. O terminal onde o caminho égerado envia repetidamente uma mensagem padrão (traço de caminho) através de J1 a qual é confirmada pelo terminal receptor. O traço é constituído por 16 octetos.

B3: É usada para monitorizar erros, transmitindo o BIP-8 do caminho.

C2: É a etiqueta de sinal, indicando a composição dos contentores virtuais VC3/VC4: Ex: 0000 0000: não transporta tráfego; 0000 0010: usa uma estrutura TUG; 0001 0010: transporta um E4 num C-4, 0001 0011: transporta ATM.

G1: É um canal usado pelo terminal receptor para enviar para o terminal emissor informação sobre desempenho do caminho, nomeadamente sobre oserros detectados por B3.

F2: Canal de utilizador usado para manutenção pelos operadores da rede.

H4: Indicador de super-trama. Usada na formação do VC-2, VC-12 e VC-11.

F3: Canal de utilizador.

K3: Canal usado para funções de protecção a nível do caminho.

N1: Monitorização de ligações em cascata (caminhos por várias sub - redes ).

Importante na SDH de nova geração


Unidade Administrativa AU-4

• Uma AU-4 é uma estrutura síncrona constituída por 9x261+9 octetos, que inclui um VC-4 mais um ponteiro de unidade administrativa AU-4 (PTR AU-4).

• O VC-4 pode flutuar dentro do AU-4. O ponteiro do AU-4 contém a posição (endereço) do primeiro octeto (J1) do cabeçalho de caminho do VC-4. Cada modificação do ponteiro de 1 unidade corresponde a uma deslocação do VC-4 no AU-4 de 3 octetos.

H3H3H3h2h2H2h1h1H1 J1B3C2G1F2H4F3K3N1

C4

PTR AU-4

AU-4

261 colunas

VC-4

9 lin

has

No ponteiro do AU-4 têm-se h1=1001xx11 e h2=11111111


Esquema de Endereçamento do Ponteiro do AU-4

• A cada posição do ponteiro da AU-4 correspondem 3 octetos. A cada posição do ponteiro do AU-3 corresponde um octeto.

H3h2H2h1H1

261 colunas

0 1 8687 88

0 1 8687 88

696 782

h1 h2 H3 H3

Cabeçalho de regeneração

Cabeçalho de multiplexagem

H3h2H2h1H1 h1 h2



609 610 693522 523 608

521 125 μs

Um valor de 0 do ponteiro indica que o J1 do VC-4 se encontra na posição 0

Posição indicada pelo ponteiro: 87

Trama #n-1

Trama #n

VC-4 #n-1


Esquema de Endereçamento do Ponteiro do AU-4 (II)

• A cada posição do ponteiro da AU-4 correspondem 3 octetos. A cada posição do ponteiro do AU-3 corresponde um octeto.

H3h2H2h1H1

261 colunas

0 1 8687 88

0 1 8687 88

696 782

h1 h2 H3 H3



H3h2H2h1H1 h1 h2



609 610 693522 523 608

521 125 μs

Um valor de 0 do ponteiro indica que o J1 do VC-4 se encontra na posição 0

Posição indicada pelo ponteiro: 522

Trama #n-1

Trama #nVC-4 #n-1


Unidades Administrativa AU-3

• A AU-3 é uma estrutura síncrona composta por 9×87+3 octetos, que inclui um VC-3 mais um ponteiro da unidade administrativa AU-3 (PTR-AU-3). Como a capacidade de transporte da AU-3 (87 colunas) é superior à requerida pelo VC-3 (85 colunas), são inseridas duas colunas sem informação (justificação fixa) para adaptação de capacidade (colunas 30 e 59).

H3H2H1

PTR AU-3

9 lin

has

1 2 30 59 87 coluna

J1B3C2

F2H4F3K3N1

C3G1

1 2 85

VC-3

A posição do contentor virtual pode flutuar dentro da AU-3. O ponteiro PTR AU-3 contem o endereço do J1.

Um alteração do ponteiro de uma unidade corresponde à deslocação do VC-3 na AU-3 de 1 octeto.

O ponteiro PTR AU-3 permite endereçar 87×9 =783 posições.


Grupo de Unidade Administrativa

• O AUG é uma estrutura síncrona constituída por 9×261 + 9 octetos que, por adição do cabeçalho de secção, dá origem à trama STM-1. Um AUG écomposto de 1 AU-4 ou de 3 AU-3 usando multiplexagem por interposição de octeto.

H2H1 H3 AU-3 H2H1 H3 AU-3 H2H1 H3 AU-3

H1 H1 H1 H2 H2 H2 H3 H3 H3 AUG(Octetos dos 3 AU-3 entrelaçados)

261 colunas

AUG obtido a partir de 3 AU-3 usando multiplexagem por interposição de octeto


Estrutura de Multiplexagem (II)

• Estrutura de multiplexagem da SDH

Em existe processamento de ponteiros

VC-12C-12

TU-2

VC-3

VC-2

C-4

C-11

C-3

C-2

AU-4VC-4TUG-3TUG-2TU-12

DS3: 44.736 Mb/s

TU-11VC-11

TU-3

E3: 34.368 Mb/s

DS2: 6.312 Mb/s

E1: 2.048 Mb/s

DS1: 1.544 Mb/s

E4: 139.264 Mb/s

VC-3 AU-3

AUG STM-N×1

STM-N=N×155.52 Mb/s

C - ContentorVC - Contentor VirtualTU - Unidade TributáriaTUG - Grupo de Unidade TributáriaAU - Unidade AdministrativaAUG - Grupo de Unidade Administrativa

MapeamentoMultiplexagem

×1

×3

×N

×1

×7

×3×4

×3

Alinhamento

×7

ATM

ATM

85 87

261 colunas + PTR Au-4

260 +18612

86x3 =258 258+2=260

Justificação fixa12x7 =84 84+2=66

Justificação fixa

260

84 85

12

4

3


Concatenação

• Concatenação é o processo de agregação de X contentores de mesmo tipo de modo a formar um contentor de maior capacidade. A concatenação poder ser contínua ou virtual.

• Concatenação contínua (CC): Cria contentores de grande capacidade, que não podem ser segmentados, para transmissão.

Todos os elementos de rede têm de suportar a funcionalidade concatenação contínua.

• Concatenação virtual (VC): Corresponde a uma operação de multiplexagem inversa. Os contentores de grande capacidade podem ser segmentados nos VCs usuais para fins de transmissão.

Só os elementos de rede fonte e terminação do caminho é que necessitam de suportar a funcionalidade concatenação virtual.


Concatenação Contínua

• Permite transportar tráfego com um débito binário superior ao permitido pelo C-4. A concatenação é identificada pelo sufixo c e o número de concatenações por X. Por exemplo, um VC-4 concatenado é representado por VC-4-Xc (genérico VC-n-Xc) e uma AU-4 por AU-4-Xc (genérico AU-n-Xc).

• No caso do AU-4-Xc a concatenação dos ponteiro é feita usando multiplexagem por interposição de octeto. O primeiro ponteiro tem as funções usuais dos ponteiros da AU-4, enquanto os restantes X-1 ponteirostransportam o indicador CI.

C-4-4c

N1

J1

B3C2G1F2H4F3K3

4×261 octetos

VC-4-4C

O cabeçalho de caminho do primeiro VC-4 transporta os octetos normais. Os cabeçalhos de caminho dos outros VC-4 transportam octetos de enchimento (sem informação).

Capacidade do C-4-4c

599.04 Mb/s


ATM sobre SDH

• As células ATM (Asynchronous Tranfer Module) são constituídas por 53 octetos (5 de cabeçalho e 48 de informação).

• No transporte de ATM sobre SDH o fluxo de células pode ser mapeado num VC-4 ou num VC-4-4c. Note-se que um utilizador ATM não está a transmitir continuamente. Por isso, pode haver necessidade de inserir células sem informação, de modo a gerar um fluxo contínuo.

J1B3C2G1F2H4F3K3N1

C-4

Célula ATM

O C-4 suporta um débito de 149.760 Mb/s. Para adaptar o fluxo ATM a este débito são inseridas células inactivas sempre que é necessário. Estas são caracterizadas por VPI=VCI=0, CLP=1 e PT=0. No processo inverso estas células são ignoradas.

O C-4 é constituído por 2340 octetos que não é um número divisível por 53. Assim se as células se dispuserem como na figura há uma célula que se inicia no presente contentor e termina no seguinte. O início das células é indicado no octeto H4 do cabeçalho de caminho. Este octeto indica o número de octetos que vão desde H4 até ao primeiro octeto da primeira célula a seguir a H4. O valor máximo é de 52.

x x Indicador da célulaH4

0 0 0 1 0 0 1 1 C2

VC-4


IP sobre SDH

• Os pacotes IP podem ser transmitidos directamente através de uma rede SDH, mas esses pacotes devem ser encapsulados numa trama HDLC (High-LevelData Link Control) (nível 2). A trama HDLC tem dimensão variável.

• As tramas HDLC vão ser por sua vez mapeadas linha a linha num contentor virtual (ou num contentor virtual com concatenação contínua) apropriado. Tal como no caso do ATM uma trama pode espraiar-se por dois contentores virtuais.

J1B3C2G1F2H4F3K3N1

Trama HDLC sem informação

As tramas HDLC são limitadas por uma padrão de bits bem definido ( 0 1111110). Para além desses bits essa trama tem pelo menos mais 4 octetos de cabeçalhos.

Quando não há informação (pacotes IP) para transmitir, são envidas tramas HDLC, mas com o campo de informação vazio.

VC-4

Trama #1

Trama #2

Trama #3


SDH de Nova Geração


Ineficiências da SDH Convencional

• A utilização da estrutura de contentores da SDH convencional (incluindo a concatenação contínua ) é muito pouco eficiente para o transporte de dados.

• A fragmentação dos contentores virtuais vai também contribuir para aumentar a ineficiência.

VC-3 /80%10 Mbit/sEthernet

VC-4-4C/67%200 Mbit/sESCON

VC-4-16C/58%1 Gbit/sGigabit Ethernet

VC-4/33%100 Mbit/sFast Ethernet

Estrutura/ IneficiênciaDébito da aplicaçãoAplicação

Enterprise SystemsConnection

SDH NE-A

SDH NE-B

STM-16A

B

C F

E

D

STM-1 #1 STM-1 #2 STM-1 #3 STM-1 #5 STM-1 #6 STM-1 #7 STM-1 #8 STM-1 #9 STM-1#10 STM-1#11 STM-1#12

Etapa 1: Os primeiros 8 STM-1 são atribuídos à ligação entre A e D, enquanto os últimos 8 STM-1 são usados entre B e E.

Etapa 2: Os utilizadores A-B libertam 2 STM-1 e os ultilizadores B-E libertam outros 2. Os utilizadores C-F requerem uma capacidade VC-4-4c. Embora fisicamente haja capacidade disponível, como os STM-1 livres não são contínuos, não é possível satisfazer o pedido de C-F.

STM-1 #4 STM-1#13 STM-1#14 STM-1#15 STM-1#16

STM-1 #1 STM-1 #2 STM-1 #3 STM-1 #5 STM-1 #6 STM-1 #7 STM-1 #8 STM-1 #9 STM-1#10 STM-1#11 STM-1#12STM-1 #4 STM-1#13 STM-1#14 STM-1#15 STM-1#16

STM-1 livre


Tecnologias Chave da SDH-NG

• GFP (Generic Framing Procedure)É uma técnica ( ITU-T Rec. G7041) apropriada para mapear o tráfego de pacotes (Ethernet, Escon, etc) em canais SDH ou OTN de débito fixo. O mapeamento pode ser feito de modo transparente (GFP-T), ou usando as tramas dos clientes completas (GFP-F).

• Concatenação virtual ou VCAT (Virtual Concatenation)É um mecanismo (ITU-T G707) que permite combinar um número variável de contentores virtuais de diferentes ordens de modo a criar canais de capacidade muito elevada. É mais eficiente do que a concatenação contínua para o tráfego de pacotes e contrariamente aquela não requer que todos os elementos de rede suportem essa funcionalidade.

• LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme)Permite modificar dinamicamente a capacidade alocada pelo VCAT através da adição/remoção de membros do caminho estabelecido (ITU-T Rec. G7042).


Protocolo GFP

• O protocolo GFP foi definido por ITU-T G.7041 e proporciona um mecanismo para encapsular diferentes sinais de dados em redes SDH ou OTN (ver cap. 5).

• O serviço GFP apresenta dois modos de funcionamento: Modo Transparenteou GFP-T (Transparent) e modo enquadrado ou GFP-F (Framed).

• A solução GFP-T corresponde a um encapsulamento de nível 1 e vai gerar tramas de comprimento constante. Está optimizado para tráfego que usa o código de blocos 8B10B (Gigabit Ethernet, Fibre Channel, etc.)

• A solução GFP-F corresponde a um encapsulamento de nível 2 e e vai gerar tramas de comprimento variável. Optimizado para tráfego Ethernet, IP/PPP, DVD, etc.

Na solução GFP-F deve ser extraído o pacote completo do cliente antes da trama GFP ser gerada. Isto envolve, por exemplo, a memorização de uma trama completa no caso da Ethernet, o que vai aumentar a latência (atraso) do processo. Na solução GFP-T não se verifica esse atraso porque o processamento é feito a nível de blocos de 10 bits.


Transporte de Pacotes IP sobre SDH/WDM

• Existem diferentes soluções para o transporte de pacotes, originados que com o protocolo IP, quer com os protocolos SAN, sobre uma rede SDH/WDM.

IP (Internet Protocol)

WDM, OTN, Fibra óptica

HDLC

FibreChannel

VLANMPLS

AAL5 PPP

PPP: Point-to-point protocol

HDLC: High-level Data Link control

VLAN: Virtual LAN

MPLS: Multiprotocol Labelswitching

Concatenação contínua Concatenação virtualLCAS

ATM

10/100/1000 Mbps Ethernet

GFP

ESCON FICON

SAN

DVB

VídeoOs protocolos SAN, tais como Fibre Channel, Enterprise Systems CONnectivity (ESCON) e Fibre CONnectivity (FICON) eram transportados tradicionalmente sobre soluções proprietárias

SAN: Storage Area Networks

DVB: Digital Video Broadcasting

SDH


Storage Area Networks

De: U. Troppens et al., Storage NetworksExplained, Wiley, 2004


Estrutura da Trama GFP

• A trama GFP inclui o cabeçalho principal (core header) e a área do campo de informação.

• A área do campo de informação inclui o cabeçalho do campo de informação, o campo de informação em si e um FCS (CRC-32) para proteger a integridade do campo de informação (detectar e corrigir erros).

• Os mecanismos de protecção (CRC-16) do cabeçalho principal e do cabeçalho do campo de informação são independentes.

Campo de Informação 0- 65531 octetos

FCS (opcional) 4 octetos

Indicador do comprimento do

campo de informação

Controlo de erros do

cabeçalho

Cabeçalho do campo de

informação 4 a 64 octetos

Cabeçalho (core header) Área do campo de informação

Frame checksequence (CRC-32)

Trama GFP

2 octetos, CRC-16

2 octetos Indica o tipo de informação

216=65536

HEC Payload header (CRC-16+payload identifier+ campos opcionais)


Trama GFP (continuação)• O cabeçalho principal (core header) consiste em dois campos:1) Indicador de

comprimento do campo (2 octetos) que indica a dimensão do campo de informação;2) HEC (Header Error Control) usado para proteger a integridade do cabeçalho principal, o qual é baseado no código CRC-16 (permite a correcção de erro de 1 bit e a detecção de erro em vários bits).

• O cabeçalho do campo de informação é um campo com dimensão variável (entre 4 e 64 octetos). Contém dois campos obrigatórios: Payload TypeIdentifer (PTI) e o Type Header Error Control( tHEC). O tHEC contém um CRC-16 e é usado para proteger a integridade do cabeçalho do campo de informação.

• O PTI contém informação sobre o tipo de informação transportada pelo campo de informação e sobre o modo como a informação é mapeada (modo transparente, ou modo enquadrado)

• Para além das funções de controlo de erros e de indicação do comprimento do campo de informação o cabeçalho principal também é responsável pela delimitação (enquadramento) da trama.

A função de delimitação de trama permite identificar o início da trama. Inicialmente quando a primeira trama chega ao receptor, é calculado o CRC-16 sobre os dois primeiros octetos, o qual é comparado com o CRC-16 presente no campo HEC. Se não coincidirem avança um bit e tenta de novo. Se houver coincidência é provável que tenha identificado o início da trama. Para comprovar salta para a segunda trama.


Concatenação Virtual

• O ponto de partida para implementar a concatenação virtual consiste em segmentar um fluxo de informação (ex: Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, etc.) em diferentes contentores de ordem superior ou inferior, ligados entre si a nível lógico através da integração no mesmo grupo de concatenação virtual ou VCG (virtual concatenation group).

• Os elementos do grupo são transportados individualmente através da rede SDH e recombinados na terminação do VCG de modo a originar o fluxo original. A concatenação virtual é representada por v e o número de contentores que pertencem ao grupo por X.

• Os diferentes elementos do grupo podem ser encaminhado seguindo todos o mesmo percurso, ou diferentes percursos (multi-percurso).

X × 1.600 (X=1,..,64)Ordem inferiorVC-11-Xv

X × 149.76 (X=1,..,256)Ordem superiorVC-4-Xv

X × 48.384 (X=1,..,256)Ordem superiorVC-3-Xv

X × 2.176 (X=1,..,64)Ordem inferiorVC-12-Xv

Capacidade disponível (Mb/s)TipoContentoresCapacidades dos diferentes contentores em concatenação virtual

VC-n-XvNúmero de VCs

Tipo de VCs

Concatenação virtual


Concatenação Virtual vs. Contínua

• Uma das vantagens da concatenação virtual consiste no aumento significativo das eficiências de mapeamento.

VC-4-64v/100%VC-4-64c/100%10 Gbit/s10 Gb EthernetVC-3-6v (93%)VC-4-4c/37%270 Mb/sDVB

VC-4-6v /94%VC-4-16c /35%850 Mb/sFiCONVC-3-4v/83%VC-4-4c/26%160 Mbit/sESCON

VC-4-16c/42%

VC-4-16c/42%VC-4/67%VC-3 /20%

Eficiência Conc. Contínua

VC-11-7v /89%10 Mbit/sEthernet

VC-4-12v/90%1700 Mb/sFibre Channel

VC-4-7v/95%1 Gbit/sGigabit EthernetVC-3-2v/99%100 Mbit/sFast Ethernet

Eficiência Conc. Virtual

Débito da aplicação

Aplicação


Vantagens da Concatenação Virtual

• Permite um transporte eficiente dos débitos usados nas aplicações de dados.

• Permite ultrapassar o problema da fragmentação dos contentores virtuais.

• Introduz flexibilidade nas aplicações que exigem elevadas qualidades de serviço e uma largura de banda de transporte garantida na medida em que permite alocar a largura de banda necessária de modo dinâmico.

• Não introduz novos requisitos nos elementos de rede intermédios. A concatenação virtual só exige a funcionalidade de concatenação nos elementos de rede fonte e destino do serviço. Note-se que a concatenação contínua exige essa funcionalidade em todos os elementos de rede.

• A utilização da concatenação virtual permite projectar as redes SDH da próxima geração para serem usadas como plataforma de transporte das redes multiserviço baseadas em diferentes protocolos (Ethernet, ESCON, RPR, PDH, etc).


Implementação da Concatenação Virtual

• Caso do encaminhamento multi-percurso:

VC-3-3v

Etapa 1

VC-3H4SQ=0Etapa 2

Etapa 3

Etapa 4

Etapa 5

Etapa1: O elemento de rede fonte aloca o tráfego em memória de modo a formar um sinal SDH contínuo.

Etapa2: São constituídos os diferentes contentores virtuais que pertencem ao mesmo VCG os quais são identificados pelo indicador de sequência ou SQ (sequence indicator).Etapa3: Os diferentes contentores virtuais são transportados individualmente através da rede SDH podendo seguir caminhos diferentes, o que conduz a tempos de propagação diferentes- atraso diferencial.Etapa4: Os diferentes contentores são armazenados em memória no nó receptor, para compensar o atraso diferencial.Etapa5: Os contentores são realinhados, colocados em ordem e recombinados de modo a originar o fluxo inicial.

VC-3H4SQ=1VC-3H4SQ=2

VC-3

#2H4 VC-3

#2H4

VC-3

#1H4

VC-3

#0H4

VC-3

#0H4

VC-3-3v

H4SQ=1VC-3H4SQ=0

H4SQ=2

Nó fonte

Nó terminção

H4

VC-3

#1


Formato da multi-trama de concatenação virtual (Ordem Superior)

• O método usado para realizar o alinhamento dos contentores virtuais de ordem superior é baseado numa multitrama, constituída em duas etapas (níveis). Para cada etapa tem-se um indicador de multitrama ou MFI (multiframe indicator).

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8

0 0 0 0MFI2 bits 1-40 0 0 1MFI2 bits 5-80 0 1 0Reservado0 0 1 1Reservado0 1 0 0Reservado0 1 0 1Reservado0 1 1 0Reservado0 1 1 1Reservado1 0 0 0Reservado1 0 0 1Reservado1 0 1 0Reservado1 0 1 1Reservado1 1 0 0Reservado1 1 0 1Reservado1 1 1 0SQ bits 1-41 1 1 1SQ bts 4-8

16×125μs= 2 ms

O MFI da primeira etapa (MFI1) é constituído pelos quatros últimos bits do octeto H4 do cabeçalho de caminho de ordem superior. Os quais são incrementados todos os 125 μs.

O MFI da segunda etapa (MFI2) é constituído pelos primeiros quatro bits das duas primeiras tramas da multitrama da primeira etapa.

A multitrama é constituída por 16 × 256=4096 tramas, com uma duração de 125 μs ×4096 = 512 ms.

Os bits 1 a 4 das duas últimas tramas da multitrama 1 são usados como indicador de sequência (SQ).

Octeto H4

Suporta um atraso diferencial máximo de 256 ms.

N1

J1

B3C2G1F2

F3K3

H4

Cab

eçal

ho d

e ca

min

ho


LCAS

• O LCAS foi concebido para gerir a capacidade alocada a qualquer caminho, de modo dinâmico em resposta a mudanças nos padrões de tráfego, adicionando ou removendo membros de um VCG.

• Mensagens enviadas entre o nó fonte e terminaçãoMulti-Frame Indicator (MFI): mantém a sequência da multitrama.Sequence Indicator (SQ): indica a sequência dos membros do VCG de modo a permitir reagrupá-los correctamente na recepção.Control (CTRL): mensagens do protocolo que descrevem as acções a executar.Group Identification (GID) : um valor constante para todos os membros do grupo.

• Mensagens envidas entre o nó terminação e o nó fonte.Member status (MST): informa a fonte do estado de cada membro (OK, fail).Re-Sequence Acknowledege (RS-Ack): confirmação de mudança de indicador de sequência depois de receber uma mensagem normal ou eos.


Papel do H4 no LCAS de Ordem Superior

• O LCAS permite variar a capacidade dos VGC de modo a poder responder a variações nos requisitos de capacidade sem ter qualquer impacto nos dados transmitidos.

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8

0 0 0 0MFI2 bits 1-40 0 0 1MFI2 bits 5-80 0 1 00 0 1 1Reservado0 1 0 00 1 0 1Reservado0 1 1 00 1 1 11 0 0 0M1 M2 M3 M41 0 0 11 0 1 01 0 1 1Reservado1 1 0 0Reservado1 1 0 1Reservado1 1 1 0SQ bits 1-41 1 1 1SQ bits 4-8

Pacote de controlo 16×125μs= 2 ms

O funcionamento do LCAS requer a transmissão de mensagens de controlo entre a fonte do VGC e a terminação e vice-versa.

