TT089 - Comutação em Telecomunicaçõesaula 3

Transmissão e multiplexação digitais

Luis Fernando de Avila

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Introdução

Transmissão analógica

• Os repetidores são simplesmente amplificadores queamplificam o sinal juntamente com o ruído que ésomado a cada novo trecho.

• Assim, após um certo número de repetidores, arelação entre sinal e ruído, S / N, estará tão baixa quenão será possível distinguir entre o sinal e o ruído.

98

99

Transmissão digital

• Não há somente o processo de amplificação.

• Há também, os processos de detecção e de regeneração dos bits.

• O sinal impregnado de ruído que chega ao repetidor digital sofreum processo eficiente de detecção de bits.

• Após a detecção dos bits, existe o processo de regeneração queconsiste em retransmitir os bits nos formatos originalmentetransmitidos

• Em cada repetidor digital, os bits são recuperados exatamente como se fossem no primeiro trecho do sistema de transmissão, assim, podendo atingir, teoricamente, a uma distância infinita.

• Na prática, isso não ocorre, pois os processos de detecção e regeneração são imperfeitos e ocasionam um limite na distância coberta pelo sistema de transmissão digital.

Sistema de transmissão digital plesiócrona

• é formado por centrais locais que concentram os aparelhos telefônicos, repetidores e centrais de trânsito

• O trecho entre o aparelho telefônico e a central local, na maioria dos casos, é analógico

100

Central local digital

101

Multiplexador (Mux)

atribui, de uma maneira seqüencial, a cada um dos 32 canais, um intervalo de tempo para transmitir 8 bits.

Esse processo é repetido a cada 125 μs; intervalo esse denominado de quadro.

Dos 32 canais, 30 canais são de voz, um de sincronismo e um de sinalização.

O enlace de saída, portanto, opera a uma taxa de (32 x 8) / 125 μseg. = 2,048 Mbps (Mega-106- bits por segundo) . Por simplicidade essa taxa é escrita como 2 Mbps.

102

Os canais são numerados de 0 a 31.

O canal 0 é utilizado para sincronismo e o canal 16 é reservado para sinalização.

Essa estrutura de quadro para o PCM é utilizada na Europa e no Brasil e corresponde a uma freqüência de amostragem de 8 KHz, e uma codificação de 8 bits por amostra

103

Sistema de transmissão a 2Mbps

104

Repetidor

105

Redes de transporte

• As redes de transporte de informações (voz, dados e vídeo) são compostas de sistemas de transmissão que interconectam os equipamentos de comutação das redes de pacotes ou das redes de telefonia (centrais telefônicas).

106

• Os sistemas de transmissão utilizam meios físicos fiados ("wired "), como, por exemplo, cabo coaxial e fibras ópticas ou meios sem fio ("wireless") (espaço livre) para a transmissão das informações, como, por exemplo, sistemas rádio.

107

• Os primeiros sistemas de transmissão desenvolvidos eram analógicos, pois mantinham a forma original do sinal a ser transmitido, e utilizavam a técnica de multiplexação denominada FDM (Frequency

Division Multiplex) para agregar vários canais de voz no mesmo meio de transmissão

108

• No FDM, cada canal de voz modula uma determinada portadora, separada da outra por 4 kHz. O resultado é a translação das frequências de voz para um sinal composto, a banda base, que contém a informação de todos os canais. No FDM, os sinais de voz são sempre mantidos na forma original (somente se alteram as frequências), portanto é um sistema analógico.

109

• A multiplexação dos canais de voz também pode ser feita em relação ao tempo, denominada TDM (Time Division Multiplex) ou multiplexação por divisão de tempo. Nesse método, o sinal de voz é amostrado em intervalos de tempo regulares e as amostras convertidas num código binário e transmitidas agrupadas no meio de transmissão. No destino, outro sistema multiplex TDM recupera os sinais de voz em sua forma original.

110

• Os sistemas digitais TDM surgiram no início dos anos de 1970 com a técnica denominadaModulação por Código de Pulso (PCM - Pulse

Code Modulation). No PCM, os sinais de voz analógicos, que ocupam a faixa de 300 a 3.400 Hz, são amostrados e cada amostra é digitalizada e codificada em 8 bits.

111

112

• O primeiro sistema PCM mundial foi desenvolvido nos EUA e agregava 24 canais de voz (PCM-24) em vez de 30 canais.

