Sistemas e Redes
de
Telecomunicações
Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e
e de Computadores
Capítulo 1
Introdução às redes de
telecomunicações
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
2
Aspectos da Evolução das Telecomunicações
1876 - Invenção do telefone (Alexander Graham Bell)
1891 - Primeira central de comutação automática (Strowger)
1936 - Invenção do PCM (Alec Reeves)
1964 - Concepção da comutação por pacotes (Paul Baran)
1965 - Primeiro satélite geo-estacionário (Intelsat1, 240 circuitos)
1965 - Transmissão a 2 Mbit/s no Reino Unido (30 circuitos)
1966 - Proposta de usar as fibras ópticas em telecomunicações (Kao)
1968 - Primeira central de comutação digital (tecnologia TTL)
1969 - ARPANET (1ª rede de pacotes)
1980 - Início da normalização do GSM
1985 - Proposta da SONET (Belcore)
1988 - Primeiro cabo transatlântico digital em fibras ópticas (4 000 circuitos)
1990 – Digitalização das redes a nível mundial usando como suporte a SDH
1995 – Mais de 800 milhões de telefones em todo o mundo
1996 - Cabo submarino óptico TAT12/13 (122 880 circuitos)
2000 - Sistemas de transmissão óptica com 160x10 Gbit/s( 107 circuitos)
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
3
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
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
4
Evolução do tráfego Internet total nos 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.
Cresce 35% ao
ano
Fonte: Maurizio Dècina, ECOC 2003
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
5
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.
Tráfego
Telefónico (voz)
Actualmente o tráfego de dados é
dominante nas redes dorsais.
Actualmente o planeamento das
infraestruturas de telecomunicações
deve ser determinado pelo tráfego de
dados
© João Pires
Dados (Internet)
1990
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
2010
6
Evolução dos débitos no acesso de cobre
Fonte: João Santos e Orlando Quadros, TFC, 2006
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
7
Definição e Ramos
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
• 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.
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
8
Critérios de qualidade
Fidelidade
As redes de telecomunicações devem garantir que a
informação nas suas diversas formas (voz, música, vídeo,
texto, etc.) é transmitida sem perdas e alterações.
Fiabilidade
As redes de telecomunicações públicas devem assegurar um
serviço permanente e sem falhas (menos de duas horas de
indisponibilidade em 40 anos).
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
9
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.
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
10
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.
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
11
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.).
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
12
Topologias
Representação de uma rede por um grafo
2
1
Fluxo de
informação
v1
e5
3
v5
v2
e1
e6
e2
Grafo da
rede
e7
e4
5
e3
v3
v4
4
•
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.
Topologia física
© João Pires
Topologia lógica
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
13
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
Anel
Anel
Malha
A
B
Topologias com meio partilhado
C
D
Barramento (Bus)
© João Pires
Árvore
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
E
14
Planos de Rede
• Numa rede de telecomunicações podem-se individualizar três
panos: Plano de utilizador, plano de controlo e plano de
gestão.
• 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.
Um exemplo de um plano de controlo é o sistema de sinalização nº 7.
• 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).
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
15
Estratificação em camadas
•
Uma rede de telecomunicações pode-se dividir em camada de rede
de transporte e camada de rede de serviço. 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
telefónica
Rede
de dados
Rede
celular
Rede
de cabo
Circuitos
alugados
Rede de Transporte
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
16
Rede de Transporte
• A rede de transporte é uma plataforma tecnológica que
assegura uma transferência transparente e fiável da
informação à distância, permitindo suportar difererentes
serviços.
• A rede de transporte garante diferentes funcionalidades, como
sejam, transmissão, multiplexagem, encaminhamento,
protecção, supervisão e aprovisionamento de capacidade.
• A rede de tranporte 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.
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
17
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).
Camada de rede de serviço
d
CC
CC
c
CC
Tecnologias de rede
para o transporte: SDH
(Synchronous Digital
Hierarchy) , WDM,
(Wavelength Division
Multiplexing), OTN
(Optical Transport
Network)
© João Pires
a
CC
ADM
ADM
E
A
b
D
ADM
ADM
ADM
C
Camada de rede de Transporte
B
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
18
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.
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).