As palavras de controlo entre a fonte e a terminação são enviadas através dos bits de controlo (CRTL), transmitidos no octecto H4 (CT1, CT2, CT3, CT4).

As mensagens entre a terminação e a fonte designam-se por MST (message status) e são responsáveis por reportarem o estado de cada um dos elementos do VCG. Usam os bits M1- M8.

Octeto H4

M5 M6 M7 M8

CT1 CT2 CT3 CT4

0 0 0 GID

C1 C2 C3 C4C5 C6 C7 C8

Cada VCG tem no máximo 256 membros. Cada multitrama transporta o MST de 8 elementos. São necessárias 32 tramas para transportar os MSTs de todo o VCG. 64 ms

LCAS

GID: Group indentification ; Cn: ´Código CRC ; Rs-Ack: Re-Sequence Acknowledge

0 0 0 RS-Ack


Etapas na Adição de um Novo Membro

• A codificação dos bits de controlo (CTRL) é feita de acordo com a tabela:

• Exemplo: Adição de um novo membro (ordem superior):

CT1 CT2 CT3 CT4 Palavra de controlo0 0 0 0 FIXED Não se usa LCAS 0 0 0 1 ADD Está-se preste a adicionar um novo membro ao VCG 0 0 1 0 NORM A carga transportada pelo membro é útil 0 0 1 1 EOS Indica que é o último membro do VCG 1 1 1 1 IDLE O membro não faz parte da VCG 0 1 0 1 DNU A carga transportada pelo membro não deve ser usada

1) O sistema de gestão é usado para configura o novo membro na fonte e na terminação. Na fonte faz-se CTRL= IDLE, SQ=256 (máximo) e na terminação MST=FAIL.

2)Na fonte: o número de sequência é feito o menor possível (não atribuído); CTRL=ADD. A fonte fica a aguardar pela mensagem da terminação.

3) A terminação envia MST=OK.

4) Quando o nó fonte recebe MST=OK coloca o CTRL= NORMAL em todos os novos membros excepto se este for o último do grupo (neste caso CTRL=EOS). A multitrama (pacote de controlo) seguinte passa a transportar tráfego no campo do contentor virtual adicionado.

5) O nó terminal depois de detectar a transição de ADD para normal inverte o bit RS-Ack.

7) Nó fonte quando recebe RS-Ack pode voltar avaliar o status do membro adicionado.


Exemplo de Adição de um Novo Membro

• Pretende-se adicionar um novo membro ao grupo VC-3-3V

• Etapas

VC-3H4SQ=0 VC-3H4

SQ=1

VC-3

VC-3H4

SQ=2

VC-3VC-3

VC-3H4SQ=3

tem

po

CTRL=IDLE SQ= 255

tem

po

MST (M4)=Fail

MST (M4)=OK

CTRL=ADD SQ= 3

CTRL=EOS SQ= 3

Altera RS-Ack

Novo membro passa a transmitir dados. MST deixam de ser avaliados

MST voltam de novo a ser avaliados

Pedido de adição enviado pelo sistema de gestão

Nó fonte Nó terminação


Exemplo de Adição de um Membro

• 1ª Etapa

• 2ª Etapa

• 3ª Etapa

• 4ª Etapa

AU3 (1,1), SQ=0, GID=a, CTRL=Normal


Cliente A

AU3 (2,1), SQ=0, GID=b, CTRL=Normal

AU3 (2,2), SQ=1, GID=b, CTRL=EOS

AU3 (2,3), SQ=255, GID=b, CTRL=IDLE

Cliente B

Na fonte SQ é feito igual a 2 e CTRL=ADD



Cliente A



AU3 (2,3), SQ=2, GID=b, CTRL=ADD

Cliente B



Cliente A




Cliente B

A terminação responde com MST=OK



Cliente A




Cliente B

A terminação envia Rs-Ack (confirma a nova sequência

O sistema de gestão configura o novo membro AU3(2,3)


Elementos de Rede SDH-NG (I)

• Multiservice Provisioning Platform (MSPP)

Um MSPP resulta da evolução dos ADMs convencionais com interfaces PDH e ópticas para um nó de acesso que inclui:

• Interfaces PDH convencionais

• Interfaces de dados como Ethernet, GigE, Fiber Channel, ou DVB

• Funcionalidades GFP (Generic Framing Procedure), VCAT(Virtual Concatenation) e LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme)

• Interfaces ópticas desde STM-1 até STM-16

Digital Video BroadcastingStorage Area Networks(Fiber Channel, ESCON, etc.)

Virtual Private Networks

Funcionalidades SDH-NG


Elementos de Rede SDH-NG (II)

• Multiservice Switching Platform (MSSP)

• O MSSP é o elemento de rede SDH-NG equivalente ao cruzador da SDH, realizando agregação de tráfego e cruzamento não só ao nível STM-N, como também ao nível VC.

• A nível de dados (Ethernet) o MSSP para além das funções de mapeamento de tráfego, suporta também funções de switching.


Exemplo: CISCO 15454 SDH MSPP

Plataforma apropriada para aplicações multiserviço, em redes metro.

Fonte: www.ciscosystems.com.ro/en/US/products/hw/optical/ps2006/ps2008/index.html

Cartas de temporização, comunicação e controlo

Interfaces E1 (75 Ohm)

Cartas de cruzamento

Cartas com interfaces ópticas de débitos elevados (STM-64 e STM-16)

Suporta as interface usais, E1, E3, E4, DS3, as soluções 10/100/1000 Mb/s Ethernet e o transporte óptico desde 155 Mb/s (STM-1) até 320 Gb/s (32-STM-64 comprimentos de onda).

Permite diferentes topologias físicas: anel, linear, estrela, etc.

Suporta diferentes esquemas de protecção: MS-SPRing (2 e 4 fibras), SNCP, caminho em malha, etc.


Cartas do CISCO 15454 SDH MSPP (I)

• Carta Ethernet Multidébito de 10 portos

Porto Ethernet multidébito: 10/100/1000 Mbps

• Suporta 10/100/1000 Mbps Base T; 100 Mbps Fx, Lx, Bx; 1000 Mbps SX, LX, Zx.

• Suporta VCAT e LCAS

• Suporta encapsulamento GFP- F e Cisco HDLC

• Suporta esquemas de protecção/restauro SDH com tempos de resposta inferiores a 50 ms

• Concatenação virtual e contínua 1000 Mbps: VC4-7v, VC4-8c, VC4-16c, VC3-21v 100 Mpps: VC4; VC3-2v; VC3-3v, VC12-50v


Cartas do CISCO 15454 SDH MSPP (II)

• Carta STM-64 com interface óptica XFP

• Carta STM-1 com 8 portos

Interface óptica

• Permite a transmissão de um débito até 10 Gbps, com um BER máximo de 10-12 a uma distância máxima de 80 km (atenuação máxima =22 dB, tolerância à dispersão máxima de 1600 ps/nm).

• Suporta VC-4-nc ( com N=2, 3, 4, 4,16, 32), assim como VC-11, VC-12, VC-3 e VC-4.

• Suporta esquemas de protecção tais como : SNCP, MS-SPRingde 2 e 4 fibras e protecção de caminho em redes em malha.

Interface óptica STM-1

• Proporcional 8 interface emissoras/ receptoras, cada uma operando a um débito de 155 Mbps (STM-1) e usando óptica de 1310 nm.

• Suporta protecção SNCP, e MSP.

• Suporta sinais concatenados (VC3-3c) e não concatenados (VC-11/12, VC-3 e VC-4)


Cartas do CISCO 15454 SDH MSPP (III)

• Carta de temporização, controlo e comunicação (TCC)

• Carta responsável pelo cruzamento dos VCs (XC-VXC Cross-connect)

Suporta cruzamentos a nível de VC-11/12, VC-3, VC-4 e VC-4-Xc (com X=2, 3, 4, 16 e 64).

Disponibiliza uma capacidade de comutação de 60 Gb/s para VC de ordem superior (1152x1152 VC-3, ou 384x384 VC-4) e de 5 Gb/s para os VCsde ordem inferior (2016x2016 VC-12).

Interface RJ45

Os sinais de controlo requeridos nas operações de cruzamento são proporcionados pela carta TCC.

Permite inicializar o sistema, reporta alarmes, gera sinais de controlo para provisionamento de capacidade, detecta falhas no sistema e outras funções OAM e termina os canais DCC da camada de regeneração e de multiplexagem

Incorpora um relógio de stratum 3 o qual é controlado por um sinal de sincronismo exterior. Processa as mensagens SSM, de modo a seleccionar o melhor relógio externo.

Possuí uma interface RJ45 (10 Base T) para interligação com o sistema de gestão de rede.


Aplicação da NG-SDH em Redes Empresariais

MSPP

Fonte: Cisco


Aplicação da NG-SDH na Rede Metro

Fonte: “Defining the Multiservice Switching Platform”, White Paper, Cisco

MSSP (MultiService SwitchingPlatform) = MSPP+ Switching Ethernet

LH/ELH = Long Haul/Extended Long Haul


Análise de Desempenho em Redes SDH

• A análise do desempenho das redes de transporte é baseada na norma G.826 da ITU-T. Os objectivos definidos são independentes do meio de transmissão, são baseados em blocos e permitem fazer uso de medidas de desempenho em serviço.

• As medidas de desempenho (monitorização dos erros) são realizadas usando o código BIP. Um código BIP-(n,m) genérico pode ser representado pela matriz:

• Os blocos correspondem aos contentores virtuais ou às tramas STM-N.

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

nmnnn

m

m

yxxx

yxxxyxxx

,2,1,

2,22,21,2

1,12,11,1

..................

.........

miiii xxxy ,2,1, ⊕⋅⋅⋅⊕⊕=

xi,j : bit da sequência de entrada

yi: bit de paridade de ordem i

BIP-(8,2430)19440STM-1

BIP-(8,2349)18792VC-4

BIP-(8,765)6120VC-3

BIP-(2,1712)3424VC-2

BIP-(2,560)1120VC-12

BIP-(2,416)832VC-11

BIP-(n,m)Nº de bits por blocoTipo de bloco

Relação entre a dimensão do bloco e o código BIP


Código de Paridade de Bits Entrelaçados

• O código de paridade de bits entrelaçados de ordem n ou BIP-n (bit interleaved parity) é obtido calculando a soma módulo 2 de n grupos de bits e colocando o resultado numa palavra de controlo constituída por n bits.

• O BIP-n é calculada sobre os correspondentes bits da trama actual e o resultado é transmitido nos octetos B1, B2, B3, ou nos dois primeiros bits do V5 da trama seguinte. Na recepção o BIP-n é recalculado, e qualquer discrepância entre este e o valor recebido é vista como um erro de bloco.

n bits

m b

its

Soma módulo 2

BIP-nPalavra de controlo constituída por n bits

BIP-8 B1

BIP-24 B2 B2 B2BIP-8 B3BIP-2 V5


Papel de B3 e G1 na Monitorização de Erros

• Considera-se dois elementos de rede (A e B) e o protocolo associada à transmissão dos códigos BIP para o caso da secção de multiplexagem

MS+VC nº 1 MS+VC nº 2

M1 Resultado incorporado em M1

MS+VC nº 2B2

Incorporação do BIP-24 (1)

MS+VC nº 1

Cálculo do BIP-24 do MS+VC nº1

BIP-24´ (1)

MS+VC nº 1

Cálculo do BIP-24 do VC+MS nº1

BIP-24 (1)

MS+VC nº 0

MS+VC nº 3B2

Incorporação do BIP-24 (2)

MS+VC nº 2B2

MS+VC nº 1

BIP-24´ (1)

Comparação entre os B2 e o BIP-24´(1)

NE BNE A


Eventos e Parâmetros de Desempenho

Eventos

Bloco errado (EB, Errored Block): Bloco em que um ou mais bits estão errados.

Segundo com erros (ES, Errored Second): Período de tempo de um segundo com um ou mais blocos errados.

Segundo gravemente errado (SES, Severely ErroredSecond): Período de tempo de um segundo com ≥ 30% de blocos errados, ou no mínimo com um defeito.

Erro de bloco residual (BBE, Background Block Error): Um bloco errado que não faz parte de um SES.

Parâmetros

Razão de segundos errados (ESR, Errored SecondRatio): Razão entre os ES e o número total de segundos correspondentes a um determinado intervalo de medida.

Razão de segundos gravemente errado (SESR, SES Ratio): Razão entre os SES e o número total de segundos correspondentes a um determinado intervalo de medida.

Razão de erro de bloco residual (BBER, BBE Ratio): Razão entre os BBE e o número total de blocos num intervalo de medida, excluindo os blocos durante SES.

Todos os parâmetros só consideram o tempo de disponibilidade.


Disponibilidade e Caminho Hipotético

• O período de indisponibilidade começa no início de um intervalo de tempo que contem no mínimo 10 SESs consecutivos e termina no início de um intervalo de tempo que contem no mínimo 10 segundos não SES.

• Para a definição dos objectivos extremo-a-extremo a norma G.826 considera um caminho hipotético de referência de 27 500 km.

Segundo gravemente errado

Segundo livre de erros

Segundo com erros (não SES)

10 sDetectada a indisponibilidade

Período de indisponibilidade

10 s Detectada a disponibilidade

Período de disponibilidade

Países intermédios (assume-se quatro)Ligação inter-país

(Ex:cabosubmarino)

País terminal País terminal

CAN IEN

Parte internacional

PEP PEPIGIGIGIGIG

IG

Parte nacional

Caminho hipotético de referência (27 500 km)

Parte nacional

PEP: Path End Poin ; IG: International Gateway; CAN: Customer Access Network; IEN: Interexchange Network


Objectivos Extremo-a-Extremo

• Objectivos extremo-a-extremo para o caminho hipotético de 27500 km

• Distribuição dos objectivos extremo-a-extremo da norma G.826

10-42x10-42x10-42x10-42x10-4BBER

0.0020.0020.0020.0020.002SESR

Não especificado0.160.0750.050.04ESR

15000 a 300006000 a 200004000 a 200002000 a 8000800 a 5000Bits/Bloco

>160 a 3500>55 a 160>15 a 55>5 a 151.5 a 5Débito bináro (Mbit/s)

1% por 500 km2% pelos países intermédios1% por país terminal

1% por 500 km17.5% para cada país terminal

Alocação em função da distância

Alocação em blocoAlocação em função da distância

Alocação em bloco

Parte InternacionalParte Nacional Países terminais (2x17.5%+2x1%) ⇒37% Países intermédios(4x2%) ⇒ 8% Função da distância (55x500km) ⇒ 55% Total ⇒100%

Para obter a distância operacional o ITU-T aconselha a multiplicar a distância geográfica por 1.5


Relação entre os Parâmetros da Norma e o BER

• Admite-se que os erros são aleatórios e que os bits são independentes e que apresentam uma razão de erros binários de p. O número de bits transmitidos num segundo é Nb (Nb = Db →débito binário). O parâmetro ESR é dado por

• Seja R o número de bits por bloco (DbxΔt, Δt: duração de um bloco). A probabilidade de erro de um bloco é

• Seja N o número de blocos presentes no intervalo de tempo de 1s e Ne o número de blocos errados nesse intervalo de tempo. Um segundo gravemente errado corresponde ao evento Ne/N≥ 0.3.

bNpP )1(1ES)(ESR −−==Admite-se independência estatística dos erros e que o código detector é ideal.

RB ppP )1(1EB)( −−== EB)(BBER P≈

ee

e

NNB

NB

N

NN ee pp

NN

NNNPSESP −

=−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=≤≤=≈ ∑ )1()3.0()(SESR

3.0


Sobrevivência de Rede


Sobrevivência de Rede

• A sobrevivência de rede traduz a capacidade de uma rede continuar a oferecer serviços na presença de falhas internas.

• As falhas podem ocorrer a nível dos nós da rede (equipamento) ou a nível das vias de transmissão, sendo as últimas as mais frequentes.

• A causa mais comum está associada à danificação dos cabos de fibras ópticas devido a causas de origem natural (tremores de terra, etc. ) ou humana (escavadoras, incêndios, etc.).

AT&T fiber optic cable cut in CaliforniaApril 9, 2009 — 2:07pm ET An AT&T-owned fiber optic cable was severed in Silicon Valley Thursday, causing Internet, voice, and wireless outages, as well as compromised 911 access for thousands of customers. AT&T confirmed the outage to CNET, and said it is working to fix the issue.Fonte: www.fiercetelecom.com/story/t-fiber-optic-cable-cut-california/2009-04-09

In December 2006, 4 major fiber optic lines were severely damaged following a major earthquake in Taiwan. … The cuts basically erased all eastward data routes from Southeast Asia. It took 49 days for crews on 11 giant cable-laying ships to fix all of the 21 damage points…. Fonte: www.wired.com/threatlevel/2008/01/fiber-optic-cab/

Corte de cabos de fibra óptica em Lisboa deixa... (1/11/2007)Um corte nos cabos de fibra óptica na zona de São Sebastião, junto ao Corte Inglés, em Lisboa, privou cerca de 12 mil clientes da TV Cabo dos serviços da Portugal Telecom na quarta-feira, disse à Lusa fonte oficial da operadora. «Também alguns clientes móveis foram afectados», adiantou a mesma fonte. O corte deveu-se às obras do metropolitano em São Sebastião, onde umas estacas bateram num cabo de fibra óptica e deitaram-no abaixo, indicou à Lusa fonte do Metropolitano de Lisboa. Fonte:metrolisboa.blogspot.com/2007/11/corte-de-cabos-de-fibra-ptica-em-lisboa.html


“Fiber Optic Cable Cuts Isolate Millions From Internet,FutureCuts Likely” (January 31, 2008)

O cabo submarino FLAG foi um dos cabos afectados

Large swaths of the Middle East and Southeast Asiafell into internet darkness after two major underseasfiber optic links were damaged off Egypt’s coast on Wednesday.

Early reports blamed an errant anchor for severing the cables, but THREAT LEVEL has not yet been able to confirm that’s the cause.

Telecoms in Egypt, India, Pakistan and Kuwait (among others) are scrambling to find other arrangements to carry their internet and long distance phone traffic.

Some telecoms had complete outages since their contingency plans if one cable broke was to use the other. Seventy percent of the networks in Pakistan experienced an out, with Egypt, Malidives, Kuwait, Lebanon and Algeria also suffering severe outages, according to traffic analysis by Renesys.

FLAG runs about 17,000 miles, stretching from London, through the Suez canal, around India, along China’s coast to Japan……. SEA-ME-WE-4 follows roughly the same geographic path.Fonte:www.wired.com/threatlevel/2008/01/fiber-optic-cab/

The cuts hit two fiber optic links: FLAG Europe Asia and SEA-ME-WE-4. The two cables are competitors that carry traffic from Europe through the Middle East along to Japan (and vice versa).


Disponibilidade

• A disponibilidade (availability) de um sistema traduz a probabilidade desse sistema estar perfeitamente operacional num certo instante de tempo.

• A disponibilidade é normalmente expressa em termos da percentagem de tempo durante um ano em que o sistema está totalmente operacional.

• Assumindo que as disponibilidades de um nó (elemento de rede) e de uma ligação (via de transmissão) são independentes, a disponibilidade de um caminho obtém-se multiplicando as disponibilidades.

31.5 s5.26 m52.6 m8.76 h3.65 diasTempo em baixa/ano

99.9999% (6 noves)

99.999% (5 noves)

99.99% (4 noves)

99.9% (3 noves)

99% (2 noves)

Disponibilidade (%)

DXCDXC

DXCDXC

DXCDXC

DXCDXC

DXCDXC

0.99999

0.99999

0.99999

0.99999

0.99999

0.9998 0.9995

0.9997

0.9997

0.9998

0.99950.9995

A disponibilidade do caminho representado seria dada por:

0.99999x0.9995x0.99999x0.9998x0.99999≈0.99927

Para aumentar e disponibilidade do caminho seria necessário ter por exemplo um caminho redundante (caminho de protecção) para o caso de falha do primeiro.

Protecção


Técnicas de Sobrevivência

• As técnicas usadas para garantir que uma rede SDH continue a proporcionar serviços mesmo em presença de falhas na rede são as seguintes:

– Protecção de equipamento;– Protecção linear;– Protecção de anel; – Restauro.

• A protecção de equipamento é garantida duplicando as cartas e as ligações entre estas.

• A protecção linear é aplicada em ligações ponto-a-ponto. Essa protecção pode ser realizada a nível de caminho (protecção de caminho), ou a nível de secção de multiplexagem (protecção de secção).

• A protecção de anel aplica-se a topologias físicas em anel e também pode ser realizada a nível de caminho ou a nível de secção.

• O restauro aplica-se a redes com uma topologia física em malha e consiste em encontrar caminhos alternativos aos caminhos com falhas, sendo a operação, normalmente, coordenada pelo plano de gestão de rede.


Anomalias, Defeitos e Falhas• O sistema de protecção ou de restauro numa rede SDH é activado na presença de

falhas graves. Essas falhas desencadeiam um processo de geração de alarmes, que por sua vez são responsáveis por activar o sistema referido.

• Um comportamento errático em certas funcionalidades da rede pode ser classificado como anomalia, defeito ou falha.

• Uma anomalia corresponde a uma degradação do desempenho do sistema. Um defeito conduz a uma incapacidade para executar um serviço devido ao mau funcionamento do hardware ou do software do sistema, ou a uma degradação do desempenho muito acentuada, traduzida por uma razão de erros binários igual ou superior a 10-3. Uma falha é um defeito persistente.

• A detecção de um defeito a nível de caminho ou secção é realizada monitorizando o sinal recebido. Exemplos de defeitos: perda de sinal ou LOS (loss of signal), perda de trama ou LOF (loss of frame), incoerência do traço de sinal ou TIM (trace identification mismatch), perda de ponteiro ou LOP (loss of pointer), etc.

• As anomalias são originadas por eventos tais como perda de enquadramento de trama ou OOF (out of frame alignment), sinal degradado ou SD (signal degrade) e os erros de detectados usando B1, B2, B3 e BIP-2 desde que a razão de erros fique abaixo de 10-3.


Protecção Linear

• A protecção linear de caminho protege os caminhos (VCs) individualmente (extremo-a-extremo), enquanto a protecção de secção protege todo o sinal STM-N (em cada arco). Qualquer uma dessas protecções ainda pode ser dedicada (1+1) ou partilhada (1:1).

• Protecção de secção dedicada (1+1)O sinal STM-N é duplicado e enviado simultaneamente pela via de serviço e pela via de protecção (fibras de serviço e protecção). Na recepção é seleccionado o sinal da via de serviço. Quando esse sinal se degrada o receptor comuta para a via de protecção.

comutador

Fibra de protecção (ou λ)

Fibra de serviço (ou λ)

Funcionamento em estado normal

Funcionamento depois de uma falha

comutador


Esta forma de protecção é muito rápida e não requer nenhum protocolo de sinalização

Perda de sinal ou LOS (Loss of Signal) Perda de trama ou LOF (Loss of Frame) Sinal degradado ou DS (Degraded Signal) (Valor de BER elevado≥10-3

Alarmes que desencadeiam a comutação

O sistema pode funcionar em modo de protecção reversível (volta à situação normal depois da falha ser reparada) ou modo irreversível no caso oposto.