• O PCM-24 (também é denominado T1) e o PCM-30 (também denominado E1) são conhecidos como sistemas primários, e formam a base para a Hierarquia Digital Plesiócrona (Plesyochronous Digital Hierarchy - PDH).

• Na PDH, em função da quantidade de canais agregados no feixe, bem como da taxa de bits utilizada na transmissão, várias ordens são formadas e padronizadas internacionalmente, sendo a primeira ordem 2.048 kbits/s, 30 canais, a segunda ordem 8.448 kbit/s, 120 canais etc.,

113

Operação plesiócrona

114

Sistema PCM americano

A importância do sistema PCM americano está no fato histórico, pois foi o primeiro sistema PCM desenvolvido no mundo. Assim apresenta algumas limitações técnicas, como utilizar bits dos canais de voz para a sinalização.

A freqüência de amostragem é 8 KHz e cada canal contém 8 bits. Assim, a taxa de transmissão de bits será [(24 x 8) +1] / 125 μseg. = 1,544 Mbps.

O sistema PCM americano é conhecido também por T1.

115

Hierarquia PDH na América do Norte e Europa

116

No sistema americano de hierarquia superior , a 1a hierarquia (DS-1) corresponde a enlace de 1,544 Mbps que multiplexa 24 canais de voz

117

• O primeiro sistema PCM desenvolvido no Brasil foi denominado MCP-30 e desenvolvido inicialmente na UNICAMP e posteriormente transferido ao CPqD da Telebrás para industrialização. O MCP-30 é um multiplexador de 30 canais de voz, que utiliza a tecnologia PCM/TDM (multiplexação por código de pulso/multiplexação por divisão no tempo) e opera a uma taxa de 2,048 Mbit/s. Destina-se a interligar centrais telefônicas em áreas urbanas e metropolitanas.

118

119

Hierarquia Digital Plesiócrona

OrdemNível da

Hierarquia

Taxa de bits

em Kbit/s

Nº de Canais

Meio de Transmissão

1 E1 2.048 30 Cobre

2 E2 8.448 120 Cobre

2 E3 34.368 480 Fibra / Rádio

4 E4 139.264 1920 Fibra / Rádio

120

121

O sinal ou feixe agregado de cada ordem é formado pela união de quatro feixes tributários da ordem imediatamente inferior, mediante o

entrelaçamento de bits, ou seja, um bit do tributário 1 é seguido por um bit

do tributário 2 e assim por diante.

122

A taxa de bits do sinal agregado é sempre superior ao quádruplo da taxa de bits dos tributários que o compõem. Isso ocorre

devido à necessidade de adição de bits em cada feixe, a fim de sincronizá-lo para que a multiplexação possa ser efetuada.

Na PDH, embora todos os feixes possuam a mesma taxa nominal de bits, eles são plesiócronos, ou seja, apresentam taxas de bits

ligeiramente diferentes entre si, devido a serem controlados por relógios independentes que podem variar suas freqüências

dentro de certas tolerâncias.

Para serem levados a uma taxa de bits comum, utiliza-se a técnica de justificação de bits (bit stuffing), mediante inserção, em determinada posição do quadro, de um bit de enchimento

ou de justificação

123

124

Devido à possibilidade de esse bit ser ou não inserido, em função da frequência instantânea de cada tributário, torna-se

necessário incluir no quadro informações sobre a condição do bit

situado na referida posição, ou seja, informar quando se trata de um bit de justificação ou não.

Tal informação está nos bits de controle de justificação inseridos nos quadros das diversas ordens hierárquicas.

125

126

Problemas da PDH

• Padronização Parcial

• pelo menos duas versões diferente

• Dificuldade Derivação/Inserção de Tributários

• Pouca Capacidade para Gerência de Rede

127

Sistema de Transmissão Digital Síncrona -

SONET/SDH • Definição

A SDH é uma rede síncrona de transporte de sinais digitais, formada por um conjunto hierárquico de estruturas de transportes padronizadas objetivando a transferência de informação sobre redes digitais e oferecendo aos operadores e usuários flexibilidade e economia.

128

• Os primeiros esforços de desenvolvimento dessa nova hierarquia de transmissão foram feitos no Bellcore (Bell

Communications Research) através do sistema denominado SONET (Synchronous Optical Network), pois ele utilizava um padrão para as interfaces ópticas.