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
Núcleo
100s-1000s km
Malha
Metro
10-100 km
Anel
Acesso
<10 km
Anel, estrela, etc
Utilizadores
19
Rede Telefónica Pública Comutada
• A topologia em estrela é a solução mais simples
A topologia mais simples para uma rede
telefónica é a topologia em estrela, ligando
uma central de comutação telefónica ao
equipamento terminal do utilizador.
Central de
comutação
tefefónia
CC
Quando a dimensão da rede aumenta, tornase mais económico dividir essa rede em subredes de pequenas dimensões, cada uma
servida pela sua própria central de
comutação telefónica.
Telefone
nº óptimo
de centrais
custo total
Para interligar todas as centrais entre si, a
solução mais económica é usar uma central
de nível superior: central tandem.
Custo
custo da comutação
custo da linha
Número de centrais de comutação
Estrutura hierárquica
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
20
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.
Central internacional
Rede internacional
Centros de trânsito
secundário
Rede de núcleo ou
de troncas
Centros de trânsito
primários
Rede de junção
Central
Tandem
Centrais locais
Rede de acesso
ou local
Linha de assinante
Transmissão
a 2 fios
•
A linha de assinante é constituída por pares de cobre, por isso esta
rede é muitas vezes designada por rede de cobre
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
21
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.
Equipamento
de rede. Conversão A/D
Central
analógica
CT
Telefone analógico
Transmissão digital
CL
Transmissão analógica
CT
RDI
CT
CL
Acesso
analógico
•
CL
CL
CL
CR
CT
Central de trânsito digital
CL
Central local digital
CR
Concentrador digital
A qualidade do sinal na RDI devido à regeneração é independente do
número de troços e centrais presentes na ligação.
Passo seguinte:
© João Pires
Proporcionar transmissão digital até ao utilizador (RDIS)
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
22
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
Acesso primário
2x64 Kbits – canais B para comunicação
30x64 Kbits – canais B para comunicação
1x16 kbit/s – canal D para sinalização
1x64 kbit/s – canal D para sinalização
Interface U a 2 fios a 160 kbit/s
Interface U a 4 fios a 2 Mbit/s
Acesso prima´rio
PPCA
NT1
Interface U
Interface T
Interface S
Central de
comutação
Acesso básico
Para manter compatibilidade
com os telefones analógicos
usa-se um adaptador TA
NT1
Telefone analógico
© João Pires
Interface U
TA
Telefone digital
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
23
Redes híbridas fibra-coaxial
•
As redes de distribuição de televisão por cabo CATV ( CAble TV) (rede de
cabo) usam uma infraestrura de fibra óptica, para servirem células de 200 a
1000 utilizadores, seguida de uma rede em cabo coaxial.
Cabeça
de
Rede
Fibra Óptica
Nó de acesso
óptico
•
Amplificador de tronca
com repartição
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
Utilizador
Repartidor
coaxial
Utilizador
Cabo coaxial
A rede coaxial
apresenta uma
topologia em
árvore
Amplificador
de linha
O servidor situado na cabeça da rede distribui para os utilizadores os
diferentes sinais de televisão usando multiplexagem por divisão na frequência
(FDM).
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
24
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.
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.
Cabeça
de Rede
Rede de
Transporte
Primária
Par de fibras
ópticas
Nó de
Acesso
Rede de
Transporte
Secundária
•
No nó de acesso acesso o sinal óptico é
convertido para um sinal de radiofrequência
(RF) e injectado na rede coaxial
Nó de
Acesso
Fibra óptica
Nó de acesso
óptico
Rede Coaxial
A rede de transporte primária usa a informação digitalizada.
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
25
Espectro de radio-frequência
•
O canais de televisão (serviço distributivo) fazem uso da banda
directa 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.
Via de
Retorno
5
•
Canais
FM
65 88
Canais de TV
analógicos
Canais
digitais
108 111
550
Upgrade
futuro
750
1000 f (MHz)
Note que os sinais transmitidos são sinais de radiofrequência FDM,
logo analógicos.
Desmodulador (Televisor)
Fibra
Óptica
Receptor
Óptico
f1
fN
f
f
Sinal de radiofrequência
fN
Oscilador local sintonizável
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
Filtro Passa
Baixo
26
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.
Cobre
Plataforma de acesso
multiserviço
Camada de rede de serviço
IP/MPLS
Cobre
Fibra
ONU
Fibra
OTN
Rede BT 21st
Century
Network
Camada de rede de Transporte
Utilizador
© João Pires
Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)
27