NE 1 NE 2

NE 1 NE 2

Corte na fibra de serviço (ou λ)STM-N


Protecção Linear (secção 1:1)

• A protecção de secção 1+1 requer a duplicação dos sinais STM-N, sendo por isso uma solução dispendiosa.

– Tem a vantagem de não requerer sinalização entre os nós da rede, sendo portanto muito rápida. A protecção 1:1 requer o uso de sinalização (mais lenta), mas pode usar o sistema de protecção para tráfego não prioritário.

• Protecção de secção partilhada (1:1)O sinal STM-N é enviado num certo instante é enviado através de uma única via. Em presença de uma falha na fibra o sinal é comutado para a outra fibra. Requer também o uso de um comutador no emissor e um protocolo APS (Automatic Protection Switching).



Funcionamento em estado normal

Funcionamento depois de uma falha

comutador



Perda de sinal ou LOS (Loss of Signal) Perda de trama ou LOF (Loss of Frame) ) Sinal degradado ou DS (Degraded Signal)

Alarmes que desencadeiam a comutação

O NE que detecta a falha (NE 2) deve comunicar com o NE que inicia a secção (NE 1) usando o protocolo APS, para este comutar o tráfego para a via de protecção. O APS é transmitido nos octetos K1 e K2do cabeçalho de sec. de multiplexagem.

NE 1 NE 2

NE 1 NE 2

comutadorcomutador

STM-N


Protecção Linear de Caminho

• A protecção linear de secção só protege os arcos ou ligações entre os elementos de rede.

– Como as diferentes fibras ou comprimentos de onda são transportados no mesmo cabo, esse mecanismo não resolve os problemas dos cortes nos cabos, mas unicamente as falhas nas cartas dos NEs.

• A protecção linear de caminho ( aplicada a sinais VC-n) pode ser dedicada (1+1) ou partilhada (1:1). No último caso o protocolo APS é transmitido no octeto K3 para o caso do VC-3 e VC-4.

• O esquema de protecção SNCP (Subnetwork Connection Protection) é um exemplo de protecção linear de caminho 1+1.

MSSP

MSSP

MSSP

MSSP

MSSP

MSSP MSSP

MSSP

MSSP

MSSP

MSSP

MSSPVc-n

Serviço

ProtecçãoProtege contra falhas simples nos nós e nas ligações.

SNCP:


Protecção de Anel: Tipos e Estrutura de Anéis

• Os anéis podem ser unidireccionais ou bidireccionais. No caso dos anéis unidireccionais um caminho (bidireccional) entre dois nós ocupa todo o anel, enquanto nos anéis bidireccionais só ocupa parte do anel.

• Um anel é composto de diferentes arcos, sendo cada um responsável por ligar dois nós. Os anéis podem ainda usar duas ou quatro fibras.

ADM A

ADM C

ADM BADM D

Fibra de serviço

Fibra de protecção

C→A A→C

A→CC→A

ADM A

ADM C

ADM BADM D

Fibra de serviço

C→A A→C

A→CC→A


Anel Unidireccional Anel Bidireccional com 2 fibras

Arco


Anel Unidireccional com Protecção de Caminho

• O anel unidirecional com protecção de caminho, designado na terminologia SONET por UPSR (Unidirectional Path-Switched Rings) usa um esquema de protecção dedicado 1+1. O tráfego originado num determinado nó é enviado simultaneamente pela fibra de serviço no sentido dos ponteiros do relógio e pela fibra de protecção no sentido contrário.

• A comutação de protecção é realizada a nível da camada de caminho para cada ligação. A qualidade do sinal é continuamente monitorizada. Quando tem lugar um corte na fibra de serviço o nó que detecta a falha comuta para a fibra de protecção.

ADM A

ADM C

ADM BADM D

Fibra de serviço


C→A A→C

A→CC→A

Estado Normal

Corte nas duas fibras

ADM A

ADM C

ADM BADM D


C→A A→C

A→CC→A

Estado Normal

Comuta para a protecção

Este tipo de protecção representa uma caso particular da SNCP

As entidades comutadas são contentores virtuais


Protecção de Anel: Protecção a Nível de Secção

• A protecção de anel a nível de secção de multiplexagem pode ser partilhada ou dedicada.

• Os anéis MS-SPRING compreendem duas categorias: anéis de 2 fibras e anéisde 4 fibras.

– Estes anéis são bidireccionais: os sinais de tráfego normal (canais de serviço) são transmitidos sobre os mesmos arcos mas em sentido oposto. Os canais de serviço são protegidos pelos canais de protecção, que podem ser usados para tráfego não prioritário.

– Na terminologia SONET, esses anéis designam-se por BLSR (Bidirectional Line-Switched Rings).

• Os anéis MS-DPRING consistem em dois anéis unidireccionais com propagação em sentido inverso. Um transporta tráfego normal (anel de serviço) e o outro é reservado para proteger este tráfego (anel de protecção).

Protecção de secção

(ITU-T G.841)

Anel com protecção partilhada de secção de multiplexagem ou MS-SPRING (Multiplex SectionShared Protection Ring)

Anel com protecção dedicada de secção de multiplexagem ou MS-DPRING (Multiplex SectionDedicated Protection Ring)


Anel MS-DPRING• No anel com protecção dedicada de secção de multiplexagem, os diferentes nós estão

ligados por duas fibras ópticas, uma para a função de serviço e outra para protecção. O anel é unidireccional e no estado de funcionamento normal só a fibra de serviço transporta tráfego. O anel de protecção é usado quando a terminação de secção de multiplexagem detecta uma falha ou uma degradação do sinal na fibra de serviço.

• Depois de detectada a falha inicia-se o processo de recuperação usando o protocolo APS, o qual permite estabelecer derivações da fibra de serviço para a fibra de protecção nos nós que envolvem a falha e transportar a secção afectada pela fibra de protecção.

ADM A

ADM C

ADM BADM D

Fibra de serviço


C→A A→C

A→CC→A

Estado Normal

ADM A

ADM C

ADM BADM D

C→A A→C

A→CC→A

Estado de Protecção

Derivação

Derivação



Anel MS-SPRING com Duas Fibras

• No anel MS-SPRING com duas fibras, a capacidade de trabalho entre quaisquer dois nós só usa metade da capacidade bidireccional total, sendo a outra metade destinada a protecção. Assim, por exemplo, num anel com capacidade STM-N, os sinais STM-N transmitidos nos dois sentidos reservam os AU-4 numerados de 1 a N/2 para o transporte de tráfego de serviço e os AU-4 numerados de N/2+1 a N para protecção.

ADM A

ADM C

ADM BADM D

C→A A→C

A→CC→A

ADM A

ADM C

ADM BADM D

C→A A→C

A→CC→A

Estado de Protecção

Derivação

Derivação


STM-N

Protecção

Estado Normal

A falha é indicada a nível de secção e a recuperação da falha usa o APS

Fibras ópticas


Protocolo APS de Anel

• O protocolo de comutação de protecção automática ou APS (Automatic ProtectionSwitching) de secção de multiplexagem usado nos anéis SDH faz também uso dos octetos K1 e K2.

• Os primeiros quatro bits (b1b2b3b4) de K1 indicam o tipo de pedido. Os últimos quatro bits (b5b6b7b8) identificam o nó destinatário do pedido.

• Os primeiros quatro bits de K2 identificam o nó originário do pedido. O bit 5 identifica o tipo de percurso no anel (é igual a 0 para o percurso mais curto e igual a 1 para o percurso mais longo). Os outros três bits são usados, entre outras funções, para a transmissão de alarmes.

Tipos de pedidos

Condição: Falha de sinal ou SF(signal fail), degradação de sinal ou SF (signal degrade). Cada condição pode-se aplicar ao anel ou ao arco.

Estado: Atraso de restabelecimento (wait-to-restore), ausência de pedido (no request), pedido reverso (reverse request) a nível de anel ou do arco, etc.

Pedido externo: Inibição de protecção (lockout of protection), comutação forçada ou manual (forced and manual switch) a nível de anel ou de arco,etc.Pedidos iniciados externamente ao

NE (utilizador ou sistema de gestão).

Os nós do anel são identificados por um número escolhido entre 0 e 15, o que permite ter no máximo 16 nós por anel.


Aplicação do Protocolo APS

• As etapas associadas à aplicação do protocolo APS em presença de um corte da fibra entre o nó B e o nó C são as seguintes:

ADM A

ADM C

ADM BADM D

Detecta a falha do sinal

Envia octetos K nos dois sentidos

1

2

Percurso mais curto

Percurso mais longo

D⇒A

A⇐D

Recebe os octectos K1 e K23Estabelece uma derivação4

Deixa passar K1 e K25

Recebe os octectos K1 e K26

• O nó B a partir da detecção de uma perda de sinal detecta a falha da fibra entre C e B.• O nó B envia pelos octectos K1 e K2 pelo percuso mais curto e pelo mais longo um pedido de derivação para C.• C depois de receber os octectos K1 e K2 e de reconhecer o seu endereço estabelece uma derivação para a via de

protecção. A e D ao verificarem que os comandos recebidos não lhe são destinados reenviam-os.• O nó C recebe de novo os octectos K1 e K2 pelo percuso mais longo e responde com o seu estado (comutado).

Todos os nós são informados do novo estado. Quando B recebe essa informação passa também a comutado.

Estabelece uma derivação8

Informa os nós do seu estado7


Anel MS-SPRING com Quatro Fibras

• No anel MS-SPRING com quatro fibras usa duas fibras para a capacidade de serviço bidireccional e as outras duas para protecção. Neste anel a protecção pode ser de arco, quando há uma falha só nas fibras de serviço, ou de anel quando há um corte nas quatro fibras.

Estado de Protecção (anel)Estado Normal

A falha é indicada a nível de secção e a recuperação da falha usa o APS

ADM A

ADM C

ADM BADM D

C→A A→C

A→CC→AServiço

Protecção

ADM A

ADM C

ADM BADM D

C→A A→C

A→CC→AServiço

Protecção

Corte nas 4 fibras

2 derivações

2 derivações


Considerações sobre Aplicação do MSPRING

• Tempo de comutação : Num anel sem tráfego extra, com todos os nós a funcionar em modo normal e com menos de 1200 km de fibra óptica o tempo de comutação do tráfego para a capacidade de protecção (em arco ou anel) na presença de falhas deve ser inferior a 50 ms (ITU-T: G.841).

• MSPRING em aplicações submarinas : A aplicação directa do protocolo MSPRING poderia levar a situações com trajectos de protecção que atravessassem três vezes o oceano. Como as distâncias entre nós podem atingir vários milhares de km há que alterar o protocolo para estes casos: Na presença de falhas todos os AU-4 afectados pelas falhas são comutados para as vias de protecção pelos próprios nós fonte. Deve-se garantir um tempo de comutação inferior a 300 ms (ITU-T: G.841).

• Tráfego não protegido : Os MSPRING têm possibiliade de transportar alguns canais com tráfego não protegido, desactivando o protocolo APS para determinados AU-4s.

ADM

ADM

ADM

ADMMSPRING (STM-16)ATM ATM

STM-1 não protegido

STM-1 não protegido

A B

O tráfego entre A e B é protegido pela camada ATM

ATM

ATM

Comutador ATM


Interligação de Anéis

• A interligação de anéis pode ser feita usando DXC ou ADMs. No último caso a interligação é feita ligando as saídas inserção/extraçção de dois ADMs de diferentes anéis.

• A interligação pode ser feita usando arquitecturas com um nó de interligação simples ou dual. A primeira tem um ponto de falha no ponto onde os anéis se interligam e por isso oferece um nível de fiabilidade baixo.

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

Interligação com nó simples

Interligação com nó dual

Permite proteger o tráfego que transita entre os dois anéis. Uma falha num ADM de interligação não causa problemas ao tráfego entre anéis.

Ponto de falha simples


Facilidade Extrair & Continuar

• No caso da interligação com nó dual em vez de se estabelecer duas ligações entre o nó original e os dois nós de interligação num determinado anel, pode-se usar uma facilidade presente nos ADMs designada por extrair & continuar(drop-and-continue) (ITU-T G-842).

• O sinal unidireccional transmitido pelo nó C ao chegar ao nó 1 é extraído pelo ADM desse nó e ao mesmo tempo é enviada uma réplica para o nó 2 (função continuar). O selector do nó 1 do anel 2 selecciona o sinal de melhor qualidade e envia-o para o anel. A interligação pode ser STM-1 ou STM-N.

ADM A

ADM B

ADM C

ADM D

ADM F

ADM E

SS

Para D

De D

Para CDe C

MSPRING 1 MSPRING 2

Nó 1

Nó 2

Nó 1

Nó 2

Selector

Interligação: Eléctrica⇒STM-1 Óptica ⇒ STM-N


Interligação com Anel Virtual

• Como no caso da protecção SNCP (protecção de caminho) o tráfegoé replicado na origem e enviado por dois caminhos distintos.

• O encaminhamento de informação deve ser feita de modo que o caminho associado ao tráfego de serviço usa nós de interligação entre os anéis diferentes do caminho de protecção

ADM A

ADM B

ADM C

ADM D

ADM F

ADM EPara D

De D

Para CDe C

SNCP ring 1 SNCP ring 2

Nó 1

Nó 2

Nó 1

Nó 2

Tráfego de Serviço

Tráfego de Protecção


Topologias Lógicas nas Redes em Anel

• O modo como o tráfego é distribuido entre os diferentes nós de um anel leva ao conceito de topologia lógica. Podem-se ter diferentes tipos de topologias lógicas: estrela simples, estrela dupla, anel, malha, misto, etc.

Estrela simples Padrão de tráfego em hub simples

Estrela dupla Padrão de tráfego em hub duplo

Anel Padrão de tráfego adjacente

Malha Padrão de tráfego

uniforme

Padrão de tráfego longo

Os pedidos de tráfego são entre nós diametralmente opostos

Nó

Pedido de tráfego bidireccional


Exemplos de Padrões de Tráfego num Anel STM-16

Padrão em hub simples Padrão de tráfego adjacente

MSPRING com 2 fibras (STM-16)

Nó A

Nó CNó D

Nó B8 AU-4

5 A

U-4

5 A

U-4

3 AU-4

3 AU-4


Nó A

Nó CNó D

Nó B8 AU-4

8 A

U-4

8 A

U-4

8 AU-4

8 AU-4 8 AU-4

8 A

U-4

8 A

U-4

O tráfego deve ser encaminhado entre dois nós de modo a ocupar o menor número de arcos e de modo a carregar o menos possível cada arco.


Nó A

Nó D

6 AU-4

5 A

U-4

5 A

U-4

3 AU-4

3 AU-4

6 AU-4

Nó B

Nó C

5 A

U-4

5 A

U-4

2 A

U-4

2 A

U-4

005D

055C

056B

556A

DCBANós

Matriz de tráfego (AU-4)Padrão de

tráfego misto

Os arcos A-B e A-D estão à capacidade máxima.


Capítulo 5

Redes de Transporte Ópticas


Espectro Óptico e Comprimentos de Onda

• Os sistemas de comunicação óptica operam na banda do espectro electromagnético com comprimentos de onda entre os 800 e os 1600 nm, ou seja na região do infra-vermelho (não visível pelo olho humano).

• O ITU (International Telecommunications Union) definiu seis bandas passíveis de serem usadas pelos sistemas de comunicação sobre fibra óptica.

• As bandas mais usadas pelos sistemas comerciais são as bandas O e C.

Ultra-violeta Visível Infra-vermelho

0.05 0.4 0.7 100 λ (μm)

Banda usada pelos sistemas de comunicação óptica

6×1015 4.3×1014 3×1012 ν (Hz)

Comprimento de onda

Frequência

c=νλ

Banda O Banda E Banda S Banda C Banda L Banda U

1260 1360 1460 1530 1565 1625 1675 λ(nm)


Largura de Banda de Transmissão

• A relação entre um espaçamento no domínio da frequência (Δν) e um espaçamento no domínio do comprimento de onda (Δλ) é dada por

onde λ0 é o comprimento de onda central na banda considerada e c é a velocidade de propagação da luz no vazio.

• A largura de banda total de transmissão correspondente às bandas do ITU é calculada na tabela seguinte:

λλ

ν Δ≅Δ 20

c

5.51501650UltralongU7.08601595LongL4.39351547.5ConventionalC9. 40701495ShortS15.091001410ExtendedE17.481001310OriginalO

Δν (THz)Δλ (nm)λ0 (nm)DesignaçãoBanda

Total

59 THz


Transmissão sobre Fibra Óptica


Elementos de uma Ligação Óptica

• Estrutura de uma ligação óptica

Emissor Óptico

Repetidor Receptor Óptico

t t

Sinal Eléctrico Sinal óptico

t

Sinal Eléctrico

Fibra óptica Conector

• Receptor óptico: consiste num fotodíodo, que é responsável por converter o sinal do domínio óptico para o domínio eléctrico, e por circuitos electrónicos apropriados para amplificar o sinal.

• Repetidor: pode ser um amplificador óptico, ou um regenerador; o primeiroamplifica o sinal óptico e o segundo dá ao sinal o formato original.

• Fibra óptica: consiste numa guia cilíndrico geralmente de vidro que permite a transmissão dos sinais ópticos à distância.

• Emissor óptico: consiste numa fonte óptica e em circuitos electrónicos; a fonte óptica é normalmente um díodo laser; faz a conversão dos sinais eléctricos em ópticos.


Vantagens das Fibras Ópticas

• Baixa atenuaçãoNa terceira janela (λ=1.55 μm) o coeficiente de atenuação tem um valor de cerca de 0.2 dB/km.

• Largura de banda elevadaA largura de banda disponível na terceira janela é de cerca de 200 nm (25 THz).Considerando a 2ª e 3ª janelas têm-se cerca de 400 nm (50 THz).

• Dimensões e peso reduzidosUm cabo óptico ocupa uma secção que é 1/10 da secção ocupada por um cabo coaxial e o seu peso é de cerca de 1/30.

• Imunidade à interferência electromagnéticaA sílica (SiO2) não é sensível à interferência electromagnética.

• Custo reduzidoAs fibras ópticas são fabricadas com vidro purificado, cuja matéria prima é a sílica.


Atenuação das Fibras versus Meios Metálicos

1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 Frequência (MHz)

100

α (dB/km) 50 20 10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.2 0.1

Fibra monomodal

Fibra multimodal de índice gradual

Cabo Coaxial

Par simétrico


Estrutura das Fibras Ópticas

• Um fibra óptica é um guia de ondas cilíndrico que guia as ondas luminosas ao longo do seu eixo. As fibras ópticas usadas nas telecomunicações são fabricadas usando vidro de sílica (SiO2).

• Estrutura genérica de uma fibra óptica:

• O índice de refracção n2 da bainha deve ser ligeiramente inferior ao do núcleo n1 para que haja condições para propagação da luz.

Núcleo

(GeO2/ SiO2)

Bainha

(SiO2)

Revestimento primário (polímeros)

2a

Perfil transversal Perfil longitudinal

Vidro núcleo (n1)

Vidro bainha (n2)

n1>n2


Estrutura das Fibras Ópticas (II)

• A variação do índice de refracção é dada por

n1: valor máximo do índice de refracção, a: raio do núcleo, g: parâmetro de perfil, Δ: diferença de índices normalizada

2a

Núcleo

(GeO2/ SiO

2)

Bainha

(SiO2)

( )⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

>Δ−=

≤⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛Δ−=

arnn

ararnrn

g

2/112

2/1

1

21

21)(

1

2121

22

21

2 nnn

nnn −

≈−

=Δ

Índice em degrau

a r

n(r)

g=1

g=2g=∞

Índice parabólico

Revestimento primário

interior Revestimento primário

exterior


Tipos de Fibras

• Fibra multimodal - Fibra com indíce em degrau- Fibra com índice de variação gradual (50 ou 62.5μm)

• Fibra monomodal- Fibra padrão ou G.652- Fibra de dispersão deslocada ou fibra G.653- Fibra de dispersão deslocada, com dispersão

não nula ou G655

125 μm

50 ou 62.5μm

125 μm

8.6 a 9.5 μm

405.2221 ≤Δ= anV

λπ

405.2221 >Δ= anV

λπ A maior dimensão do núcleo facilita a ligação

entre fibras ou entre estas e os transceptores

Ex: a=10 μm, n1=1.5, Δ=0.01 V=0.85 λ=1.55 μm V=2.49, λ=0.85 μm


Abertura Numérica

• O cone de aceitação de uma fibra óptica define um ângulo sólido segundo o qual toda a radiação incidente é transmitida pela fibra.

• A abertura numérica (AN) de uma fibra corresponde ao seno do ângulo de aceitação. Para uma fibra com índice em degrau têm-se

• Para garantir uma injecção de radiação na fibra dentro do cone de aceitação é conveniente usar uma lente convergente.

Cone de

aceitação

Bainha

Núcleoaθ

21

22

21

0

1

2 com ,2sin

nnn

nnAN a

−=ΔΔ== θ

n1

n0

n0 : índice de refracção do ar Δ: diferença de índices normalizada

Emissor Óptico

LenteValores típicos:

Fibra multimodal 62.5/125 →AN=0.275 Fibra multimodal 50/125 → AN=0.2 Fibra monomodal →AN=0.14


Propagação nos Diferentes Tipos de Fibras

Fonte: Wikipedia

Numa fibra óptica somente um número finito de raios a certos ângulos discretos têm possibilidade de se propagar. Esses ângulos estão relacionados com um padrão de distribuição do campo electromagnético

denominados modos.


Limitações das Fibras Ópticas

• Atenuação: Traduz-se na redução do valor da potência óptica com a propagação ao longo da fibra.

• Dispersão: Traduz-se na deformação da forma do pulso com a propagação ao longo da fibra. Pode ser intermodal ou intramodal.

t t

0 L

Pulso óptico na entrada

t t

0 L

Pulso óptico na saída

zFibra óptica de comprimento L

Devido à dispersão os pulso vizinhos passam a interferir entre si limitando a velocidade de transmissão

z


Caracterização da Atenuação

• A atenuação (Af) é uma medida da perda de potência do sinal óptico resultante da propagação ao longo da fibra óptica e exprime-se usualmente em decibel (dB), ou seja

• É usual nas comunicações em fibra óptica exprimir a potência óptica em dBm, definida como sendo o nível de potência, em escala logarítmica, medido relativamente a 1 mW, ou seja

• Por sua vez

• A fibra óptica é caracterizada em termos do coeficiente de atenuação, definido como sendo a atenuação por unidade de comprimento, ou seja

)()0(log10

LppA

o

of = po(0): potência na entrada em mW

po(L): potência na saída em mW

mW 1log10dBm)(0

opP =0 dBm = 1 mw30 dBm= 1W

dB)((dBm))0(dBm))(( foo APLP −=

(km)/)dB((dB/km) LAf=α


Atenuação em Função do Comprimento de Onda

• A atenuação das fibras ópticas de sílica varia em função do comprimento de onda e apresenta um mínimo em cerca de 1.55 μm.

O limite fundamental para o coeficiente de atenuação das fibras de sílica em 1.55 μm é de 0.16 dB/km. O valor típico desse coeficiente, para 1.55 μm, para as fibras disponíveis no mercado é à volta de 0.2 dB/km, mas é possível encontrar fibras com valores entre 0.17- 0.18 dB/km.