• O primeiro nível hierárquico do SONET foi padronizado à taxa de 51,84 Mbit/s, ligeiramente superior à dos sistemas PDH americanos de 45 Mbit/s (terceiro nível) que eram amplamente difundidos no país.

• A seguir, o ITU-T padronizou o SDH, inicialmente, à taxa primária de 155 Mbit/s e compatível com o SONET a partir do terceiro nível (51 Mbit/s x 3 =~ 155 Mbits).

• Atualmente a interface de 51 Mbit/s também é padronizada na SDH.

129

Normas ITU-T

Normas Descrição

G.707Estrutura de multiplexação, formação do

quadro, ponteiros, cabeçalhos etc.

G.783 Tipos de equipamentos SDH e suas funções

G.784, G.774G.773

Gerência de recursos da rede

G.803 Tipos de configurações de rede

G.813 Sincronismo

G.841-2 Proteção da rede em anéis

G.957-8 Descrição da camada física

130

O sistema de transmissão síncrona foi planejado para solucionar as deficiências do sistema PDH, e com os seguintes objetivos:

a) Interconectar diferentes sistemas de transmissão.

b) Multiplexar canais digitais de diferentes taxas de transmissão.

c) Proporcionar suporte para operação, administração e manutenção.

131

1º padrão: SONET (Synchronous Optical Network) desenvolvido pelos EUA

2º padrão: SDH (Synchronous Digital Hierarchy), padronizado pela ITU-T, como padrão europeu e mundial.

Entretanto, diferente do que foi feito no sistema PDH, há bastante compatibilidade entre o sistema SONET e SDH.

O ITU-T desenvolveu o padrão SDH, tomando como base o SONET.

132

• Atualmente, o cenário das redes de transmissão é constituído de redes PDH e de redes SDH interconectadas, além dos sistemas ópticos que utilizam a técnica WDM ou multiplexação de comprimentos de onda.

• Essas diversas tecnologias integradas resultam num cenário com as seguintes características:

– infraestrutura simples,

– interfaces padronizadas,

– proteção total,

– tempo de comutação de proteção rápido e

– funcionamento estável e automático.

• A topologia mais utilizada é em forma de anéis autorregenerativos (self-

healing), pois é a mais adequada para obter as características anteriormente mencionadas.

133

Redes SDH

Nível da SDH Taxa de Bits ( Mbit/s)

STM-0 51,840

STM-1 155,520

STM-4 622,080

STM-16 2.488,320

STM-64 9.953,280

STM-256 39.813,120

134

• O Módulo de Transporte Síncrono (Synchronous Transport Module - STM) corresponde a uma estrutura básica de transporte de dados do SDH, constituída de quadros (frames), no qual os dados são armazenados.

• Um quadro STM-1 é composto por 2.430 bytes arranjados em uma estrutura de 270 colunas por nove linhas.

• Os bytes são transmitidos de forma serial, linha por linha, da esquerda para a direita, e o bit mais significativo de cada byte é transmitido primeiro.

• A duração do quadro é de 125 µs, o que corresponde a uma taxa de transmissão de 155,520 Mbit/s: (2.430 bytes x 8 bits)/125 µs.

135

136

O quadro STM-1 possui três campos principais:

• Área de Carga Útil (Payload);

• Ponteiro de AU (Administrative Unit);

• SOH (Section Overhead) - composto de MSOH (Multiplex SOH) e RSOH (Regenerator SOH).

137

Os sistemas SDH podem ser comparados aos sistemas de transporte de carga, em que as informações a serem transmitidas, denominadas contêineres virtuais (VCs), são inseridas na carroceria e na cabine é efetuado o controle da carga (direção, supervisão, entrega).

138

• Os sinais de 2 Mbit/s, 34 Mbit/s ou 140 Mbit/s

da PDH são mapeados (inseridos) individualmente em estruturas do tipo contêineres para serem trans-portados na rede SDH, denominados C-12, C-3 e C-4 respectivamente.

• A seguir, bytes para supervisão denominados POH (Path Overhead) são adicionados a eles, formando as estruturas denominadas contêineres virtuais (VCs).