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6Comprimento de onda (μm)

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

Coe

ficie

nte

de a

tenu

ação

(dB

/km

)

Difusão de Rayleigh

Absorção no infravermelho

Absorção OH

0

1

2

3

4

5

0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Comprimento de Onda (μm)

nm dB/km

850 1.811300 0.351310 0.341383 0.291550 0.191625 0.21

Fibra óptica monomodal Corning SMF-28e

(fibra seca)

Coe

ficie

nte

de A

tenu

ação

(dB

/km

)

Absorção ultravioleta


Física da Atenuação

• A atenuação num fibra óptica deve-se fundamentalmente a três fenómenos: absorção do material, difusão de Rayleigh e perdas nascurvas.

• Absorção do material: Traduz-se na conversão da energia luminosa em outra forma de energia.

• Difusão de Rayleigh: Resulta do facto da densidade do material não ser homogéneo o que conduz a flutuações microscópicas do índice de refracção. Essas flutuações originam difusão da radiação em todas as direcções e constituem o principal factor de atenuação nas fibras até lambdas da ordem de 1.6 μm.

A absorção do material é devida a dois factores: as propriedades intrínsecas do material de fibra (intrínseca) e devida à presença de impurezas (extrínseca). A absorção intrínseca resulta de ressonâncias electrónicas no domínio do ultravioleta e de ressonâncias vibracionais no domínio do infravermelho. A absorção extrínseca resulta hoje em dia fundamentalmente da presença de iões OH, os quais conduzem a uma forte absorção em 1. 39 μm. Hoje em dia, já se produzem fibras em que essa absorção é praticamente eliminada (fibras secas).


Perdas nas Curvas

• Na presença de curvas a fibra óptica está sujeita a perdas radiativas. Estas perdas podem ser significativas se o raio de curvatura forinferior a poucos centímetros (cerca de 3 cm).

• Este problema levou ao desenvolvimento de fibras quase insensíveis às curvas, à custa do aumento da complexidade da estrutura da fibra.

Fonte: Ming-Jun Li,” Bend-insensitive optical fibers simplify fiber-to-the-home installations” , Optoelectronics & Optical Communications, 21 Abril2008, SPIE .

Fibra insensível a curvas

Fibra padrão


Vantagens das Fibras Insensíveis a Curvas

O desenvolvimento de fibras tolerantes a curvas permitiu reduzir a dimensão dos armários de rua e veio facilitar significativamente a extensão da fibra óptica até à casa dos utilizadores.

Fonte: H. Kogelnik, OFC2008


Dispersão Intermodal

• A dispersão intermodal só ocorre nas fibras ópticas multimodais e resulta do facto de diferentes modos terem diferentes tempos de propagação.

• O alargamento do pulso, definido a meia potência é aproximado por

• O desvio padrão do alargamento devido à dispersão intermodal é definido por

• O produto largura de banda óptica×comprimento da fibra é dado por

Bainhat

t

1

δτ

cθ

τmin

τmax

degrau em índice : 1minmax Δ≈−= ncLττδτ parabólico índice :

102

1minmax Δ≈−= nc

Lττδτ

resrectangula pulsos: 32int

δτσ =er gaussianos pulsos: 2ln22int

δτσ =er

degrau em índice : 44.0

10 Δ

≈×n

cLB parabólico índice : 4.42

10 Δ

≈×n

cLB

0.5

LP0

P0


Dispersão Intramodal

• A dispersão intramodal ou cromática resulta do facto de diferentes comprimentos de onda de um modo apresentarem diferentes velocidades de propagação na fibra.

• Um sinal com uma largura espectral Δλ apresenta um alargamento temporal a meia potência Δτ (ou σintra quando expresso em desvio padrão).

n(λ)

Comprimento de onda

vg

Comprimento de onda

λ=1.3 μm

gg

LvL ττ == :propagação de Tempo

λλλτ

τ λ Δ=Δ=Δ LDLdd g

λλ σσ LDra =int [ ] cromática dispersão de parâmetro:ps/(nm.km)λD

1.3 μm 1.55 μm λ

0

G.652

G.655

G.653

Atraso de grupo

Fibra G.652

Dλ


Produto Débito Binário×Comprimento

• O débito binário de um sistema de transmissão digital óptico é limitado pela dispersão devida à fibra óptica. Para impedir que a interferência intersimbólica seja elevada é necessário garantir que o alargamento do pulso seja inferior ao período de bit (Tb=1/Db), sendo usada normalmente a seguinte regra

com : monomodais e :multimodais

• Para o caso das fontes com largura espectral elevada (LED, Laser FP, Laser DFB com modulação directa) obtém-se (fibras monomodais)

• Para o caso de fontes com largura espectral reduzida (Laser DFB+modulador externo) (fibras monomodais)

• Para um débito de 10 Gbit/s tem-se no primeiro caso um comprimento máximo da ligação de cerca de 14.7 km e no segundo caso de 66.6 km.

dbD

σ41

≤

λλσDLDb 4

1≤× nm) 1.0 ,ps/(nm.km) 17D m, 55.1( === λλ σμλ kmGbit/s 147 ×≤× LDb

22

12 λπ

λDcLDb ≤× )ps/(nm.km) 17D m, 55.1( == λμλ km(Gbit/s) 1066.6 232 ××≤× LDb

intrad σσ = )( 2int

2int raerd σσσ +=


Limites do Parâmetro de Dispersão:ITU-T

• Os valores máximos do parâmetro dispersão são fixados pelo ITU-T (International Telecommunications Union- TelecommunicationSector). A recomendação G-652 impõe o seguinte limite para uma fibra padrão operando entre 1260 e 1360 nm, com um comprimento de onda de dispersão nula (λ0) entre λ0min =1300nm e λ0max=1324 nm.

• Para fibras com dispersão deslocada a recomendação G-653 impõe

onde λ0 é o comprimento de onda de dispersão nula (≈1.55μm) e λ é o comprimento de onda de trabalho.

.km)m0.093ps/(n:)nula(S dispersão de Declive ,ps/(nm.km) 4

203

400 ≤⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−=

λλλλ

SD

( ) .km)ps/(nm085.0S ,ps/(nm.km) 2000 ≤−= λλλ SD

1200≤ λ≤ 1600 nm


Compensação de Dispersão

• Para aumentar a distância entre os regeneradores para além dos limites impostos pela dispersão pode-se usar técnicas apropriadas para compensar os efeitos da dispersão.

• Fibra compensadora de dispersãoFibra com um parâmetro de dispersão negativo elevado na região de 1550 nm.

• Gestão de dispersãoTroços de fibra com dispersão alternadamente positiva e negativa.

Fibra monomodal padrão (L, Dλ) L

c, D

λc

Dλ

l

LL+L

c l

0=+ ccLDLD λλ

Fibra compensadora de dispersão

Dλ

l

l

L1

, D λ1

L2

, D λ2

L1

, D λ1

L2

, D λ2

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=nm.dB

psmérito deFactor c

cDα

λ

Fibra com parâmetro de dispersão negativa

Fibra com parâmetro de dispersão positiva

02211 =+ LDLD λλ

Razão de compensação

LDLDDCR cc

λ

λ=


Bandas de Utilização das Fibras

WDM, LANPON

Monomodal(G.652)

1460-1530SSexta

WDMMonomodal(All Wave)

1350-1450EQuinta

WDMMonomodal(G.653)

1565-1625LQuarta

Mono –λe WDM

Monomodal(G.655)

1530-1565CTerceira

Mono –λPON, Ethernet

Monomodal(G.652)

1260-1360OSegunda

LAN, EthernetEx:1000 Base-Sx

Multimodal820-900__Primeira

AplicaçõesTipo de fibraBanda (nm)DesignaçãoJanela


Ligação de Fibras Ópticas

• As fibras ópticas são fabricadas com comprimentos que variam entre cerca de 2 e 50 km. Para distâncias maiores é necessário ligar diferentes troços.

• As ligações podem ser permanentes (juntas), ou temporárias. As primeiras são realizadas por fusão das extremidades da fibra, enquanto as segundas são realizadas com fichas (ou conectores).

• As juntas apresentam perdas de inserção inferiores a 0.1 dB e as fichas entre 0.1 e 0.3 dB.

Fonte: Yamasaki

Máquina de fusão Fichas ST Fichas FC


Estrutura dos Cabos Ópticos

• Os cabos ópticos são projectados tendo presentes dois aspectos:1) Minimizar a atenuação adicional resultante do fabrico e uso do cabo;2) Manter a integridade física da fibra (na instalação e em serviço).

• O cabo é revestido no exterior por uma bainha para proteger o cabo de efeitos mecânicos, térmicos, químicos ainda da humidade. No caso dos cabos submarinos têm-se também uma blindagem metálica para aumentar a resistência mecânica.

• Há cabos que podem ter várias dezenas (mesmo centenas) de fibras ópticas. Os cabos com mais de 24 fibras estão organizados em subunidades.

Tensor central

Bainha do cabo (polietileno

Membro reforçador (dieléctrico ou metálico)

Fibra com revestimento secundário

Subunidade com várias fibras


Cabos de Fibra Óptica

Fonte: H. Kogelnik, OFC2008

Cabo de distribuiçãoCabo de distribuição

Cabo aéreo

Cabo blindado


Acopladores

• O acoplador direccional é usado para combinar e derivar sinais nas redes ópticas.

Parâmetros: Coeficiente de acoplamento:Perdas em excesso:

• Combinando de modo apropriado acopladores direccionais é possível construir repartidores ópticos passivos 1:N.Repartidor óptico passivo 1x8:

Comprimento de acoplamento

Entrada 1

Entrada 2

Saída 1

Saída 2

P1

P4

P2

P3

3

1log10PPC =

32

1log10PP

PAd +=

Po/8

Po/8

Po/8

Po/8

Po

Atenuação total do repartidor 1xN

)log(10log2 NANA dt +×=


Componentes Optoelectrónicos e Sistemas


Princípios Físicos• O princípio de operação dos diferentes componentes optoelectrónicos é

resultado de três processos: absorção, emissão espontânea, emissão estimulada.

• Representação num diagrama com dois níveis energéticos:

• No processo de absorção têm-se a transição de um electrão do estado fundamental para o estado excitado através da absorção de um fotão.

• Na emissão espontânea o electrão decai espontaneamente para o estado fundamental originando um fotão.

• Na emissão estimulada o decaimento do electrão dá-se pela acção de um fotão estimulante. As ondas associadas aos dois fotões têm a mesma fase e frequência.

hν12

E2

E1

hν12

E2

E1

hν12

E2

E1

hν12

Fotão de energia hν12 =E2-E1

Absorção Emissão espontânea Emissão estimulada

Aos dois fotões corresponde a mesma

fase e frequência


Ganho Óptico em Dispositivos de Semicondutor

• O ganho óptico é obtido por emissão estimulada de radiação, em dispositivos derivados da junção p-n, ou seja os electrões na banda de condução decaem para a banda de valência emitindo radiação (fotões) coerente (mesma direcção frequência, fase e polarização) com a radiação incidente.

• Para que haja emissão estimulada permanente é necessário garantir que a concentração de electrões na banda de condução é muito elevada (inversão de população) através de uma corrente de polarização directa suficientemente elevada.

Meio

Amplificador

Radiação luminosa incidente Radiação coerente com a

radiação incidente

Ene

rgia

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

_ _ _ _ _

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Banda de condução

electrões

Banda de valência

lacunas

Equilíbrio térmico Inversão de população

Eg

Frequência do sinal a amplificar

hEg

s >ν


Homo e Heterojunções

• Para reduzir a corrente de injecção necessária para originar inversão de população usam-se heterojunções em vez de uma simples junção p-n.

p

n

corrente de injecção

Homojunção

P (InGaAsP)

corrente de injecção

Heterojunção

P (InP)

n (InGaAsP)n (InP)

RegiãoActiva

y

zx

yd

Região activa

yd

Região activa

Pot

ênci

a óp

tica

Pot

ênci

a óp

tica

yd

Ìndi

cede

re

fracç

ão

yd

Ìndi

cede

re

fracç

ão


Díodo Laser

• O LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) é um oscilador óptico e é constituído por um amplificador óptico inserido numa cavidade reflectora, a qual origina realimentação positiva.

• Os díodos laser usam uma cavidade de Fabry-Perot como cavidade ressonante. As faces do material semicondutor constituem as superfícies semi-reflectoras (espelhos) da cavidade.

Amplificador de fibra dopada Laser de Fibra

Amplificador de semicondutor

Laser de Semicondutor (Díodo Laser)

Corrente de injecção (I)

R1

R2

Região activa Sinal óptico emitido

L IthPo

tênc

ia Ó

ptic

a(P

o)Corrente Eléctrica (I)

Po/2Po/2 I <Ith: emissão espontânea I≥Ith: emissão estimulada


Estrutura de uma Fonte Óptica

• Uma fonte óptica inclui a estrutura modular do laser, o circuito de excitação (responsável pela modulação do sinal óptico), o circuito de controlo de potência e o circuito de controlo de temperatura.

Díodo Laser

Adaptação óptica

PIN

Circuito de excitação

Controlo de potência

Elemento de Peltier

Termistor

Controlo de temperatura

V

t

Guia térmico

Fibra óptica

Estrutura modular do laser

Estrutura modular de um laser


Fotodetecção e Materiais Usados

• No processo de fotodetecção os fotões absorvidos pelo material semicondutor fazem transitar electrões da banda de valência para a de condução desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico.

• Os valores críticos de alguns materiais são os seguintes:

• Os semicondutores Si e GaAs não podem ser usados para realizar fotodetectores nas janelas de 1.3 e 1.55 μm.

J.s1063.6 , 34−×==< hEhc

gcλλ

Ec

Ev

Eg

Banda de condução

Banda de valência+

_Fotão

Par electrão-lacuna

Material

Eg (eV)

λc(μm)

Si

1.1

1.1

Ge

0.72

1.7

Ga As

1.43

0.87

Gax In1-x As

1.43 - 0.36

0.87-3.44

Gax In1-x As1-x P1-Y

1.35 - 0.36

0.92 - 3.44


Fotodetecção

• No processo de fotodetecção os fotões absorvidos pelo material semicondutor fazem transitar electrões da banda de valência para a de condução desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico.

• Fotodíodos PINOs fotodíodos PIN são baseados numa junção p-n com material intrínseco (I) colocado entre os dois tipos de semicondutor. A junção é polarizada inversamente.

J.s1063.6 , 34−×==< hEhc

gcλλ

Ec

Ev

Eg

Banda de condução

Banda de valência+

_Fotão


InP

InP p

n

+

InPAs i Região de absorção

Região de depleção

Campo Eléctrico

x

O campo eléctrico é intenso em quase toda a região de absorção.


Caracterização dos Fotodetectores

• Num fotodíodo PIN ideal por cada fotão incidente na região de absorção seria originado uma par electrão-lacuna na região de depleção. Num PIN real a eficiência de conversão η (designada por eficiência quântica) é inferior a um.

• Num fotodetector APD (Avalanche Photodiode) o processo de multiplicação por avalanche é caracterizado por um ganho m(t) aleatório com valor médio M.

PINPotência óptica incidente, Po Foto-corrente, I

η, Rλ

νη

hPqI

o //

incidentes fotões de ritmolacuna-electrão pares de geração de ritmo

== q=carga do electrão=1.602×10-19 C

ν:frequência da radiação óptica[ ]1.24

mμληηλ ===

hvq

PIRo

Respostividade (A/W)

h=constante de Planck=6.626×10-34 J.s

+ _

+ _

+ _

Fotão incidente


Ionização por impacto

Multiplicação de avalanche

Corrente instantânea: 0)()( PtmRti λ=

Corrente média: 0MPRiI λ>==<


Caracterização do Sinal Recebido

• Admitindo que o fotodetector é um PIN a corrente na sua saída tem a contribuição do sinal e do ruído quântico. Essa corrente é dada,respectivamente, para o nível lógico 1 (i1(t)) e para o nível 0 (i0(t)) por

• Tendo presente que o receptor introduz ruído de circuito, a corrente na saída do filtro (para os dois níveis lógicos) é dada por

)()1()( :1 lógico nível 11 tiPRti qr += λ )()0()( :0 lógico nível 00 tiPRti qr += λ

)()( :1 lógico nível 111 tnIti += )()( :0 lógico nível 00 tnIti o +=

Valor médio da corrente para o nível 0

Valor médio da corrente para o nível 1

Corrente de ruído para o nível 1 Corrente de ruído para o nível 0

Tempo

Cor

rent

e

I1

I0Limiar de decisãoD

t0

Instante de decisão

I1

I0

D

p(I|1)

p(I|o)

I

Densidade de probabilidade

σ1

σ0


Estatística do Sinal Amostrado

• O sinal i(t) é aplicado à entrada de um regenerador, cujo esquema de blocos é o seguinte:

• Admite-se que a amostra i(t0) tem uma distribuição Gaussiana com média I1 e variância σ1

2=<n12> para o nível lógico 1 e média I0 e variância σ0

2=<n02> para o

nível lógico 0.

AmostragemDecisão e formatação

do pulso

Recuperação de relógio

i(t) i(t0) i(t0)> D simbolo 1

i(t0)< D simbolo 0

221,

21 cq σσσ += 22

0,20 cq σσσ +=

nerq BPqR ,2

1, )1(2 λσ = nerq BPqR ,2

0, )0(2 λσ = bnenBc RBTfk /4 ,2 =σ

Be,n: largura de banda de ruído do receptor; fn: factor de ruído do receptor; Rb:resistência de polarização do fotodetector; T :Temperatura em K; KB: constante de Boltzmann (1.38 ×10-23 J/K)


Avaliação de Desempenho

• A probabilidade de erro é dada por

• Admitindo a equiprobabilidade dos símbolos, obtém-se para a probabilidade de erro, ou BER (razão de erros binários) a seguinte expressão:

• A função complementar de erro é definida por

• O limiar de decisão óptimo (Dop) que minimiza o BER, corresponde a fazer Pr(0/1)=Pr(1/0).

)0/1()1/0Pr( 01 re PppP +=

p1:probabilidade a priori de enviar o símbolo “1”

p0:probabilidade a priori de enviar o símbolo “0”

Pr(0/1):probabilidade de decidir pelo “0” tendo enviado o “1”

Pr(1/0):probabilidade de decidir pelo “1” tendo enviado o “0”

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −+⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡ −=

2erfc

41

2erfc

41

1

1

0

0

σσDIIDPe

∫∞

−=x

t dtex22)(erfc

π3 )(erfc

2

≥≈−

xxex

x

π

QDIID op

o

op =−

=−

1

10

σσ 01

0110

σσσσ

++

=IIDop

01

01

σσ +−

=IIQ ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=

2erfc

21 QPe

x=4.5, erfc(x)=1.966x10-10

x=4.7, erfc(x)=2.995x10-11

x=5.0, erfc(x)=1.538x10-12


Sensibilidade

• A sensibilidade do receptor ( ) é definida como a potência óptica mínima necessária para obter um valor de Pe , normalmente para 10-12 (Q≈7).

• Para um receptor baseado num fotodíodo PIN o ruído quântico édesprezável. Nesta situação a sensibilidade do receptor é aproximada por

• A sensibilidade do receptor com PIN diminui com a raiz do débito binário.

rP

λ

σR

QrrPPP c

rrr

2

11)0(

21)1(

21

−+

=+=

Ruído de circuito brancobner DBP ∝∝ ,

Um receptor é mais sensível quando necessita de menor potência para garantir o mesmo desempenho.

Débito Binário Tipo Sensibilidade Sobrecarga

155 Mbit/s pinFET -36 dBm -7 dBm

622 Mbit/s pinFET -32 dBm -7 dBm

10 Gbit/s pin -20 dBm 0 dBm

Sensibilidade de receptores que operam a 1.55 μm

Sobrecarga:valormáximo da potência na entrada do fotodetector


Transmissão Digital Óptica

• Considera-se um sistema de transmissão digital óptico com compensação da dispersão, através de uma fibra compensadora de dispersão (DCF):

• As fontes ópticas podem ser de três tipos: LED, Laser modulado directamente e laser+modulador externo.

Filtro

v(t)Fonte óptica

Fibra Óptica

Juntas

Ps(0)

Ps(1)Pr(0)

Pr(1)

DCF

Corrente I

t

t

P0

t

t

V

P0

P0

Modulador externo

Laser modulado directamente

Laser + modulador

externo

Receptor óptico

RegeneradorPré-amplificador

Fotodíodo

BER

Razão de extinção (r) =Ps(0)/Ps(1)


Dimensionamento de Ligações sem Amplificação

• Ligação limitada pela atenuação

• Atenuação total

• Balanço de potência

Fonte óptica

Fibra Óptica

n juntas

Receptor óptico

sP rPcA

jnAAcoplador

L

cjt AnALA 2)dB( ++= α

Ligações ponto-a-ponto

NNAAnALA dcjt log10log4)dB( 2 ++++= α

Ligações ponto-a-multiponto (1XN)

Sensibilidade

Sobrecarga

Potência mínima

Potência máxima

Penalidade de caminho óptico

Atenuação máxima (Amax )

Atenuação mínima(Amin )

)( LDPr λΔ

rss PmínPG −= )(Ganho do sistema em potência

)( LDPAGM rtss λΔ−−=Margem do sistema

Inclui a margem de segurança necessária para suportar variações dos parâmetros devido a variações de temperatura e envelhecimento

Devida à dispersão e às reflexões.


Sistemas com Amplificação e Regeneração

• Sistemas com amplificação ópticaUsam-se amplificadores ópticos para compensar a atenuação da fibra óptica. O processo de amplificação têm lugar no domínio óptico.

• Sistemas com regeneradoresOs regeneradores usam-se para combater a distorção (deformação) do sinal devida à dispersão da fibra óptica. O processo de regeneração tem lugar no domínio eléctrico. É necessário converter o sinal do domínio óptico para o eléctrico e vice-versa.

Emissor óptico

Fibra óptica

Receptor óptico

Amplificador óptico

GG

Emissor óptico

Fibra óptica

Receptor óptico

R R

Regenerador


Tipos de Amplificadores Ópticos

• Amplificador de fibra dopada A amplificação tem lugar num troço de fibra dopada (érbio para a banda de 1.55 μm e neodímio para a banda de 1.3 μm). A alimentação é feita por um laser.

• Amplificador de RamanA amplificação tem lugar na fibra óptica usada na transmissão do sinal óptico através do efeito de Raman.

• Amplificador de semicondutor (SOA, semiconductor optical amplifier)A amplificação tem lugar numa heterojunçãode material semicondutor, acoplada à fibra óptica.

Lase

r

Fibra dopadaSinal óptico de entrada Sinal óptico de saída

Laser bombeadorAcoplador

Lase

rFibra óptica

Sinal óptico de entrada Sinal óptico de saída

Laser bombeador

Acoplador

Fibra óptica

Corrente de injecção

Fibra óptica


Fundamentos dos EDFAs

• O amplificador de fibra dopada a érbio ou EDFA (Erbium-doped fibre amplifier) é construído dopando a parte central do núcleo (diâmetro de cerca de 2.5 μm) de uma fibra óptica de sílica com iões de érbio (Er3+).

• O iões de érbio são activados pela energia fornecida por um laser bombeador, permitindo criar uma inversão de população, e realizar amplificação por emissão estimulada. O EDFA é usualmente bombeado por lasers de semicondutor operando a 980 nm ou 1480 nm.

• O ganho do amplificador permanece insensível às variações do sinal de entrada, desde que estas sejam mais rápidas do que o tempo de fluorescência (τ) .

980 nm

1480 nm

Transição não radiativa (1μs)

Emissão estimulada (1520 –1570 nm) τ = 14 ms

Bombeamento energético

4I11/2

4I13/2

4I15/2

O bombeamento é usado para excitar os iões de érbio da banda fundamental para a banda excitada de maior energia (4I11/2 ). Os iões excitados decaem rapidamente dessa banda para a banda 4I13/2 , designada por metaestável. Esta banda é caracterizado por um tempo médio de fluorescência (τ) longo de 14 ms, permitindo realizar uma inversão de população.


Redes WDM e OTN


Sistema WDM Ponto-a-Ponto

• Os elementos essenciais de um sistema de multiplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDM (Wavelength Division Multiplexing) são os multiplexadores (MUX), responsáveis por agregar vários canais ópticos (comprimentos de onda) num único sinal multiplexer e os desmultiplexadores (DMUX) que realizam a operação inversa.

• Sistemas DWDM ( Dense WDM) ponto-a-ponto comerciais de ponta (2007)

MUX EDFA

λ1 Sinal multiplex ⇒ λ1, λ2 ,λ3,..., λN

EDFA EDFA DMUX

Laser 1

Laser 2

Laser N

λ2

λN

Receptor Óptico 1

Receptor Óptico 2

Receptor Óptico N

λ1

λ2

λNFibra óptica monomodal

80 λs × 40 Gb/s 3.2Tb/sMarconi MHL 3000 CoreEricsson

80 λs × 10 Gb/s320 λs × 2.5 Gb/s

0.8 Tb/sOptical Long Haul 1600Nortel

64 λs × 40 Gb/s 128 λs × 10 Gb/s

2.56 Tb/s 1.28 Tb/s

1625 Lambda Extreme Transport

Alcatel-Lucent

192 λs × 10 Gb/s 1.9 Tb/sCoreStreamCiena

Número de λsCapacidadeEquipamentoFabricante


Técnicas de Multiplexagem WDM

• A multiplexagem por divisão de comprimento de onda ou WDM (WavelengthDivision Multiplexing) pode ser efectuada recorrendo a dois métodos.

• Na multiplexagem selectiva usam-se dispositivos baseados nas grelhas difractoras ou AWG. A principal vantagem desta solução é que as perdas sãoindependentes do número de comprimentos de onda usados.

• Na multiplexagem não selectiva a separação dos canais é feita usando filtros ópticos. Neste caso as perdas dependem do número de λs.

Pλ1

Pλ2

PλΝ

α(Pλ1+ Pλ2+ .....+ PλΝ) α2 Pλ1

α2 Pλ2

α2 PλΝMultiplexador Desmultiplexador

Fibra Óptica

MUX

DMUX

Multiplexagem selectiva

Pλ1

Pλ2

PλΝ

(Pλ1+ Pλ2+ .....+ PλΝ)/Ν

Pλ1/Ν2

Pλ2/Ν2

PλΝ/Ν2

Combinadoróptico

Derivadoróptico

Filtros ópticosselectores de canal

COM

DER

Multiplexagem não selectiva

α : perdas


Multiplexagem Selectiva

• MUX/DEMUX baseados em grelhas difractoras

• MUX/DEMUX baseados em AWG (arrayed waveguide grating)

Fibras ópticas

λ1

λ2

λN

λ1+ λ2+.... λN

LenteGrelhas difractoras

Um sinal de luz policromático ao incidir numa grelha difractora é difractada e dirigida para diferentes pontos no espaço.

Todos os comprimentos de onda são focados no mesmo ponto focal e acoplados a uma fibra óptica.

MUX

DMUX

Acoplador em estrela

Acoplador em estrela

λ1 λ

2λ

3λ

4λ

5λ

1

λ2

λ3

λ4

λ5

Foram fabricados AWGs para 256 canais (comprimentos de onda), com um espaçamento entre canais de 0.2 nm (25 GHz), perdas de inserção de cerca de 5 dB e crosstalk< 33 dB.

Tran

smitâ

ncia

(dB

)

ff1

f2

f3

f4

f5

f2+FSR

crosstalk

0 Perdas

Desmultiplexagem

FreeSpectralRange


Normalização dos Comprimentos de Onda

• A normalização dos comprimentos de onda a usar nas redes WDM é importante para garantir a interligação de equipamentos de diferentes fabricantes e permitir aos fabricantes a redução dos custos de fabrico.

• A normalização de comprimento de onda é feita pela norma G.692 do ITU-T e usa um espaçamento idêntico na frequência para essa normalização. Os canais são colocados numa grelha de 50 GHz (≈ 0.4 nm), com a frequência central nominal de 193.1 THz (1552.52 nm).

• Outro parâmetro importante é o desvio máximo da frequência nominal de canal. Este desvio não deve ser muito elevado, caso contrário contribui para aumentar o crosstalk e as perdas. Para Δf≥200 GHz o ITU-T especificou um desvio máximo de ±Δf/5.

frequência

193.1 THz

50 GHz50 GHz50 GHz


Papel da Rede de Transporte Óptica

ADM1

ADM2

ADM3

ADM4

Rede de Serviços

Rede de Transporte SDH

(Rede IP)

Router A

Router B

Router C

OADMOXC

Rede de Transporte WDM

OADM

OADM

OADM OADMOADM

OADM

OTM

Router D

Router ERouter F

Caminho Óptico ( router D→router F)

OADM: multiplexador de inserção/extracção óptico

OTM: multiplexador óptico terminal

OXC: comutador de cruzamento óptico

Caminho Óptico (ADM1 →ADM3)


Elementos de Rede Ópticas

• Os elementos de uma rede óptica incluem amplificadores ópticos (OA), multiplexadores ópticos terminais (OTM, optical terminal multiplexer), multiplexadores de inserção/extracção (OADM, optical add/drop multiplexers) e cruzadores ópticos (OXC, optical crossconnects).

• Esses elementos de rede estão interligados entre si através de fibras ópticas de acordo com determinada topologia física (anel, malha, etc.).

• Os OLTs multiplexam diferentes comprimentos de onda num fibra óptica e também desmultiplexam um sinal WDM nos comprimentos de onda individuais.

• Os OADMs são usados em pontos da rede em que é necessária terminal localmente uma certa fracção dos comprimentos de onda transmitidos. São usados nas redes em anel.

• Os OXCs são usados quando é necessário comutar comprimentos de onda de uma fibra, para outra fibra, como é o caso das redes em malha.


Amplificadores Ópticos de Linha

• Os amplificadores ópticos de linha são colocados no meio das vias ópticas, a intervalos periódicos, tipicamente entre 80-120 km.

• Este amplificadores normalmente incluem dois blocos de amplificação EDFA, e um compensador de dispersão situado entre esses blocos. No caso dos amplificadores usados nas banda C e L, essas bandas são separadas na entrada e usam-se diferentes EDFAs para cada banda.

• O canal de supervisão óptica é extraído e terminado na entrada do amplificador e é adicionado na saída. Este canal é usado para controlar e monitorizar o desempenho dos amplificadores ópticos. É transportado num comprimento de onda diferente do usado para o tráfico.

Receptor Laser

λso

λ1, λ2,... λN

λsoCompensaçãode dispersão

EDFA EDFA

Terminação do canal de supervisão óptica

Adição do canal de supervisão óptica


Multiplexador Óptico Terminal (OTM)

• O multiplexador óptico terminal é usado nas extremidades das ligações ponto-a-ponto para multiplexar e desmultiplexar diferentes comprimentos de onda. Inclui três elementos funcionais: transponder, multiplexador WDM e amplificador óptico.

• A adaptação realizada pelos transponder corresponde às seguintes funções:- Alteração dos comprimentos de onda, de modo a ter na saída λs ITU-T;- Adição de cabeçalhos para funções de gestão;- Adição de códigos FEC (forward error correction);- Monitorização do BER (bit error rate).

MUX EDFA

Laser

λsoAdição do canal de supervisão óptica

O/E/O

Multiplexador óptico terminal

O/E/OITU λ2

ITU λ3

Router IP

ADM SDH

ADM SDH

ITU λ1Não é ITU λ

Não é ITU λλ1, λ2 ,λ3, λso

Transponder

Função de adaptação


Tipos de OADMs

• Num OADM o sinal WDM é desmultiplexado e os comprimentos de onda que requerem processamento local são extraídos e posteriormente inseridos. Os restantes comprimentos passam directamente do DMUX para o MUX.

• Os OADMs podem ser fixos ou reconfiguráveis. Nos primeiros o conjunto dos comprimentos de onda extraídos/inseridos é fixo, enquanto nos segundos pode ser alterado em resposta a mudanças nos padrões de tráfego.

λN

λ2λ2

λ1

DMUX

λ1

MUX

Inserção

λ1, λ2,.. λN λ1, λ2,.. λN

OADM fixo

λN

λ2

λ1

MUXλ1, λ2,.. λN

OADM reconfigurável

DMUX

Comutador ópticoTransponders (O/E/O) Transponders(O/E/O)

Extracção


Estrutura de um ROADM

• Estrutura de um ROADM (Reconfigurable OADM)

WADD: wavelength add/drop device → Dispositivo usado para inserir/extrair lambdas

OA: Optical amplifier: amplificador óptico tipo EDFA.

Fonte: I. Kaminow et al., Optical FiberTelecommunications V. B, Fig. 8.2

Comprimento de onda expresso


Configurações de OXCs

• A configuração de um OXC pode ser opaca ou transparente. Nas configurações opacas há conversões O/E ou E/O dentro do OXC,enquanto nas transparentes a configuração é totalmente óptica.

• Um OXC é constituído por vários OTMs, que realizem entre outras as funções de multiplexagem/desmultiplexagem, e por uma matriz de comutação. A matriz de comutação pode ser óptica ou eléctrica.

Matriz de comutação

óptica

λ1, λ2, λ3λ1

λ2

λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1

λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

OTM

OTM

OTM

OTM

OTM

OTM

Matriz de comutação

eléctrica

λ1, λ2, λ3λ1

λ2

λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1, λ2, λ3

λ1

λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

λ1 λ2

λ3

λ1

λ2

λ3

OTM

OTM

OTM

OTM

OTM

OTM

OXC com comutação óptica OXC com comutação eléctrica

Conversão O/E Conversão E/OGera λs ITU- não usa transponders


Exemplo de Comutadores Ópticos (MEMS)

• Comutadores basedos em sistemas micro-electro-mecânicosOs sistemas micro-electro-mecânicos ou MEMS (micro-electro-mechanical systems) são dispositivos mecânicos em miniatura fabricados usando substratos de silício. Os comutadores MEMS consistem em espelhos miniatura movíveis com dimensões da ordem das centenas de micrómetro.

• A estrutura mais simples é a do espelho 2D . Num estado o espelho está paralelo com o substrato não deflectindo o feixe de luz. No outro estado o espelho move-se para uma posição vertical e o feixe de luz é deflectido. Noutra estrutura o espelho pode rodar em torno de dois eixos de modo contínuo. Designa-se por espelho 3D. O tempo de comutação de um estado para outro é de cerca de 10 ms em ambas as estruturas.

Conjunto de micro-espelhos movíveis desenvolvidos num substrato de silício (Lucent)

Os micro-espelhos são deflectidos de uma posição para outra usando técnicas electromagnéticas, electro-ópticas ou piezoeléctricas.


Comutadores Ópticos com MEMS

• Comutadores com espelhos 2D

• Comutadores com espelhos 3D

O comutador baseado em espelhos 2D usa uma arquitectura barra-cruzada. Na configuração com fibras ópticas nas entradas e nas saídas é necessário colimar os feixes na saída e na entrada das fibras para reduzir a sua divergência.

A dimensão máxima dos comutadores deste tipo que é possível fabricar num único substrato está limitada a dimensões entre 32x32 a 64x64.

Um espelho 3D permite implementar um comutador 1xN. Na figura ao lado representa-se um comutador 1152x1152 (Xros) baseado numa arquitectura de Spanke, e fazendo uso de duas matrizes de espelhos 3D cada uma com 1152 espelhos.

Fibras de entrada

Fibras de saída

Matriz de espelhos


Transparência das Redes Ópticas

• Uma das grandes vantagens da redes ópticas é ser transparente aos serviços. O utilizador pode enviar informação digital a qualquer débito (dentro de certos limites), usando qualquer formato, ou qualquer tipo de protocolo. Pode também transmitir informação analógica.

• Associada à transparência está o conceito de rede totalmente óptica. Nesta rede a informação é transmitida da fonte para o destino num formato óptico, sem qualquer conversão O/E, ou E/O dentro da rede. Estas redes designam-se por totalmente transparentes.

• Estas rede totalmente transparentes não usam regeneração e por isso comportam-se como rede analógicas onde os factores degradadores (ruído, distorção, interferência, etc )são acumulados, o que limita a sua extensão. Enquanto não for possível dispor de regeneradores ópticos será de esperar a existência de alguma conversão opto-electrónica dentro das redes.

OADM

OADM

OADM

OADM OADMOADM

OADM

Processamento opto-electrónico (regeneração)

OXC

Cliente da rede ópticaCliente da

rede óptica

Sub-rede óptica totalmente transparente

Sub-rede óptica totalmente transparente


Elemento de Rede SDH-NG+WDM

• Multiservice Transport Platform (MSTP)

• Um MSTP resulta da adição a um MSPP de funções de inserção extracção no domínio óptico.

• Permite o provisionamento de comprimentos de onda extremo-a extremo ao longo de uma rede, evitando o uso de transponders para para funções de conversão O-E-O.

• Tipicamente é usado nas redes de núcleo e metro.

Digital Video BroadcastingStorage Area Networks(Fiber Channel, ESCON, etc.)

Virtual Private Networks

Fonte: José M. Caballero“Migration to next generationSDH,” Trend Communications


Rede de Transporte Óptica

• A rede de transporte óptica ou OTN (Optical Transport Network) foi fruto de normalização recente do ITU-T (G.709, G.872, G.959) tendo como alvo o transporte a longa distância com débitos binários desde 2.5 Gb/s até 40 Gb/s.

• A OTN define uma hierarquia de transporte óptica ou OTH (Optical TransportHierarchy), conceptualmente algo similar à SDH. A OTH é estruturada em duas etapas, sendo a primeira etapa realizada no domínio eléctrico e a segunda nodomínio óptico.

• A primeira etapa consiste no mapeamento dos sinais dos tributários numa trama de comprimento fixo e na adição de cabeçalhos apropriados,conduzindo à formação da entidade OTU-k (Optical Channel Transport Unit). O valor de k está associado ao débito binário (OTU-1:≈2. 67 Gb/s; OTU-2: ≈ 10.7 Gb/s e OTU-3: ≈ 43 Gb/s).

• A segunda etapa consiste na formação dos canais ópticos, na multiplexagem WDM e na introdução dos cabeçalhos apropriados e conduz à formação da entidade OTM-n.m (Optical Transport Module), (n: número de canais ópticos e m=0, para canais com débito misto e m=1, 2 ou 3, para k=1, 2 ou 3).


Estrutura de Camadas da OTH

• A estrutura de camadas da OTH está representada na figura seguinte.

Unidade de carga do canal óptico ou OPU-k

Unidade de dados do canal óptico ou ODU-k

Unidade transporte do canal óptico ou OTU-k

Clientes (SDH, ATM, IP, Ethernet)

Canal óptico ou OCh

Secção de multiplexagem óptica ou OMS-n

Secção de transmissão óptica ou OTS-n

OTM-n.m

Domínio eléctrico

Domínio óptico

OPU Carga do

cliente

ODU

OTUFEC

Adição de cabeçalhos das diferentes camadas no domínio eléctrico

Os cabeçalhos das camadas ópticas são enviados em modo não associado no canal de supervisão óptica

O sinal proveniente dos clientes é mapeado na camada OPU (optical channel payload unit). Esta camada adiciona octetos sem informação para adaptar os débitos e introduz o seu cabeçalho. A OPU é convertida em seguida na ODU (optical channel data unit) através da adição do correspondente cabeçalho. A fase seguinte consiste na conversão da ODU na OTU (optical channel transportunit) através da adição do cabeçalho e do campo FEC (forward error correction). Cada OTU vai modular uma fonte óptica. O sinal óptico obtido juntamente com um cabeçalho apropriado corresponde à entidade OCh (optical channel). A camada OMS (opticalmultiplex section) é responsável pela multiplexagem WDM e pela adição do seu cabeçalho.

(Envoltório digital)


Papel das Camadas Ópticas da OTH

• As camadas ópticas da OTH são: camada de canal óptico (OCh, opticalchannel), camada de secção de multiplexagem óptica (OMS, opticalmultiplex section) e camada de secção de transmissão óptica (OTS, optical transmission section) .

• Funcionalidades das camadas:Camada de canal óptico:Acomodação de dispersão por canal, identificação de canal, comutação de protecção de canal.Camada de secção de multiplexagem óptica:Multiplexagem óptica, atribuição de comprimento de onda, identificação do comprimento de onda, comutação de protecção de multiplexagem, conversão de comprimento de onda.Camada de secção de transmissão óptica:Amplificação óptica, compensação de dispersão através dos amplificadores de linha.


Definição das Camadas Ópticas

• O canal óptico (OCh) corresponde a uma ligação extremo a extremo numa rede totalmente óptica, também designada por caminho óptico. Cada via entre um OTM e um OADM (ou OXC) corresponde à secção de multiplexagem óptica (OMS). Cada via OMS é constituída por vários segmentos (OTS), sendo cada segmento delimitado por um estágio de amplificação.

S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão


Canal óptico (OCh)

Amplificador de linhaOTM

OXCTransponder

OXCTransponder

OADM OADM

AL

AL

OTM S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão


Canal óptico (OCh)

Caminho Óptico

Caminho Óptico (usa dois λs)

λ1 λ2


Subdivisão da Camada de Canal Óptico

• O canal óptico (OCh) por sua vez é subdividido em várias sub-camadas no domínio eléctrico: unidade de carga (OPU), unidade de dados (ODU ) e unidade de transporte (OTU).

OXC

Caminho

OADMOTMOTMOTM

OTU OTU OTU

OPU/ODU

Transponders/regeneradores

Unidade de carga (OPU) (Optical Channel Payload Unit )

Adapta o débito binário do sinal do tributário ao débito bináriodesta estrutura ( OPU-1: ≈ 2.488 Gb/s, OPU-2: ≈ 9.995 Gb/s, OPU-3: ≈ 40.15 Gb/s) através da introdução de octetos sem informação e da realização de justificação positiva/negativa.

Unidade de dados (ODU) (Optical Channel Data Unit)

Tal como o OPU é criado quando o sinal do tributário entra na rede óptica e mantém-se intacto ao longo da rede. É comparável aos contentores virtuais da SDH.

Unidade de transporte (OTU) (Optical Channel Transport Unit)

Esta unidade é terminada/ criada em cada ponto de regeneração. É responsável por processar o código FEC.

OTMOTM

OTM


Estrutura da Trama da OTU-k

• Numa representação bidireccional a trama da entidade OTU-k está estruturada em 4080 colunas e 4 linhas e contem os seguintes blocos: capacidade transportada, cabeçalhos de OPU, ODU e OTU e campo de FEC (Forward ErrorCorrection), este último usado para detecção e correcção de erros.

Estrutura da trama OTU-kOTU:- Enquadramento de trama (6 octetos) - Enquadramento de multitrama (1 octeto) - Monitorização de desempenho (3 octetos- Canal de comunicação de dados (2 octetos) - 2 octetos reservados.

ODU:- Monitorização de um canal em ligações em cascata - Supervisão extremo a extremo - Canal de comunicação de dados - Protecção de canal.

OPU:- Etiqueta de sinal (identifica a capacidade transportada) - Octetos para funções de justificação - Octetos reservados

OTU

Capacidade transportada

Campo

FEC

FEC Reed-Solomon Code RS (255, 238)

BER=10-4 s/FEC BER=2×10-13 c/FEC

ODU

Cab

eçal

ho d

e O

PU

1

2

3

4

1 1415-16 3824 4080 octetos

Duração das tramas (OTU-k): k=1 ⇒48.971 μs; k=2 ⇒12.191 μs; k=3 ⇒3.035 μs


Estrutura dos Cabeçalhos

• A estrutura dos cabeçalhos de ODU e OTU é a seguinte:

• No cabeçalho da OTU a função dos diferentes campos é a seguinte:

• No campo da ODU a função dos diferentes campos é a seguinte:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

PET PEM SM GCC Res

RES TCM TCM6 TCM5 TCM4

TCM3 TCM2 TCM1

FTTL

PM

GCC1 GCC2 APS RES

RES

OTU

ODU

PET- padrão de enquadramento de trama: conjunto de octetos usados para sincronizar a trama; PEM-padrão de enquadramento de multitrama: sincronizar a multitrama em que alguns sinais (ex: traço) estão estruturados;SM: monitorização de secção: inclui identificador de traço, BIP-8, BDI (backward defect indication), BEI (backward error indication, etc; GCC (General Communication Channels): canais usados para transportar informação de gestão, equivalente aos canais DCC da SDH. RES- reservado.

TCM (Tandem Connection Monitoring)- monitorização das ligações em cascata com seis níveis de monitorização: cada campo inclui um identificador de traço, BIP-8, BDI e BFI;PM (Path Monitoring) – monitorização extremo-a-extremo: inclui indicador de traço, BIP-8, BDI e BEI;APS (Automatic Protection Switching) – funções de protecção similares às da SDH; FTTL( Fault Type, Fault Location) – identificação do tipo de falha e da sua localização.


Monitorização das Ligações em Cascata

• A funcionalidade de TCM (Tandem Connection Monitoring) permite a um operador monitorizar a qualidade de uma ligação que se inicia e termina na sua rede, mas atravessa a rede de outros operadores.

• O operador A deve ter capacidade de monitorizar a qualidade do sinal que passa na rede do operador B. Em presença de uma falha na ligação, com utilização de monitorização das ligações em cascata é possível identificar facilmente a sua localização.

Operador A Operador B Operador A

Utilizador Utilizador

TCM1 – Monitorização de QoS a nível do utilizador

TCM2 – Monitorização de QoS a nível do operador

TCM3 – Monitorização dos vários domínios de interligação


Códigos FEC• Os códigos FEC usados na OTN são os códigos de Reed-Solomon. Estes códigos fazem

partem dos códigos de blocos cíclicos e lineares usados para detectar e corrigir erros. Estes códigos partem de k símbolos de informação e geram n símbolos, introduzindo r=n-k símbolos redundantes - RS(n,k). Admitindo que um símbolo tem m bits, tem-se que n=2m-1. Estes códigos têm capacidade para corrigir r/2 símbolos errados. Para as aplicações nas redes ópticas tem-se, habitualmente, m=8, n=255 e r=16 o que conduz ao código RS(255,239).

• Os códigos RS(255, 239) apresentam ganhos de codificação da ordem dos 6 dB, o que permite reduzir significativamente o valor do BER (Ex: 10-4 s/FEC e 2x10-13 c/FEC).

• Para feitos de processamento do FEC cada linha da OTU é sub-dividida em 16 sub-linhas (3824/16=239) usando interposição de byte. Cada codificador FEC processa uma desta sub-linhas gerando 16 octetos redundantes. Os octetos redundantes das 16 sub-linhas são multiplexados, originando os 256 octetos que são colocados no fim do campo OTU.