139

Os contêineres virtuais padronizados, que podem ser utilizados para formar o quadro STM-N, de acordo com a estrutura de multiplexação do SDH, estão indicados na

Tabela

Tipo de VC Taxa do VC Carga Útil do VC

VC-11 1.664 kbit/s 1.600 kbit/s

VC-12 2.240 kbit/s 2.176 kbit/s

VC-2 6.848 kbit/s 6.784 kbit/s

VC-3 48.960 kbit/s 48.384 kbit/s

VC-4 150.336 kbit/s 149.760 kbit/s

VC-4.4c 601.304 kbit/s 599.040 kbit/s

VC-4.16c 2.405.376 kbit/s 2.396.160 kbit/s

VC-4.64c 9.621.504 kbit/s 9.584.640 kbit/s

VC-4.256c 38.486.016 kbit/s 38.338.560 kbit/s

140

• Além dos bytes de supervisão, ponteiros que indicam o início do VCs dentro do quadro também são adicionados a cada VC, formando as unidades tributárias (TUs).

• Vários TUs multiplexados formam os TUGs (Tributary Unit

Groups).

• Por sua vez, os TUGs são inseridos em contêineres virtuais de ordem superior (VC-3 e VC-4) e a seguir ponteiros são inseridos novamente, dando flexibilidade à estrutura.

• Essa nova entidade é denominada AU (Administrative Unit).

141

Por fim, um sinal STM-N é composto de um agrupamento de AUs, denominado AUG-N (Administrative Unit Groups-N), em que

a) Um AUG-256 pode consistir em:

1. quatro AUG-64;

2. um AU-4.256c.

b) Um AUG-64 pode consistir em:

1. quatro AUG-16;

2. um AU-4.64c.

c) Um AUG-16 pode consistir em:

1. quatro AUG-4;

2. um AU-4.64c.

d) Um AUG-4 pode consistir em:

1. quatro AUG-1;

2. um AU-4.4c.

e) Um AUG-1 pode consistir em:

1. um AU-4;

2. três AU-3s. 142

143

No Brasil, somente uma parte da estrutura de multiplexação padronizada pelo ITU-T é utilizada, e é apresentada na Figura

144

Mapeamento de 2 Mbit/s no STM-1

Para preencher a capacidade de carga de um STM-1 (155 Mbit/s), são utilizados 63 sinais de 2 Mbit/s (63 x TU-12).

RSOH

MSOH

AU - 4

VC - 4

PTR

P

O

H

PTR

TU-12

2M

POHVC-12

C-1263 x TU-12

145

Mapeamento de 34 Mbit/s no STM-1

Para preencher a capacidade de carga de um STM-1 (155 Mbit/s), são utilizados três sinais de 34 Mbit/s (3 x TU-3).

RSOH

MSOH

AU - 4

VC - 4

PTR

P

O

H

TU-3

3 x TU-3

VC-3

PTR

POH

C-3

34M

146

Mapeamento de 140 Mbit/s no STM-1

RSOH

MSOH

STM - 1

AU - 4

VC - 4

PTR

C - 4

P

O

H

140M

147

140M(3)140M(2)

140M(1)

- Quantas vias de VC-4 e VC-3 existem na rede abaixo? Identifique-as. Exemplo: 2 VC-4 (A-B).

ADM ADMTM TM

TM

140M(4)

34M(3)

34M(2)34M(1)

34M(4)34M(1)

140M(5)

140M(3)140M(1) 34M(4)

STM-4

STM-1

A

E

B C

D

140M(4)

140M(2)

140M(5)

34M(2)

34M(3)

EXERCÍCIO

ADM: Add-Drop Multiplexer

TM: Terminal Multiplexer

148

VC-4:2 x (A-B), 1 x (A-C), 1 x (A-D), 2 x (B-D), 1 x (B-E) e1 x (C-D)

VC-3:2 x (A-D), 1 x (A-E) e 1 x (B-E)

RS = MS:1 x (A-B), 1 x (B-C), 1 x (B-E) e 1 x (C-D)

13) - Quantas vias de VC-4 e VC-3 existem na rede abaixo?

Identifique-as. Exemplo: 2 VC-4 (A-B).

- Identifique as seções de multiplexação e de regeneração.

RESOLUÇÃO DE EXERCÍCIO

149

STM-? B...

.

.

.

A

34M

34M34M

34M

22x2M 22x2M

Lembrar que:

VC-4

VC-12

VC-3

63 42 21

1 2 3

2) Planejar os nós A e B para a menor taxa de transmissão possível.Considerar os sinais de 34M compostos de 16x2M.