Para exemplificar o funcionamento de um código de blocos considere-se um código de Hamming (7,4), Este código parte de símbolos com 4 bits e gera palavras de código com 7 bits. Ex:

Número do bloco 0 1 2 3 4 5 6 7 Sequências de entrada 0000 1000 0100 1100 0010 1010 0110 1110 Sequências de saída 000+0000 110+1000 011+0100 101+1100 111+0010 001+1010 100+0110 010+1110

O número de bits diferentes entre duas palavras do código designa-se por distância de Hamming p. No caso anterior p=3. Este código permite detectar até p-1 erros e corrigir até (p-1)/2 erros


Transmissão de Cabeçalhos das Camadas Ópticas

• Os cabeçalhos associados às diferentes camadas ópticas são transmitidos no canal de supervisão óptica (OSC, optical supervisory channel), normalizado pelo ITU-T para ser transmitido no comprimento de onda de 1510 nm.

• Cada caminho óptico é caracterizado pelo seu identificador de canal óptico, o qual permite identificar, verificar a integridade e gerir a conectividade desse caminho.

• Para transmitir o identificador de canal óptico, adiciona-se uma sub-portadora, designado por piloto, ao sinal que modula o laser. Esse piloto tem uma frequência, normalmente na banda entre 1 e 2 MHz. O piloto pode ser também usado para monitorizar a potência.

• Cada caminho óptico pode ser caracterizado por um piloto com frequência única, a qual funciona como identificador de canal. Pode-se ainda ter uma frequência piloto por cada comprimento de onda, sendo o identificador de canal um sinal digital que modula o piloto.

OXC

Transponder

AL OADM

Inserção do piloto

Monitorização do piloto

Monitorização do piloto

Terminação do piloto

OSC OSC OSC

O canal de supervisão óptica é extraído, processado e inserido em todos os elementos de rede


Aspectos de Gestão

• Os diferentes elementos a gerir (amplificadores ópticos, OTMs, OADMs e OXCs) designam-se por elementos de rede (NE). Cada elemento de rede é gerido pelo seu sistema de gestão de elemento ou EMS (element management system). A informação de gestão é processada em cada NE, pelo agente (software implementado num microprocessador), o qual comunica com o EMS. Um EMS pode gerir um ou mais elementos de rede.

• A comunicação do EMS com os elementos de rede é feita através da rede de comunicação de dados ou DCN (data communication network). O DCN pode ser transmitido pelo canal de supervisão óptica. Os diferentes EMS comunicam com o sistema de gestão de rede, através da rede de gestão ( rede IP).

OXCOADM OADMAL

OTM

Rede de comunicação de dados Rede de comunicação de dados

Sistema de gestão de elemento Sistema de gestão

de elementoSistema de gestão

de rede

Tem uma visão completa da rede, permitindo estabelecer caminhos ópticos

OSC OSC

Redes de Acesso

Capítulo 6


Estrutura Geral da Rede de Acesso

• A rede local ou de acesso corresponde à componente da rede telefónica pública que liga a central local aos equipamentos de assinante (telefones, modems, etc.).

• Do repartidor de central local saem vários cabos de pares simétricos, sendo cada cabo constituído por centenas ou mesmo milhares de pares. Estes cabos são separados em feixes, e cada feixe vai alimentar uma determinada área de serviço.

Central Local

Limite da áreade serviço

Interface deárea de serviço Área de serviço

Grupos de casas

Cabo de pares simétricos

As áreas de serviço podem ter diferentes dimensões, desde umas dezenas de quilómetros nas áreas urbanas até algumas

centenas nas áreas rurais


Estrutura Simplificada da Central Local

• Na central local pode-se identificar o repartidor principal, as interfaces de linha de assinante (ILA), os multiplexadores, e o comutador.

• O repartidor principal funciona como terminação dos cabos de alimentação e faz a interligação entre os pares e a ILA.

• A ILA é usada para passar de dois para quatro fios e para fazer a conversão A/D e D/A, alimentar o telefone (-48 v), etc.

ILA

ILA

ILA

MUX/DMUX

Cabo de pares simétricos

Repartidorprincipal

Comutador

Cordão 2 fios4 fios

Interface de linhade assinante

Para desligar o telefone de um assinante basta

remover o cordão existente no repartidor principal que liga o par

simétrico à ILA

O comutador faz a comutação com base em sinais TDM (2 Mb/s). Por isso é necessário agregar os sinais a 64 kb/s

gerados pelas ILA através de um multiplexer.


Evolução da Rede de Acesso

• A rede de acesso convencional das redes telefónicas públicas eraconstituída por uma infra-estrutura de pares de fios de cobre entrelaçados (pares simétricos) que ligavam a central telefónica local ao telefone do assinante.

Comutador

RP

ASRASR

ASR

CD

CD

CD CDCD

CD

Cabo de alimentacão(centenas de pares)

Cabos de pares simétricos

Cabo de distribuição(dezenas de pares)

Central Telefónica Local

RP: Repartidor principal ASR: Armário de sub-repartição CD: Caixa de distribuição

Sub-rede de alimentação ou transporte

Sub-rede de distribuição


Rede de Acesso com Concentração

• Na evolução da rede alguns armários de sub-repartição foram por unidades remotas com capacidade para realizar concentração. Os cabos de alimentação foram substituídos por fibra óptica ou então por ligações via rádio (fixed wireless access).

Comutador

MUX

CD CDCD

CD

Central Telefónica Local

MUX: multiplexador UR: Unidade remota CD: Caixa de distribuição

Sub-rede de alimentação ou transporte

URUR

UR

Sub-rede de distribuição

Fibra óptica

ASR

CD

CD

Cabo de alimentacão(centenas de pares)

Cabo de distribuição(dezenas de pares)


Sub-rede de Transporte com SDH

• Na sub-rede de transporte a informação é multiplexada e transmitida em formato digital normalmente sobre fibra óptica. Como alternativa à topologia física em estrela da sub-rede de transporte pode-se usar uma topologia em anel fazendo uso da SDH (Synchronous Digital Hierarchy).

• Outra alteração de relevo consiste em introduzir também ligações ópticas em partes da rede de distribuição. Como soluções em fibra têm-se :FTTCab, FTTC, FTTB, FTTH, dependendo da distância entre a ONU e o assinante (NT).

Central local

Unidade remota

URADMADM

Par de fibras defibras de serviço

ADMADM

ADMADM

ADMADM

UR

ONU NT

ONU NT

Sub-rede de transporte Sub-rede de distribuição

Unidade óptica de rede

Unidade de terminação de rede

Utilizador

Par simétricoFibra ópticaFibra óptica de serviço

Fibra óptica de protecção

ONU: Optical Network UnitNT: Network Termination


Funcionamento das Unidades Remotas

• As unidades remotas podem funcionar em modo concentrado ou não concentrado.

Mux/ Demux Comutador

12

N

1 2 3 N

Trama

tempo

Central LocalUnidade remota

Comutador

12

N

1 2 3 K

Trama

tempo

Central LocalUnidade remota

Con

cent

rado

r

Modo não concentrado

Modo concentrado

Neste modo se se considerar como exemplo N=30, o número de time-

slots disponíveis na trama TDM também é igual a 30.

N/K

Factor de concentração

K<NComo exemplo podem-se

considerar 240 assinantes e 30 time-slots. Tem-se um

factor de concentração de 8.

Vai introduzir bloqueioOs time-slots são atribuídos de acordo com as necessidades


Acesso à Internet

• O acesso pode ser directo (utilizadores empresariais), ou indirecto (utilizadores domésticos). O acesso indirecto usa a rede telefónica para aceder ao ISP (Internet Service Provider).

POP#n

POP

Modem nabanda de voz

Rede telefónica(Comutação de circuitos)

Rede de bandalarga (ATM)

ISP#1

ISP#2

ISP#n

Canal virtual permanente

Central local

O acesso indirecto pode ser de banda estreita ou de banda larga. O acesso de banda estreita é feito através de modems que operam na banda da voz. O acesso de

banda larga pode ser feito usando ADSL, ou outras soluções (ex: PON).

Par simétrico

O utilizador liga-se ao POP (point of presence) da rede telefónica. Este por sua vez liga-se aos POP dos ISPs através de circuitos alugados, ou canais virtuais

permanentes estabelecidos por uma rede ATM.

Acesso à Internet

Serviço telefónico


Acesso de Banda Larga

• O acesso de banda larga baseado no ADSL faz uso da infra-estrutura de pares simétricos existente entre o assinante e a central. A ligação aos ISPs é feita normalmente usando o ATM, estando-se a evoluir para a Ethernet.

Comutadorlocal

DSLAM

Rede de circuitos

Acesso à rede IP através da rede ATM

Modem ADSL

Filtro Filtro

Par simétrico

Estação local Instalações do cliente

No acesso de banda larga a rede de acesso inclui para além do modem ADSL , os multiplexadores de acesso DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer), situados

no mesmo edifício onde se encontra a central local.

Cada DSLAM interliga várias centenas de modems ADSL à rede IP através de uma rede de banda larga ATM

Para ser possível continuar a usar o par simétrico para serviços de banda estreita, usa-se um filtro para separar a banda entre os 0- 4 kHz do resto da banda.


Desagregação do Lacete Local

• A desagregação do lacete local descreve a obrigação do operador histórico de alugar a sua infra-estrutura de acesso a operadores alternativos. A desagregação pode ser completa ou parcial.

DSLAMModem xDSL

FiltroFiltro

Par simétrico

Estação do operadorhistórico

Instalações do cliente

R

P

DSLAM

Modem xDSL

Comutadorlocal

Operadorhistórico

Operadoralternativo

Repartidorprincipal

Na desagregação completa o operador alternativo tem acesso completo ao par simétrico do operador histórico. Na desagregação parcial o operador

alternativo têm só acesso à banda base, ou a um sinal com a banda base filtrada.

Desagregação completa

Par simétrico

O operador alternativo instala

no edíficio do operador histórico o seu comutador

local e a sua DLSAM


Vantagens/Desvantagens da Desagregação

• O conceito de desagregação do lacete local foi criado dos Estados Unidos em meados da década de 90, de modo a aumentar a concorrência no sector das telecomunicações.

• A política de desagregação do lacete local pode dissuadir os operadores alternativos de investirem em novas tecnologias para a rede local, e também desmotiva o operador histórico de fazer grandes investimentos.

1) Qualquer infra-estrutura de acesso baseada na FTTH criada de raiz não fica sujeita à obrigação de desagregação.

2) Em qualquer infra-estrutura de acesso FTTH que resulte da substituição da infra-estrutura de cobre existente, somente a banda base destinada ao tráfego da voz terá de ser partilhada.

Nova política definida pela FFC (Federal Communications Commission) nos Estados

Unidos no último trimestre de 2004.

Fiber-to-the-Home


Evolução da FTTH nos Estados Unidos

Fonte: RVA LLC, MarketResearch & Consulting

Decisão da FCC (Federal Communication Commission) de desregulamentar o acesso FTTH


Técnicas de Duplexagem

• Duplexagem por divisão na frequência (FDD)As direcções de transmissão são separada no domínio da frequência.

• Duplexagem por divisão no comprimento de onda (WDD)As direcções de transmissão são separadas no domínio do comprimento de onda.

• Duplexagem por divisão no tempo (TDD)As direcções de transmissão são separadas no domínio do tempo. Esta técnica também se designa por TCM (Time CompressedMultiplexing)

• Cancelamento de eco (EC)Separa os dois sentidos de transmissão usando um híbrido associado a um cancelador de ecos.


FDD e WDD

• Na duplexagem por divisão na frequência ou FDD (Frequency DivisonDuplexing) A comunicação nos dois sentidos é feita em bandas diferentes.

• Na duplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDD (Wavelength Division Duplexing) a comunicação bidireccional sobre fibra óptica é garantida usando comprimentos de onda diferentes nos dois sentidos.

Frequênciaf2f1

Comunicação no sentido descendenteComunicação no

sentido ascende

Banda de guarda

MUX

DEMUX

Sentido descendente

Sentido ascendente

λ1

λ2

Fibra óptica

Usa-se nas aplicações de fibra óptiva no acesso, quer nas ligações ponto-a-ponto, quer nas ligações ponto-multiponto.


Duplexagem por Divisão no Tempo

A→B B→A

A→B B→A

Δt

Δτ N/Db0 τg

A→B

Tempo

Central Local (A)

Assinante (B)

ΔL

Tempo de guarda

Bloco de N bits

SwitchT/R

Transmissor

Receptor

SwitchT/R

Transmissor

Receptor

Lacete de assinante (2 fios)

Assinante Central LocalDébito de transmissão no lacete

Dbo >2Db

Db

Débito da sequência binária

Δt=N/Db

Duração do bloco de N bits

Tempo de propagação na linha

Δτ= ΔL /vg

Δt=2N/Db0+2Δτ+2τg

Durante Δt é necessáriogarantir uma comunicação

bidireccional


Duplexagem EC

• Na duplexagem por cancelamento de eco (EC) a comunicação é feita nos dois sentidos usando o mesmo meio de transmissão (usualmente par simétrico).

• A separação dos dois sentidos é feita no receptor usando um híbrido e um cancelador de ecos.

• O híbrido é um dispositivo que converte ligações de 2 fios em quatro fios. Como este dispositivo não é ideal vai originar ecos, que vão interferir com o sinal recebido. O par também pode originar ecos.

HíbridoCanceladorde ecos

∑

Emissor

Receptor

y(t)

r(t))(ˆ tr-

+ x(t)

ecosLacete de assinante

(2 fios)

O cancelador de ecos é filtro adaptativo cujo objectivo é gerar uma réplica do eco ř(t),a qual vai ser subtraída do sinal z(t)= x(t)+r(t) . No caso ideal em que a réplica é perfeita tem-se um cancelamento total do eco.


Tecnologias x-DSL

• O x-DSL é uma designação genérica para um conjunto de tecnologias de acesso de banda larga que operam sobre o par simétrico (cobre) e são derivadas do lacete digital do assinante ou DSL (Digital Subscriber Line).

IDSL DSL para aplicações em redes ISDN (RDIS). Suporta o acesso básico (2B+D) a 160 kbit/s e o acesso primário (30B+D) a 2.048 Mbit/s.

ADSL

ADSL2+

DSL assimétrico (Asymmetric DSL): Canal até 8 Mbit/s no sentido de cliente ou descendente (downstream) e até 800 kbit/s no sentido da rede ou ascendente (upstream).

SHDSL

DSL assimétrico 2+(Asymmetric DSL 2+): Canal até 24 Mbit/s no sentido de descendente e até 1.5 Mbit/s no sentido ascendente. A largura de banda usada duplica em comparação com o ADSL, passando de 1.1 MHz, para 2.2 MHz.

Symmetrical High Bit Rate DSL: Suporta débitos (simétricos) desde 192 kbit/s até 2.12 Mbits/s sobre 1 par simétrico, e desde 384 kbit/s até 4.62 Mbit/s sobre 2 pares. Não pode coexistir com o serviço telefónico.

VDSL2 Very High Bit Rate DSL 2: Canal até 100 Mbit/s no sentido descendente e até 50 Mbit/s no sentido ascendente. Usa uma largura de banda até 30 MHz.

DSLBonding DSL Bonding: Agrega várias linha DSL para suportar débitos mais elevados.


Configuração de Referência do RDIS

• Configuração do acesso básico RDIS

• O lacete digital de assinante inclui o par simétrico e os blocos NT1 e LT. O RDIS oferece acesso básico e acesso primário.

Acesso básico



Interface U a 2 fios a 160 kbit/s

Acesso primário



Interface U a 4 fios a 2 Mbit/s

Terminaçãode linha (LT)

Terminaçãode rede (NT)

Par simétricoNT1NT2

Instalações de cliente

LT

Central de Comutação Local

RP

Interface U

Interface T


ADSL (Asymmetrical DSL)

• O ADSL é uma tecnologia que permite uma transmissão assimétrica.A duplexagem pode ser por divisão na frequência ou por cancelador de eco.

0 4 25 138 150 1104Frequência (kHz)

Espe

ctro

Transmissão descendente

Transmissão ascendente

Voz (telefonia)

FDD 6 Mb/s :descendente 640 kbit/s: ascendente

Espe

ctro

Transmissão descendente

Transmissão ascendente

Voz (telefonia

0 4 25 138 150 1104Frequência (kHz)

EC8 Mb/s :descendente

800 kbit/s: ascendente

• Um sistema ADSL consiste em modems ADSL colocados em ambas as extremidades do par simétrico. A técnica de modulação mais usada é a modulação multi-tom discreto ou DMT (discrete multitone).


Modulação multi-tom discreto (DMT)

• A sequência binária de entrada é dividida em blocos de b bits os quais são armazenados numa memória. Os bits são então divididos entre N sub-canais, sendo o número de bits alocados a cada sub-canal dependente da relação sinal-ruído desse canal. Os bits alocados a cada sub-canal vão em seguida modular uma portadora usando a modulação QAM (quadrature amplitude modulation).

Conversor S/P

&

memória

QAM

f0

Filtro

QAM

f1

QAM

fN

Filtro

Filtro

∑Db

frequênciaf0 f1 f2 f3 fN

Am

plitu

de

Como a banda atribuída a cada sub-canal é reduzida, o atraso de grupo e a atenuação são aproximadamente constantes nessa banda. Assim a distorção e a IIS são reduzidas, tornando desnecessário o uso de igualador.


QAM

• Estrutrura do modulador M-QAM ( )

• Constelações

2→L

2→L Filtro

Filtro

×

×

∼

90º

∑ConversorSérie-Paralelo

Db/2

Db/2Db

Portadora

∑∑

∑

−=

=

lil

lil

tj

ll

ttbtta

etcts i

ωω

ω

sin)(cos)(

})(Re{)(b(t)

0001

0000

0011

0010

0100

0101

0111

01101110

1111

1101

11001000

1001

1011

1010

a(t)

a(t)

b(t)

00

0111

10

4-QAM16-QAM

)(ts

ML =1 2

1 baud loglog2 22 M

DL

DD bbs ==

2 Hz log2

(min)2 L

DDB bsFI ==

3

3

bit/s/Hz M log

log2(min)

2

2

=

== LB

D

FI

bε


DMT(2)

Efeito da interferência no espectro de um sinal DMT

Efeito das perturbações de transmissão no número de bits por sub-canal

0.2 1.1 f (MHz)

Pot

ênci

a tra

nsm

itida

po

r sub

-can

al

0.2 1.1 f (MHz)

Núm

ero

de b

its p

or

sub-

cana

l

Pot

ênci

a no

rece

ptor

0.2 1.1 f (MHz)

diafonia

Interferência de rádios

Fonte: J. Bourne, D. Bursteim, DSL, Wiley,

2002


Acesso em ADSL

• A separação dos sinais telefónicos e ADSL é feita usando um filtro tanto nas instalações de assinante como na central local.

• O tráfego proveniente de vários utilizadores é agregado através de um DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) o qual é usado para multiplexaros sinais provenientes de várias linhas DSL, num sinal de débito elevado.

• A rede de agregação corresponde a um novo nível de agregação. Tradicionalmente era baseada em comutadores ATM e em DSLAMs ATM (saídas STM-N). Está-se a evoluir para uma rede IP suportada em Ethernet. Neste caso usam-se DSLAMs IP com portos de saída em GbE ou 10 GbE.

DSLAM

Comutador telefónico

Multiplexador de Acesso ADSL

Rede telefónica

Acesso à rede IP, em ATM ou Ethernet

Splitter+filtro

Modem ADSL

Splitter+filtro

Par simétrico

Instalação de assinante (ATR-R)

Central local (ATR-C)

PC

ModemRede de

agregação

Rede de agregação

ATR-C (ADSL transceiver unit, central officeATR-R (ADSL transceiver unit, remote terminal


Agregação ATM

• Nas soluções baseadas no ATM podem-se ter arquitecturas com circuitos virtuais (VC, virtual circuits) extremo-a-extremo, ou arquitecturas baseadas na agregação de VC.

PVC: Permanent virtual circuits

Na solução extremo-a-extremo faz-se uso de um PVC (ATM) para interligar um utilizador a um ISP. Este PVC é comutado por vários comutadores ATM antes de atingir o ISP. Na solução agregada vários PVC são agregados num dispositivo agregador em vez de serem simplesmente comutados. Reduz-se assim o numero de PVC que são terminados no ISP.

S. Mervana, C. Le, “Design andImplementation of DSL-based Access Solutions,”Cisco Press

DSLAMSwitchAgregadorSwitch

ATM

VC extremo-a-extremo Agregação de VC


Rede ADSL

Fonte: José S. Brás, A Oferta de serviços de 3Play nas Redes Fixas, PT Comunicações, IST, Maio 2008

BRAS: Broadband Remote Access Server


Very High-speed DSL (VDSL)

• O VDSL1 pode ser simétrico ou assimétrico.

1.5 km1.6 Mb/s13 Mb/s

0.3 km6.4 Mb/s54 Mb/s1 km3.2 Mb/s26 Mb/s

AlcanceDébito (Ascendente)

Débito (Descendente)

1.5 km6.5 Mb/s6.5 Mb/s

0.3 km25 Mb/s25 Mb/s1 km13 Mb/s13 Mb/s

AlcanceDébito (Ascendente)

Débito (Descendente)

0 .12 0.3 0.7 1 12 30

Sentido ascendente

Voz (telefonia)

Sentido descendente

f1 f2

RDISEs

pect

ro

Frequência (Hz)

Assimétrico Simétrico

Plano de frequências para o VDSL com duplexagem DDF

O VDSL1 usa no percurso descendente uma banda que vai até 12 MHz. Por sua vez o VDSL2 usa uma banda com uma frequência máxima de 30 MHz, permitindo 100 Mb/s. O VDSL2 também

substitui o ATM pela Ethernet (PCS:64/65).


x-DSL ( Largura de banda/distância)

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000Dist (m)

Déb (kbps)VDSL2 ADSL2+ ADSL

Note-se que o ADSL só permite débitos de 8 Mb/s até distâncias da ordem dos 3 km e o ADSL 2+ só permite 24 Mb/s para distâncias inferiores a 0-8-0.9 km. Para distâncias superiores a 1.6 km, o ADSL2+ conduz a melhores resultados do que o VDSL2.

Fonte: José S. Brás, A Oferta de serviços de 3Play nas Redes Fixas, PT Comunicações, IST, Maio 2008


Evolução dos Débitos no Acesso

Fonte: Heavy Reading (“TheRace to the Home: FTTH Technology Option”, NetEvents Hong Kong)

A linha a azul representa a evolução do débitos do acessos sobre cobre usando: 1) modems, com débitos entre 1.2 kb/s (1990) e 56 kb/s (1996); 2) x-DSL, que permitiu evoluir os débitos até cerca de 2 Mb/s (2005).

A linha a verde extrapola a taxa de crescimento histórica: um factor crescimento de 2.29 ao ano. A linha a vermelho admite uma aceleração do crescimento a partir de 2004, para um factor de 3 ao ano.

100 Mb/s 1 Gb/s


Fibra Óptica: A Solução

• Dentro de 3 a 5 anos débitos de 100 Mb/s no acesso será algo trivial.

• Se as taxas de crescimento de tráfego se mantiveram serão de esperar, daqui a 10 anos, débitos no acesso de 1 Gb/s.

• As tecnologias x-DSL, especialmente ADSL, estão a atingir os limites: limitações de banda e assimetria.

• A solução está na generalização da utilização de fibraóptica na rede de acesso.


Arquitecturas de Rede

• Ponto-a-ponto (P2P)Um porto OLT (conversão O/E+E/O) na central local por cada cliente.

• Ponto-Multiponto (P2MP)Um porto OLT na central por cada N clientes, com N tipicamente entre 8 e 64.


Arquitecturas de Rede(II)

• P2P

• P2MP

Central Local (OLT)

ONU/ONT

ONU/ONT

ONU/ONT

ONU/ONT

Central Local (OLT)

ONU/ONT

ONU/ONT

ONU/ONT

ONU/ONT

Ponto de derivação

O ponto de derivação pode ser activo ou passivo

Fibra de alimentação

ONU: Optical Network Unit (designação IEEE) ONT: Optical Network Terminal (designação ITU-T )

A OLT (Optical Line Terminal) proporciona uma interface entre a componente óptica da rede e a rede do operador. Pode incluir interfaces 1GbE, 10 GbE, STM-N (SDH).

A ONU/ONT é um dispositivo que termina a componente óptica do lado do cliente. As ligações ao equipamento deste é feita usando Ethernet sobre par simétrico, x-DSL, ou cabo coaxial.


Ponto-a-Ponto

• Duas fibras (Ex: IEEE 802.3z 1000BASE-LX)Uma fibra por cada direcção de transmissão (10 km @ 1 Gbps)

• Uma fibra (IEEE 802.3ah, 1000BASE-BX10-D e BX10-U)

Fonte: Cisco SFP Optics forGigabitEthernet Applications

1. 25 Gbps

1. 25 Gbps

Débito (linha)

-3 a -9

-3 a -9

Potência Óptica Tx (dBm)

10149013101000 Base-BX10-U

10131014901000 Base-BX10-D

Distância(km)

Rx_lambda(nm)

Tx _lambda(nm)

Norma


Ponto-Multiponto

• Estrela Activa ( Ethernet Activa)O ponto de derivação é um nó activo, normalmente um switchEthernet , que é usado para agregar tráfego proveniente dediferentes ONUs/ONTs: Ethernet comutada+ ponto-a-ponto.

• Estrela Passiva (PON)O ponto de derivação é passivo, ou seja é constituído por um splitter/combinador óptico passivo: Passive Optical Network(PON).


Soluções em Fibra (FTT-x)

• Na arquitectura FTTH (fibre to the home) a fibra óptica vai até às intalações do assinante, e deste modo a ONU realiza as funções da NT( Network Termination).

• Na arquitectura FTTC (Fibre To The Curb) ou FTTB (Fibre to theBuilding) cada ONU serve entre 10 a 100 casas, ou edifício ( <300 m do assinante). Neste caso há uma rede de distribuição adicional entre a ONU e a NT, em cobre (par simétrico, ou par coaxial) ou via rádio.

• A solução FTTCab ( Fibre To The Cabinet) a ONU está mais afastada do assinante (<1.5 km), requerendo também uma rede de distribuição adicional.

• Outra arquitectura alternativa, designada rede óptica passiva ou PON (Passive Optical Network), usa um repartidor óptico passivo para dividir o sinal proveniente da OLT por várias ONUs.


Redes Ópticas Passivas para FTT-x

ONU

ADSL ( < 6 km )

FTTEx

ONUADSL2+ ( <1.5 km )

FTTCab/N

ONU VDSL1( < 300 m )

FTTC

ONT

FTTH/B

NT

NT

NTConcentrador (UR)

OLT

Central Local

Fibra óptica

Cobre

OLT: Optical Line TerminationONT: Optical Network Termination

FTTEx: Fibre-to-the-ExchangeFTTCab/N: Fibre-to-the-Cabinet /NodeFTTC: Fibre-to-the-CurbFTTB: Fibre-to-the-BuildingFTTH: Fibre-to-the-Home

8 Mbit/s@3 km

24 Mbit/[email protected] km

55 Mbit/[email protected] km

100 Mbit/[email protected] km VDSL2


Tipos de PONs

• Como todos os ONUs partilham a mesma fibra de alimentação e o mesmo porto na OLT, é necessário usar técnicas de acesso múltiplo para evitar colisões na comunicação cliente-central.

• TDM/PON: O acesso múltiplo opera no domínio do tempo (TDMA: Time Division Multiple Access), ou seja não é permitido a duas ONUs transmitirem no mesmo instante.

• WDM/PON: O acesso múltiplo opera no domínio do comprimento de onda (WDMA: Wavelength Division MultipleAccess), ou seja não é permitido a duas ONUs transmitirem no mesmo comprimento de onda.


PON vs P2P: Dimensão das Condutas

• Exemplo: rede FTTH com 20 000 clientes (Fonte FT, Globecom 08)

• Solução GPON com 1:64: 3 cabos de alimentação, cada cabo com 144 fibras e com um diâmetro de 13.5 mm.

• Solução P2P: 28 cabos, cada cabo com 720 fibras e com um diâmetro de 25 mm

PON

P2P

A solução P2P requer uma conduta com uma área cerca de 20 vezes superior à PON

Sempre que o espaço disponível nas condutas seja um bem escasso a solução a adoptar deverá ser a PON. Nos outros casos a P2P deverá ser tida em conta no projecto

Cabo de 13.5 mm

Cabo de 25 mm


Arquitectura TDM-PON

• A ligação descendente (OLT-ONU) é feita no comprimento de onda de 1490± 10 nm e a ascendente (ONU-OLT) no comprimento de onda de 1310 ±50 nm.

• As variantes da TDM-PON mais usadas são a GPON (Gigabit PON) e EPON (Ethernet PON). A primeira opera a um débito de linha agregado de 2.488/1.244 Gbps e a segunda a 1.25 /1.25 Gbps.

Laser

Receptor

Laser

Receptor

Laser

Receptor

Laser

Receptor

Repartidor/ combinador

OLTNó de repartição

ONU 1

ONU N

1310/1490 nmmux/demux

1490 nm

1310 nm

ONU k

As ONUs operam ao débito de linha agregado

O comprimento de onda de 1.55 μm, também é usado para soluções de vídeo “overlay”, como seja por exemplo televisão em RF.

Max de 10 ou 20 km

A componente de rede entre a OLT e ONU designa-se ODN (OpticalDistribution Network)


Dimensionamento Físico da PON

• Estrutura de uma PON

• Balanço de potências

1:N

OLT

Repartidoróptico passivo

ONU

ONU

La

Ld

ONUConectores

λa=1310 nm

λd=1490 nm

xirdasrmim

s ALDPALLMPP +Δ+++++≥ )()( maxλαValor mínimo da

potência média emitida

rP sensibilidade do receptor, Ms margem de funcionamento, Ax perdas extra (conectores, duplexores, etc.), Ar perdas de derivação, perdas devidas à dispersão, Ad perdas de inserção dos acopladores)( LDPi λΔ

(dB) log)(log10 210 NANA dr +=

xrascscs AALMPP +++−≤ αmaxValor máximo da potência média emitida

scP potência de sobrecarga, Msc margem de funcionamento para a potência máxima

Na ONU e na OLT terão de se usar duplexores de comprimento de onda para agregar/separar os diferentes comprimentos de onda.


Funções da OLT e ONU/ONT na EPON

• Como acontece na generalidade das PONs a OLT funciona como o controlador de rede.

• Todas a comunicações têm lugar entre a OLT e as ONUs, ou seja não há interacção directa entre as ONUs. Cada ONU é identificada pelo seu LLID(Logical Link Identifier).

• Funções da OLT:Processo de descoberta: Verifica se uma nova ONU se juntou ou abandonou a rede.

Controlo de registo: Controla o registo das novas ONUs adicionadas à rede.

Gestão de banda: Atribui a cada ONU uma banda apropriada no canal ascendente.

Processo de alinhamento (ranging) e sincronismo: Calcula o atraso temporal entre a OLT e cada ONU; gera mensagens de sincronismo (time-stamped) de modo a garantir que as ONUs e a OLT tenham uma referência temporal comum.


Arquitectura da EPON (P2MP)

A sub-camada PCS é responsável pela codificação 8B10B, como no caso da GbE. Isto implica que embora à EPON corresponda um fluxo de informação bidireccional a 1 Gbit/s, a transmissão é feita no meio óptico a um débito de símbolo de 1.25 Gbaud/s. Como opção, esta sub-camada também pode implementar um código do blocos RS(255,239).

A sub-camada PMA é responsável por converter um fluxo de bits paralelo proveniente da sub-camada PCS num fluxo série.

A sub-camada PMD é responsável por definir as características ópticas do transceptor e pela ligação à fibra através do MDI.

A principal diferença entre a EPON e a Ethernet P2P é a presença da sub-camadaMPMC. Esta sub-camada é responsável por executar um protocolo de acesso múltiplo que regula o acesso das diferentes ONUs ao canal ascendente.


Formato da Trama (IEEE 802.3)• A estrutura da trama EPON é idêntica à da Ethernet (IEEE 802.3),com

excepção do campos preâmbulo/SFD.

• A trama começa com o SLD (Start LLID delimiter), que é delimitado de ambos os lados por 2 bytes com um padrão fixo. Segue-se o LLID e um campo CRC para proteger os campos SLD e LLID.


Comprimento / Tipo

Endereço de fonte


SFD

Preâmbulo

7 1 6 6 2 46-1500 4 octetos

0x5555 2 bytes

SLD 1 byte

0x5555 2 bytes

LLID 2 bytes

CRC 1 byte

8 bytes

Modo 1 bit

ID 15 bits

O primeiro bit do campo LLID (Logical Link Indentifier) é um bit que indica o modo como o tráfego é enviado: difusão (1) ou unicast(0). No processo de difusão a mesma trama é enviada para todas as ONUs. Os 15 bits restantes são capazes de suportar 32 768 diferentes ONUs lógicas.


Protocolo MPCP

• O protocolo MPCP é usado pela EPON para regular o fluxo de tráfego e foi desenvolvido pelo grupo IEEE802.3ah. Usa dois tipos de mensagens REPORT/GRANT.

• O MPCP é responsável por funções tais como auto-descoberta, registo de ONUs, alinhamento para as novas ONUs adicionadas à rede.

• O MPCP proporciona ainda um plano de controlo para coordenar a transmissão ascendente, o qual fiscaliza a ocupação das filas deespera nas ONUs e atribui largura de banda para transmissão ascendente a cada ONU em função dessa ocupação.

• A atribuição da banda é feita usando um algoritmo DBA (DynamicBandwidth Assigmnent), o qual usa as mensagens GRANT e REPORT.


Operação da EPON (Descendente)

• No sentido descendente as tramas Ethernet transmitidas pelo OLT passam através de um repartidor (splitter) 1:N e chegam a cada ONU.

• Todas as tramas são difundidas pela OLT para todas as ONUs, as quais extraiam as tramas que lhe são destinadas com base na etiqueta LLID. Note-se que a LLID só está presente dentro de EPON. Antes de enviar as tramas para o cliente a LLID é eliminada pela ONU.

LaserOLT ONU 2

3 2 1 2 3 2 1 2

ONU 33 2 1 2

ONU 13 2 1 2

Trama Ethernet

1

2

3

2

Cada ONU extrai a trama que lhe é destinada usando a etiqueta LLID , e rejeita todas as outras tramas recebidas.

Repartidor (Splitter) Óptico

0& LLID=10& LLID=3


Operação da EPON (Ascendente)

• No sentido ascendente há o problema da contenção. Duas tramas que cheguem simultaneamente ao OLT colidem. Para ultrapassar esse problema usa-se o protocolo MPCP.

• Para sincronizar as diferentes ONUs o protocolo MPCP baseia-se num esquema TDMA (Time Division Multiple Access) . Assim, a cada ONU é alocado um time-slot, com capacidade para transportar várias tramas Ethernet.

LaserOLT ONU 2

ONU 3

ONU 1

Trama Ethernet

1

2

3

2

Combinador3 333 3

2 2

1

1 2 2 33 3

Time-slot

Cada ONU armazena em memória as tramas recebidas dos utilizadores até que o seu time-slot chegue. Nesta altura envia todas as tramas armazenadas em rajada, à velocidadamáxima do canal. Se não houver tramas em número suficiente para encher um time-slotsão enviados caracteres de 10 bit sem informação.

Os esquemas de alocação de time-slots podem ser estáticos ou dinâmicos. Neste último caso a dimensão do time-slot é ajustada em função da fila de espera na ONU.

0& LLID=1

Todas as tramas enviadas por uma ONU devem ser etiquetadas com o seu próprio LLID.

0& LLID=2


Algoritmo DBA

• O conjunto dos N time-slots correspondentes aos N ONUs designa-se por ciclo. A duração de um ciclo é denominada por T. A duração de cada time-slot (janela de transmissão) é variável, sendo atribuída pelo DBA em função da ocupação das filas de espera da ONU.

• A cada ONU é atribuída uma janela de transmissão máxima de Wi, max (em bytes). O tempo de ciclo máximo, correspondente a N ONUs, é dado por

∑=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ×+=

N

i

ig D

WT

1

max,max

8τ τg: intervalo de guarda (segundos),

D: Débito binário na linha

Os time-slots estão organizados sequencialmente, com um intervalo de guarda de modo a evitar colisões na OLT devido a flutuações no RTT (round-trip time). Este é dado por 2d/v, onde d é a distância entre a OLT e a ONU e v é a velocidade de propagação na fibra. Este tempo é calculado pela OLT através das mensagens Report/Grant.

Na figura uma OLT atribui permissão Gate a uma ONU logo após a recepção do seu Report. No ciclo seguinte essa ONU já vai transmitir na janela de transmissão atribuída pela OLT.Fonte: João Santos,

TFC, IST, 2006


GPON vs EPON

EthernetEthernet, ATM, TDMTráfego suportado

≈ 65-70% ≈ 93%Eficiência média (ε)

20/24 dB (10, 20 km)20/25/30 dB (Classe A, B, C)Atenuação máxima

≈ 45 Mb/s @ 1:16 (ε=72%)≈ 70 Mb/s @ 1:32 (ε=92%)Débito médio por ONU

10/20 km10/20 kmMáximo alcance

1:32 ; 1:16 (típica) 1:64Derivação máxima

1250 Mb/s (1 Gb/s Eth)155, 622, 1244, 2448 Mb/sDébito de linha ascendente

1250 Mb/s (1 Gb/s Eth )1244, 2448 Mb/sDébito de linha descendente

IEEE 802.3ahITU-T G984 Norma

EPONGPON

A eficiência refere-se à fracção do débito usada para transporte de dados. A menor eficiência da EPON resulta de tempos de guarda maiores e um maior cabeçalho dedicada para correcção de erros e outras funções (8B/10B). No cálculo do débito médio considerou-se um utilização completa e sem bloqueio da PON.


Soluções WDM-PON

• Nas PON baseadas em WDM (Wavelength DivisionMultiplexing) a cada ONU é atribuído um comprimento de onda (lambda).

• Tal como no caso do P2P cada ONU opera ao débito binário individual (e não agregado) e a privacidade da ligação está garantida sem necessidade de encriptação, como acontece na TDM-PON.

• As redes WDM-PON baseiam-se quer no DWDM (Dense-WDM), quer no CWDM (Coarse-WDM).

• As soluções DWDM operam na janela de 1550 nm e as principais variantes são: 1) broadcast & select; 2) wavelengthrouting


Arquitectura DWDM-PON:broadcast & select

• Na arquitectura broadcast & select a banda de lambdas usada é difundida para todas as ONUs, para posteriormente cada ONU seleccionar o seu lambda próprio usando um filtro óptico.

• No sentido ascendente cada ONU emite no seu comprimento de onda próprio, as quais são combinadas passivamente no nó de repartição.

Matriz de Lasers

Matriz de Receptores

Laser

Receptor

Laser

Receptor

Laser

Receptor


OLT Nó de repartição

ONU 1

ONU N

ONU k

A electrónica de cada ONU opera ao débito individual da ONU

λ1, λ2, ........ ,λN

λN+1, λ N+2 ..,λ 2N

λ1, λ2, ........ λN,

FiltroλN+1

λN+k

λ 2N

λ1, λ2, ........ λN,

λ1, λ2, ........ λN,


Arquitectura DWDM-PON:wavelength routing

• O derivador óptico é substituído por um encaminhador óptico tipoAWG (Arrayed Waveguide Grating).

• O encaminhador envia os diferentes comprimentos de onda para os diferentes ONUs. A utilização do AWG vai eliminar as perdas de derivação da solução broadcast & select.

Matriz de Lasers

Matriz de Receptores

Laser

Receptor

Laser

Receptor

Laser

Receptor


OLT Nó de repartição

ONU 1

ONU N

ONU k

Permite suportar mais de 80 lambdas o que corresponde a mais de 40 ONUs, com débitos individuais por ONU até 10 Gb/s

λ1, λ2, ........ ,λN

λN+1, λ N+2 ..,λ 2N

λ1

SplitterλN+1

λN+k

λ 2N

λN,

λk

combinador

AWG


CWDM-PON

• Usa componentes de baixo custo com os lambdas espaçados de 20 nm. Na segunda e terceira janela (1280-1600 nm) só são suportados 16 canais, ou seja 8 ONUs

• Exemplo de uma rede CWDM (Coarse-WDM) com 4 lambdas por cada direcção e 10 Gb/s por canal (Fonte: T. Shih et al., “A 40 Gb/s bidirectional CWDM-PON....”, OECC08)

CW

DM

M

UX

CW

DM

M

UX

WDM

15xx nm

13xx nm

WDM

CW

DM

M

UX

CW

DM

M

UX

WDM

WDM

WDM

WDM1510 nm1530 nm1550 nm1570 nm

1290 nm1310 nm1330 nm1350 nm

WDM

WDM

WDM

WDM

1290 nm

1510 nm

1310 nm

1530 nm

1550 nm

1330 nm1570 nm

1350 nmOLT Ponto de repartição ONU

10 km, 40 Gb/s

Mulriplexer de 13xx /15XX


WDM-PON: Prós e Contras

• Suporta todos os serviços (Ethernet, TDM, ATM, etc.) de modo transparente.

• Suporta débitos por ONU muito elevados (até 10 Gb/s).

• Requer um número elevado de interfaces ópticas na OLT (16 no caso do CWDM-PON, e várias dezenas no caso da DWDM-PON).

• Requer interfaces ópticas coloridas na ONU, já que cada ONU processa lambdas diferentes ( problema CAPEX/OPEX).

• A variante DWDM requer lasers DFB muito estáveis devido ao espaçamento entre canais ser reduzido e por isso muito caros.

Prós

Contras


WDM-PON: Cenários de Aplicação

• A variante DWDM conduz a soluções muito caras, não compatíveis com os requisitos de baixo custo da rede de acesso.

• A variante CWDM conduz a redes de dimensões reduzidas e por isso de fraco interesse prático.

• A WDM-PON não se afigura como alternativa viável, pelo menos a curto prazo, para aplicações de acesso óptico domésticas.

• As redes híbridas metro-acesso são o cenário de aplicação mais apropriado para as soluções WDM


Mercado FTTH/B por tecnologia (previsão 2011)

FTTH Market by Technology, Dec 2011

23%

50%

1%

26%

GPONEPONOther PONActive

Fonte: Heavy Reading report, FTTH Worldwide Market & Technology Forecast, 2006-2011, June 2006

A tecnologia EPON será dominante nos países asiáticos.

A tecnologia GPON será dominante nos EU e Europa.


Penetração das soluções FTTH e FTTB em 2008

Fonte:Fiber-to-the-HomeCouncil, Fev. 2009

Tópicos sobre Comutação

Capítulo 7


Circuitos Comutados/Alugados

• O objectivo principal da rede telefónica pública comutada consiste em estabelecer circuitos. Os circuitos podem ser comutados ou alugados.

• Os circuitos comutados são estabelecidos em resposta às chamadas telefónicas e são dinâmicos. Um circuito comutado suporta um débito de 64 kb/s.

• Os circuitos alugados são usados para responder a volumes de tráfego elevados, são implementados com cruzadores (cross-connects), são estáticos e suportam débitos múltiplos de 64 kb/s até 2 Mb/s.

Circuito comutado: ligação bidireccional extremo-a-extremo estabelecida por acção do plano de controlo, usando sinalização

Circuito alugado: ligação bidireccional extremo-a-extremo estabelecida por acção do plano de gestão


Variação do Tráfego Telefónico

• O tráfego telefónico medido numa central local varia consideravelmente ao longo do dia, sendo essa variação também muito dependente do tipo de utilizadores (residenciais, empresariais, misto)

• Normalmente é possível definir uma hora em que o tráfego atinge o valor máximo (HMC, Hora mais carregada). O planeamento de rede deve ser feito para essa hora.

HMC


Tráfego Telefónico versus IP

• O tráfego telefónico tem uma estatística de Poisson e o tráfego IP tem uma distribuição de Pareto (auto-similar).

0123456789

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100t unit = 10 ms

Pack

ets/

times

lot

0123456789

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100t unit = 10 ms

Pack

ets/

times

lot

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100t unit = 10 s

Pack

ets/

times

lot

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100t unit = 10 s

Pack

ets/

times

lot

Auto-similar Poisson

tempo tempo


Grandezas Relacionadas com o Tráfego

• O tráfego instantâneo transportado pela conjunto de N linhas é

• O fluxo de tráfego numa conjunto de linhas N é caracterizado pela intensidade de tráfego. Essa intensidade é definida por

• A unidade de media de intensidade de tráfego é o Erlang. Uma linha que esteja permanentemente ocupada durante 1h transporta o tráfego de 1 Erlang.

hT

hCT

dttmA

T

×=×

== ∫ λ0)( C: Número média de chamadas no intervalo

de tempo T h: duração média de uma chamada, λ: número médio de chamadas por unidade de tempo

ocupada está não linha a se0

ocupada está linha a se1)( onde )()(

1 ⎩⎨⎧

== ∑= i

it KtKtm i

N

ii

T: Normalmente o período de medida é um hora (HMC)


Funções das Centrais Telefónicas

• Sinalização: responsável por transferir a informação sobre o estado das linhas para o sistema de controlo e por gerar os sinais adequados para estabelecer, manter e terminar circuitos.

– Nos casos em que os caminhos físicos da sinalização e do sinal de voz são os mesmos sinalização em canal associado ou CAS (channel-associatedsignalling).

– Nos casos em que a rede de sinalização é independente da rede de voz sinalização em canal comum ou CCS (common-channel signalling), ex: Sistema de Sinalização n°7.

• Controlo: interacção com o equipamento de comutação de modo a responder aos requisitos da sinalização. – O controlo pode ser distribuído ou centralizado.

• Comutação: responsável por estabelecer, manter e concluir as ligações físicas (circuitos).

• Terminação da linha de assinante: funções ILA (centrais locais)


Tipos de Comutação

• As centrais de comutação telefónica usam comutação decircuitos e a redes de dados comutação de pacotes

• A comutação de circuitos pode ser analógica ou digital.

Comutação de circuitos: Na comutação de circuitos estabelece-se uma ligação física entre os intervenientes na chamada, que se mantém durante toda a duração da chamada.

Comutação de pacotes: As mensagens trocadas entre os intervenientes na chamada são segmentadas em pacotes, sendo o encaminhamento dos pacotes realizado com base

no endereço presente no cabeçalho do pacote.

Comutação analógica: A ligação física é mantida continuamente durante toda a duração da chamada. Usa comutação espacial.

Comutação digital: A ligação física é mantida de uma forma cíclica só durante o time-slotcorrespondente a essa chamada. Usa comutação espacial e comutação temporal.

Passo-a-passo, Barras cruzadas e Electrónica


Comutação Analógica Passo-Passo(Stronger)

• Elemento de comutação básico do comutador Strowger é o selector.

• Conjunto de escovas que se movem sobre um conjunto de contactos fixos em resposta directa aos impulsos decádicos do telefone.

• O movimento na vertical é controlado pelo dígito marcado e o movimento na horizontal é realizado até encontrar uma linha de saída livre.