EXERCÍCIOS

150

RESOLUÇÃO SEM UTILIZAR MUX DA PDH

A B = 2 VC-3 + 22 VC-12 = 1 VC-4 + 1 VC-12 > VC-4

A B = 2 STM-1 ou 1 STM-4

A B = 1 VC-3 + 16 VC-12 + 22 VC-12 = 1 VC-3 + 38 VC-12 < VC-4

A B = 1 STM-1

RESOLUÇÃO UTILIZANDO MUX DA PDH

2)

RESOLUÇÃO

151

STM-1 TM

P

D

H

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

P

D

HTM

34M

34M34M

34M

22 x 2M 22 x 2M

2M 2M

2) continuação

RESOLUÇÃO

152

PDH

2M

PDH

2M

PDH

2M

A

B

C

D

140M

140M

140M

42x2M

1 2

4

.

.

.3

. . .

CPA

3) Planejamento de rede: considerando a topologia de rede abaixo comsua matriz de tráfego correspondente, planejar os nós 1, 2, 3 e 4 con-siderando equipamentos da PDH e da SDH de modo a minimizar a taxa nos enlaces STM-N.

= um par de fibras

EXERCÍCIOS

153

Exercício 3 - Matriz de Tráfego

3

16 x 2M 26 x 2M 22 x 2M

1 x 140M

1 x 34M 2 x 34M 1 x 34M

10 x 2M 32 x 2M

16 x 2M1 x 140M

10 x 2M

A

B

C

D

2

3

2 4

10 x 2M

EXERCÍCIOS

154

Padrão de Tráfego em VCs

3

16 x VC-12 26 x VC-12 22 x VC-12

1 x VC-4

1 x VC-3 2 x VC-3 1 x VC-3

10 x VC-12 32 x VC-12

16 x VC-12

1 x VC-410 x VC-12

A

B

C

D

2

3

2 4

10 x VC-12

3)

RESOLUÇÃO

155

Tráfego por Enlace

1 2 2 3 2 4

A 2

A 3

A 4

B 3

C 2

C 3

C 4

D 2

D 3

2 3

2 4

3 4

16 x VC-12

26 x VC-12

22 x VC-12

1 x VC-4

1 x VC-3

2 x VC-3

1 x VC-3

10 x VC-12

32 x VC-12

26 x VC-12

22 x VC-12

1 x VC-4

2 x VC-3

1 x VC-3

32 x VC-12

1VC-4 + 16VC-12

10 x VC-12

10 x VC-1210 x VC-12

TOTAL106 x VC-12 +

4 x VC-3 + 1 x VC-4

84 VC-12 +

2 xVC-3 + 2 x VC-4

42 x VC-12 +

1 x VC-3

3) continuação

RESOLUÇÃO

156

1 2 : 106 VC-12 + 4 VC-3 + 1 VC-4 = 63 VC-12 + VC-4 + 3 VC-3 ++ VC-3 + 43 VC-12 = 4 VC-4 + 1 VC-12 > STM-4

1 2 : 106 VC-12 + (3 VC-3 +16 VC-12) + 1 VC-4 = 122 VC-12 + + 3 VC-3 + 1 VC-4 = 63 VC-12 + 3 VC-3 + 1 VC-4 ++ 59 VC-12 = 3 VC-4 + 59 VC-12 < STM-4

2 3 : 84VC-12 + 2 VC-3 + 2 VC-4 = (63 + 21) VC-12 + 2 VC-3 ++ 2 VC-4 = 4 VC-4 = STM-4

Desmontando um feixe de 34M em 16 x 2M (MUX da PDH):

2 4 : 42 VC-12 + 1 VC-3 = 1 VC-4 = STM-1

3) continuação

RESOLUÇÃO

157

STM-42

42x2M

P

D

H

.

.

.

P

D

H

2M

34M

.

.

.

P

D

H

.

.

.

2M

140M

140M

140M

T

M

A

B

C

D

3) cont.

Nó 1

RESOLUÇÃO

158

P D H

2M

140M52x2M

STM-4

. . .

A D MSTM-4

. . .

STM-134M

1 3

4

3) cont. Nó 2

RESOLUÇÃO

159

2

84x2M

STM-4 T

M

.

.

.

34M

34M

140M

140M

3) cont. Nó 3

RESOLUÇÃO

160

3) cont.

42x2M

STM-1

2

34M

T M

. . .

Nó 4

RESOLUÇÃO

161