A comutação analógica Strowger foi usada na redetelefónica portuguesa até meados dos anos 90.


Comutação Passo-a-Passo

• A ligação é estabelecida progressivamente ao longo dos diferentes andares do comutador, por acção dos pulsos decádicos gerados pelo telefone.

• Cada selector avança uma posição por cada pulso de controlo. O selector pode ser de 1 ou 2 movimentos. Neste último caso, os movimentos ocorrem quer na horizontal quer na vertical.

Controlo Progressivo Controlo Distribuído

27

5

Sequência de pulsos decádicos

Selector #1275

Selector #2 Selector #3


Centrais de Controlo Centralizado

• Nas centrais de controlo centralizado o plano de controlo é implementado usando um processador e um programa residente, ou seja é baseado em software.

• Nas centrais SPC há uma separação entre o plano de utilizador e plano de controlo.

Centrais SPC (Stored Program Control)

Matriz deComutação

Sistema decontrolo

Sistema decontrolo


Central A Central B

Voz

sinalização Matriz deComutação

Sistema deControlo

Sistema decontrolo


sinalização

voz

Central BCentral A

Sinalização em canal associado Sinalização em canal comum (SS7)

Os sinais de sinalização e de voz partilham a mesma via de transmissão

Tem-se uma rede própria para a sinalização e independente da rede telefónica


Estrutura de uma Central de Comutação Digital

• Uma central de comutação digital local é constituída por duas grandes unidades: Unidade de assinante & concentração (UAC) e unidade do grupo de comutação (UGC). A UAC pode em alguns casos estar fisicamente separada da central local fazendo parte da unidade remota. O equipamento de comutação está situado na unidade de concentração e na UGC.

Interface de linha de assinante (1)

Mul

tiple

xado

r

Unidade

de

concentração

Bloco do

grupo de

comutaçãoInterface de linha de assinante (30)

Sistema de controlo da central

Controlador das interfaces

Sin. MF

Tons

Sin. MF

CAS

CCS

Troncadigital

Sistema de gestão

Unidade de assinante & concentração Unidade do grupo de comutação

Linha analógica

As centrais de comutação de troncas incluem só a UGC.

Sinais de controlo

Linha digital

Linha analógica

CCS: Common ChannelSignaling

CAS: Channel AssociatedSignalling

Sistema de Sinalização nº 7

A primeira central digital da rede telefónica nacional foi instalada em 1987 (Carnide)


Interface de Linha de Assinante Analógico

• A estrutura de uma interface de linha de assinante (ILA) analógico é a seguinte:

• A alimentação é responsável por alimentar os telefones analógicos com uma tensão –48 V DC. A protecção contra sobre-tensões protege a linha telefónica contra altas tensões (descargas atmosféricas, linhas de alta tensão). O relé de toque é responsável por gerar o sinal de toque de campainha. A unidade de supervisão extrai/insere a informação de sinalização. O híbrido faz a conversão de 2/4 e 4/2 fios. O codificador / descodificador éresponsável pela conversão A/D e D/A. O relé de teste permite testar o lacete local e detectar possíveis falhas.

Relé de teste de acesso

Relé detoque

Unidadede

supervisão

Alimentaçãode linha

Protecçãode sobre-tensões

Híbrido

Descodificador

Codificador

64 kb/s

64 kb/s

Mux

1

1

30Outras ILAs

Controlador de interfaces

Extracção de sinalização

Outras ILAs

Sistema de controlo da central

2 Mb/sAs funções de uma ILA podem sintetizar-se no acrónimo BORSCHT, ou seja alimentação (Battery), protecção contra sobre-tensões (Over-voltage protection), toque de campainha (Ringing), supervisão de linha (Supervision), codificação A/D e D/A (Coding), híbrido (Hybrid ) e vários tipos de teste (Testing).


Etapas Associadas à Realização de uma Chamada Local

• As principais etapas são as seguintes:

Sinal de aclarar inv.Sinal de aclarar10

Desliga o equipamento

Assinante Chamador Central local Assinante chamado

Endereço

4

1

Sinal de apresar1) Estabelecimento de corrente DC na linha (sinal de apresar).

2) O assinante que requereu o pedido de serviço é identificado e é atribuído a esse assinante uma área de memória (registo).

3) Depois de disponibilizar o registo, a central envia para o assinante chamador o sinal de linha.

4) O assinante marca os dígitos correspondentes ao endereço do destinatário.

5) O sistema de controlo analisa os dígitos e escolhe o circuitode saída apropriado para encaminhar a chamada. Se o circuito de saída estiver ocupado será enviado para o assinante o sinal de linha impedida.

6) Nesta fase são conhecidos os portos de entrada e de saída da matriz de comutação. Para estabelecer um caminho entre o porto de entrada e de saída da matriz de comutação o sistema de controlo deverá enviar para esta um sinal de controlo apropriado.

7) O sinal de chamada é enviado para o destinatário (toque de campainha) e o tom de chamada é enviado para o chamador.

8) O assinante chamado atende, levando ao estabelecimento de uma corrente DC. A conversação pode iniciar-se usando o circuito estabelecido através da matriz de comutação.

2Identificação de assinante

Sinal de linha

3

Atribuição de memória

5Análise dos dígitos

6Estabelece o caminho

Sinal de chamada

7

Tom de chamada

Sinal de resposta

8Desliga o sinal e o tom de

chamadaConversação

9Supervisão


Matriz Espacial com um Único Andar

• Esta matriz não apresenta bloqueio de interligação (conectividade total)

• A complexidade (número de pontos de cruzamento) aumenta com o quadrado da dimensão da matriz (N×N): C(1)=N2

• A eficiência (fracção de pontos de cruzamento activos) decresce inversamente com N: ε=N/C(1)=1/N.

• Apresenta baixa fiabilidade (qualquer avaria num ponto de cruzamento implica que uma ligação não se pode efectuar)

1

2

3

4

5

54321

Mapa das ligações

1 2 3 4 5

3 1 5 2 4

Ent

rada

s

Saídas


Comutação Espacial

• As matrizes de comutação espacial eram usadas nas antigas centrais de comutação analógicas, como também são usadas nas modernas centrais digitais. São ainda usadas como malhas de interligação nos comutadores de alta velocidade (ATM).

• Matriz de comutação espacial: consiste numa matriz de pontos de cruzamento, designada por matriz de barras cruzadas. Para ligar N linhas de entrada a M linhas de saída requer NM pontos de cruzamento.

1

2

3

N

1 2 3 M

Ent

rada

s

Saídas

Matriz de comutação espacial N×M

Ponto de cruzamento N × M

123

N

123

M

M<N: concentrador M>N: expansor M=N: distribuidor

2×21

2

1

2

Elemento de comutação


Arquitecturas Multi-andar

• É desejável encontrar arquitecturas alternativas que garantam conectividade total e ainda que:

– permitam caminhos alternativos na malha de comutação (para a aumentar fiabilidade)

– partilhem pontos de cruzamento entre as diversas ligações possíveis (para aumentar a eficiência)

• Para resolver essas limitações usam-se as arquitecturas multi-andar

– Cada andar é composto por sub-matrizes com conectividade total (sem bloqueio)

– Possibilidade dos diferentes andares serem realizados por diferentes tecnologias


Arquitecturas com Dois Andares

• As arquitecturas multiandar são baseadas em sub-matrizes sem bloqueio

• Só há uma ligação entre as sub-matrizes de andares diferentes

• Devido ao número limitado de ligações, as arquitecturas com dois andares introduzem bloqueiode interligação

• Fiabilidade reduzida

1

2

3

4

43

1 2

1 3

3 22 4 ?

4 1 ?

Bloqueio

Bloqueio


Matriz de Comutação Espacial com Três Andares

• Os problemas (bloqueio e baixa fiabilidade) da arquitectura de dois andares, resultantes de só ser possível estabelecer uma ligação entre as sub-matrizes de andares diferentes, podem ser ultrapassados usando arquitecturas com três ou mais andares.

Matriz espacial com três andares NxN

n×k

n×k

n×k

r×s

r×s

r×s

k×n

k×n

k×n

N li

nhas

de

entra

da

N li

nhas

de

saíd

a

r=s=N/n

• as N entradas e as N saídas são divididas em sub-gruposde dimensão n e

• existem k percursos de uma dada entrada para uma dada saída (um por cada sub-matriz do andar intermédio).

#N/n #k #N/n

( )2

2(3) 2 2N N N NC n k k k Nn n n n

⎛ ⎞⎛ ⎞= × + × = +⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠Complexidade


Bloqueio de Interligação

• Bloqueio de interligação nulo: é sempre possível estabelecer umaligação entre uma entrada livre e uma saída livre, independentemente do estado da rede de interligação.

• Tipos de matrizes sem bloqueio:

– Em sentido estrito: é sempre possível ligar uma entrada livre a uma qualquer saída livre independentemente do conjunto de interligações já estabelecidas e do algoritmo de conexão.

– Em sentido lato: é possível ligar uma entrada livre a uma saída livre desde quese use um algoritmo adequado para estabelecer as ligações.

– Rearranjáveis: para ligar uma entrada livre a uma saída livre pode ser necessário rearranjar as interligações.


Teorema de Clos para Redes comTrês Andares

• Para demonstrar o teorema de Clos, suponha-se que se pretende realizar uma ligação entre uma entrada livre a e uma saída livre b. A pior situação é representada abaixo. As n-1 entradas da sub-matriz a que pertence a estão ocupadas e as n-1 saídas da sub-matriza que pertence b também estão ocupadas. Além disso, estas 2(n-1) ligações são realizadas através de sub-matrizes do andar intermédio diferentes.

• Assim, requer-se uma sub-matriz adicional no andar intermédio, o que perfaz um total de k=2n-1 sub-matrizes intermédias.

1

n-1

2n-2

2n-1

nnxk kxn

1º andar

2º andar

3º andar

n-1 saídas do 1ºandar ocupadas

n-1 entradas no 3ºandar ocupadas

n-1 entradas ocupadas n-1 saídas

ocupadas

É necessária uma sub-matriz adicional

Entrada livre

Saída livreb

a

#k

Teorema de ClosIndica o número mínimo de sub-

matrizes do andar intermédio que garantem ausência de bloqueio

de interligação em sentido estrito:k ≥ 2n-1


Comutação Digital Telefónica

• A comutação digital também é conhecida por comutação por divisão no tempo, porque neste tipo de comutação o circuito associado a uma conversação só é activado durante o intervalo de tempo correspondente a essa conversação.

• Note-se que, neste método, antes da operação de comutação, os canais telefónicos são amostrados à frequência de 8 kHz (o que origina um intervalo de amostragem de 125 μs), codificados com 8 bits e multiplexados para formar um sinal TDM.

Comutador

Espacial e

Temporal

3132 1231

1 trama

3132 1231

1 trama

3132 1231

3132 1231

1

N

1

N

O canal 3 (time-slot 3) da linha 1 de entrada é comutado para o canal 31 (time-slot 31) da linha N de saída.

A comutação tem lugar quer no domínio do espaço (linha 1 para a linha N), quer no domínio do tempo (do time-slot 3 para o time-slot 31).


Princípios da Comutação Temporal

• A comutação temporal consiste em transferir o conteúdo de um time-slot para outro time-slot.

TS2 TS2

TS7 TS7

Trama #1 Trama #2TS7 TS7

Trama #1 Trama #2

TS2 TS2

TempoTempo

• O conteúdo dos canais de entrada e saída do comutador mantém-se na mesma trama

• Atraso de 5 time-slots

• O conteúdo dos canais de entrada e saída do comutador é atrasado até à trama seguinte

• Se a via de entrada é um E1, 32 canais (time-slots), o atraso introduzido é (32-7)+2 = 27 time-slots

O atraso introduzido pode ir de zero até à duração de uma trama menos um time-slot


Implementação da Comutação Temporal

• A comutação temporal é implementada usando um dispositivo designado por TSI (Time-Slot Interchange). Exemplifica-se em seguida a utilização de um TSI para realizar o intercâmbio de time-slots entre tramas de entrada e tramas de saída.

• Implementação (escrita sequencial e leitura aleatória)

A B C D E A B C D E

Trama#1 Trama#2

DEA C

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

B CA B

1 ⇒ 3 2 ⇒ 5 3 ⇒ 4 4 ⇒ 2 5 ⇒ 1

Padrão de ligações

Entrada do TSI

Saída do TSI

A1B2C3D4

E5

5142133425

Contador Memória de endereços

E D A C B

tempo

EDA CB

tempo

Escrita sequencial controlada pelo contador

Leitura aleatória controlada pela memória de endereços

Endereço da célula

Conteúdo da célula

Memória de dados

Trama

TS#1

E L

tempo

Alocação do tempo de escrita (E) e leitura (L)

TS#2

E L

TS#3

E L

TS#4

E L

TS#5

E L ......Escrita pelo sistema de controlo da central


Dimensão das Memórias do TSI(escrita sequencial e leitura aleatória)

• Para uma trama da via TDM de entrada com w1 time-slots, e saída com w2 time-slots, cada um com b bits,

– Dimensão da memória de dados (w1 células de b bits cada): b × w1 bits– Dimensão da memória de endereços (w2 células de log2 w1 bits cada): w2 × log2 w1 bits

A1

.

.

.

Gw1

w11.2

..

..

1w2

Contador Memória de endereços

G … … … A

tempo

Escrita sequencial controlada pelo contador

Leitura aleatória controlada pela memória de endereços



Memória de dados

tempo

GA

Trama

TS#1 TS#w1

…

…

Trama

TS#1 TS#w2…



1 ⇒ w2...w1 ⇒ 1

Padrão de ligações


Dimensão máxima do Sistema de Comutação Temporal

• A dimensão do sistema de comutação temporal é limitada pelo tempo de acesso à memória.

• Para uma trama da via TDM (de entrada e saída) com w time-slots, cada um com b bits, e em que o débito binário por canal é Db

– Débito binário do sinal TDM: w·Db bit/s– Duração de cada time-slot: b/(w·Db) – Em cada time-slot dão-se dois acessos à memória (uma operação de escrita

e outra de leitura) o tempo de acesso deve verificar

ta ≤ b / (2w·Db)

3.8×10-93.1×10-84.9×10-72.0×10-6ta (s)

16384204812832wb = 8 bits

Db = 64 kbit/s


Comutador de Intercâmbio de Time-Slots

• Exemplo de aplicação de um comutador de intercâmbio de time-slots (TSI):

• As amostras dos diferentes canais (conteúdo dos time-slots) são escritas sequencialmente na memória de dados (com capacidade para 100 octetos).

• Os endereços de escrita são gerados por um contador de time slots. • A memória de dados é lida segundo a ordem determinada pelo conteúdo da memória de

endereços (ou de controlo).• No exemplo apresentado, para ligar as linhas telefónicas 1 a 99, a posição de memória de

endereços nº1 é programada com o número 99 e a posição 99 com o 1.

H

H

H

A/D &

MUX

DMUX &

D/A

0

1

990 1 99

Trama

0 1 99

10 99

- 99 1

Trama

Contador de time-slots

99

1

01

99

Memória de endereços

Memória de dados

Endereço de escrita

Endereço de leitura

Durante cada time-slot tem lugar uma operação de escrita e uma operação de leitura

o tempo de acesso à memória é dado por ta≤125μs/(2w), onde w é o número de canais por trama


Estrutura Básica de um TSI

• Estrutura básica de um TSI de 32 canais (w=32) com escrita sequencial e leitura aleatória

Memóriade dados

32x8

S/P P/S

Selector

Memóriade

endereços32x5

Contador

Selector

Endereço deleitura

Endereço deleitura

8 bits 8 bits

5 bits

5 bits

5 bits

Do sistema de controlo da central

Endereço deescrita

Endereço deescrita

5 bitsE/L

E/L

Endereços

2.048 Mbit/s

32 canais × 8 kHz / canal = 256 kHz

Relógio

Selecciona a operação de escrita ou leitura

E L E L E L

TS#1 TS#2 TS#w

Controla a leitura da memória de endereços e a escrita da

memória de dadosA memória de dados e a memória de endereços sãoimplementadas usando RAMs.

Cada RAM tem uma entrada, uma saída, um porto de endereços, um porto de comando de escrita / leitura e uma entrada de relógio.


Comutador Digital Espacial

• Um comutador digital espacial pode ser visto como uma matriz de pontos de cruzamento cuja configuração (estado dos pontos de cruzamento) pode ser alterada de time-slot para time-slot. Esses pontos de cruzamento são implementados usando portas lógicas rápidas, as quais são controladas por memórias (memórias de conexão).

1

2

n

1 2 m

1

w

1

w

1

w

O comutador compreende uma matriz nxm e um conjunto de memórias de conexão. As n linhas de entrada transportam vias TDM com w time-slots, enquanto que as m linhas de saída transportam também vias TDM com w time-slots.

Os pontos de cruzamento em cada uma das m colunas são controlados por uma memória de conexão com capacidade para armazenar um número de palavras igual ao número de time-slotsw. A cada ponto de cruzamento de uma coluna é atribuído um endereço binário único.

A dimensão das palavras da memória de endereços deverá ser suficiente para armazenar um endereço binário para cada um dos n pontos de cruzamento de cada coluna, mais um endereço para manter todos os pontos desactivados. São necessários n+1 endereços, cada um identificado por um número binário de log2 (n+1) bits.

Memóriasde conexão

Descodificadorde endereços


Comutação Digital Espacial (exemplo)• Exemplifica-se na figura abaixo a utilização de um comutador espacial para implementar

um determinado padrão de ligações.

1

2

7

1 2 7

Descodificador deendereços

Memórias deconexão

010111001

123

w

001010111

123

w

111001010

123

w

1 2 3 w

tempo

1

tempo

2 3 w

71

tempo

2 3 w1 2 3 w

1 22 3 21 3

tempo tempo21 3

1/TS1 → 2/TS1 2/TS1 → 1/TS1 7/TS1 → 7/TS1 7/TS2 → 1/TS2 2/TS2 → 2/TS2 1/TS2 → 7/TS2 1/TS3 → 1/TS3 7/TS3 → 2/TS3 2/TS3 → 7/TS3

Padrão de ligações001

010

111

001

010

111

001

010

111

Sinais TDM de entrada com w time-slots

Endereço do ponto de cruzamento


Arquitecturas de Comutação Digital• Os comutadores digitais podem ser baseados na matriz espacial digital (andar S), ou no TSI (andar

T), ou ainda na combinação de ambos. – Os andares S não podem comutar time-slots o que reduz a sua aptidão para interligar quaisquer dois assinantes. – Por sua vez, a dimensão dos comutadores digitais baseadas em andares T é limitada pelo tempo de acesso às

memórias. – Assim, usa-se, normalmente combinações de andares S e T.

• As arquitecturas com 2 andares introduzem bloqueio. Para ultrapassar o problema do bloqueio é necessário recorrer a arquitecturas com, pelo menos, 3 andares (Ex: TST ou STS).

15

Comutador

Espacial

NxN

1

N

TSI

TSI

TSIN

1

2 2

8215

15

15

Comutador

Espacial

NxN

1

N

TSI

TSI

TSIN

1

2 2

82

21

20

20TSI

TSI

TSI

15

21

15

Arquitectura TS Arquitectura TST

[1,2] ⇒ [N,15]

[1,8] ⇒ [2,15]Ligações

exemplificadasBloqueio: conflito entre

dois time-slots 15


Arquitectura STS

• As arquitecturas de comutação digital usadas normalmente utilizam três andares. A arquitectura STS usa um andar S (comutador digital espacial), seguido de um andar T (comutador de intercâmbio de time-slots) e termina com um andar S.

w time-slots

Comutador

Espacial

k x N

1

N

TSI

TSI

TSIN

1

2 2

82

15

15

Comutador

Espacial

N x k

8 15

2 151

k

tempo

Trama

TS#1 TS#w

……

tempo

Trama

TS#1 TS#w

……

tempo

Trama

TS#1 TS#w

……

tempo

Trama

TS#1 TS#w

……

[1,2] ⇒ [N,15]

[1,8] ⇒ [2,15]

Ligações exemplificadas

Factor de concentração:

N / k


Arquitectura TST

Comutador

Espacial

N x N

1

N

TSI

TSI

TSIN

1

2 2

82

21

20

20

TSI

TSI

TSI

15

21

15

l: # time-slots internosw: # time-slots externos

[1,2] ⇒ [N,15]

[1,8] ⇒ [2,15]

Ligações exemplificadas

tempo

Trama

TS#1 TS#w

……

tempo

Trama

TS#1 TS#l

……

tempo

Trama

TS#1 TS#l

……

tempo

Trama

TS#1 TS#w

……

• A arquitectura TST usa um andar T (TSI), seguido de um andar S (comutador espacial) e termina com um andar T.

Factor de concentração:

w / l


Interligações numa Matriz de Comutação TST

• Pretende-se estabelecer a interligação: A2/TS10→C1/TS45

2124

Memória de conexão MC-B1

1

21

3

MC-B2 MC-B3

10

10

124

124

45

124

124

45

10

45 C1

A1

TSIMemória de dados


Escrita sequencial - Leitura aleatória

No time-slot 124 é lido o conteúdo da célula de memória de dados com endereço 10.

Escrita aleatória - Leitura sequencial

No time-slot 124 é escrita a célula da memória de dados com endereço 45.

ME-A1

MD-A1

ME-A2

MD-A2 ME-C1

MD-C1

No time-slot 124 é activado o ponto de cruzamento com endereço 2.

Para realizar este tipo de interligações o sistema de controlo escolhe um time-

slot livre na matriz espacial. Neste caso o time-slot considerado é o 124.

Matriz espacial digital

A2


Interligações numa Matriz de Comutação STS

• Pretende-se estabelecer a interligação: A1/TS10→C1/TS45

345

Memória de conexão MC-C1

1

21

3

2MC-C2 2MC-C3

10

10

45

45

10

Matriz espacial de entrada Memória de dados


No time-slot 45 é lida a célula da memória de dados com endereço 10

ME-B2

MD-B2

ME-B3

MD-B3

No time-slot 10 é activado o ponto de cruzamento com endereço 3 da entrada A1

2

1

21

3

2MC-A2 2

MC-A3

10

Matriz espacial de saída

A2

A1

A3

3 10MC-A1Memórias de conexão

B3

B2

B1

Escrita sequencial - Leitura aleatória

C3

C2

C1

45

No time-slot 45 é activado o ponto de cruzamento nº3 da saída C1


Exemplos de Centrais Digitais

Fabricante DesignaçãoAno de

Introdução AplicaçãoNúmerode linhas

As dimensões do comutador digital espacial aumentamcom o quadrado do número de linhas de entrada / saída

as matrizes espaciais são implementadas em vários andaresestruturas TSSST (EWSD) ou TSSSST (4 ESS)

Toll = Inter-urbano

ESS = Electronic Switching SystemEAX = Electronic Automated eXchange


Central de Comutação EWSD

Principais sub-sistemas:• CP (call processor)• CCNC (common channel

network control)• DLU (digital line unit)• SN (switching network)

• Espaço requerido com 10 000 linhas: 35 m2

DLU Unidade de assinante e concentração SN Bloco do grupo de comutação

CP103: máximo de 22000 call attempts na HMC CP112: máximo de 60000 call attempts na HMC CP113D: máximo de 106 call attempts na HMC CP113C: máximo de 6×106 call attempts na HMC CP113E: máximo de 10×106 call attempts na HMC

Estrutura da SN TSSST Capacidade ≅ 30 000 Erlang

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