Rede Telefónica Pública Comutada
- Estrutura geral: rede local ou de acesso •
Uma grande parte da rede local é constituída pela infra-estrutura de
cobre [fios de cobre entrelaçados (cooper twisted pair) - par simétrico]
que liga os telefones dos assinantes às centrais locais.
Centenas ou milhares
de pares simétricos
Central
local
Limite da área de serviço
Grupos de casas
Interface de
área de serviço
•
Área de serviço
As áreas de serviço podem ter diferentes dimensões, desde uma dezena
de km2 nas áreas urbanas até algumas centenas nas áreas rurais.
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1
Estrututa simplificada da central local
•
A central local é constituída pelo repartidor principal, a interface da linha do
assinante (ILA), os multiplexadores TDM e o comutador
ILA
conversão
conversãode
de22para
para44fios
fios
(e(evice-versa)
vice-versa)
conversão
conversãoanalógica
analógicadigital
digital
eegerar
geraroosinal
sinalPCM
PCMaa64
64kbit/s
kbit/s
correspondente
correspondenteao
aosinal
sinalde
devoz
voz
Mux/Demux TDM
Acesso primário
Para desligar o telefone de um assinante, basta remover o cordão
existente no repartidor principal que liga o par simétrico à ILA
agregação
agregaçãodos
dossinais
sinaisaa64
64kbit/s
kbit/s
gerados
geradospela
pelaILA
ILApara
paraformar
formaroo
sinal
sinalcorrespondente
correspondenteàsàstramas
tramasE1
E1
(2(2Mbit/s)
Mbit/s)antes
antesde
deser
serencaminhado
encaminhado
para
paraaarede
redepelo
pelocomutador
comutador
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2
Aspectos da infraestrutura das redes telefónicas
- Rede de acesso convencional: serviço POTS ILA - Interface da linha do assinante
RP - Repartidor Principal
ASR - Armário de sub-repartição
CD – Caixa de distribuição
Lacete de assinante
CD
Central local
+
ILA
ASR
CD
Assinantes
RP
CD
Pares simétricos
Características de transmissão dos pares
simétricos:
• Distorção de amplitude - Pupinização;
• Distorção de fase (não é relevante);
• Atenuação máxima admissível no lacete
de assinante: 8 dB (@ 1 kHz).
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3
Rede de acesso usando unidades remotas
MUX – Multiplexador TDM
UR – Unidade remota
CD – Caixa de distribuição
Lacete de assinante
CD
+
MUX/
DEM
UX
MUX/
DEMUX
Central local
UR
CD
Assinantes
CD
Fibra óptica
Feixes
hertzianos
Pares
simétricos
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4
Unidades Remotas
•
As unidades remotas podem funcionar em modo com concentração ou sem
concentração
•
Sem concentração: o número de timeslots disponíveis na trama (K) é igual ao
número de assinantes (N)
Central
local
N Assinantes
N time-slots
Unidade
remota
•
Com concentração: atribuição de timeslots disponíveis aos assinantes consoante
estes necessitem
– Introduz bloqueio
– Solução utilizada em áreas com tráfego
reduzido
Central
local
N Assinantes
K time-slots (K<N)
Unidade
remota
(concentrador)
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Acesso à Internet através da rede telefónica
Acesso
Directo – utilizadores empresariais
Indirecto – utilizadores domésticos
usa a rede telefónica para
aceder aos ISP (Internet
Service Providers)
Banda
estreita
Modems
na banda
de voz
•
Banda
larga
ADSL;
soluções
ópticas (PON)
O utilizador liga-se ao POP (Point of Presence) da rede telefónica. Este por sua
vez, liga-se ao POP dos ISPs através de circuitos alugados ou canais virtuais
permanentes estabelecidos através de uma rede ATM
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6
Acesso de banda larga
• O acesso de banda larga baseado no ADSL, inclui na rede de acesso, para além do
modem ADSL (cliente), os multiplexadores DSLAM - Digital Subscriber Line
Acess Multiplexer – (central local) e a ligação aos ISPs é feita utilizando o ATM
•
•
Cada DSLAM interliga várias centenas de modems ADSL à rede IP através de
uma rede de banda larga ATM
Para separar os sinais de banda estreita dos de banda larga, utiliza-se um filtro
(splitter) para separar a banda dos 0 a 4 kHz do resto da banda
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7
Desagregação do lacete local
• Descreve a obrigação dos operadores históricos da rede fixa alugarem (ou
venderem) a sua infra-estrutura de acesso baseada nos pares simétricos a outros
operadores
Incentivar a concorrência no sector das telecomunicações
O operador
alternativo instala o
seu comutador local
e o seu DSLAM nas
instalações do
operador histórico
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Equipamento terminal de assinante (telefone)
•
Exemplos de equipamento terminal:
– Telefones residenciais, cabines públicas;
Marcador
Auscultador
• Adaptação de impedâncias
• Isolar o microfone do auscultador
•
Características gerais do equipamento telefónico:
– É alimentado por uma bateria situada na central
local que fornece uma tensão contínua de −48V;
– Valores típicos para as correntes que percorrem o
lacete: 20 - 100 mA;
– Dispositivo regulador que garante que a corrente
que percorre o microfone é independente do
comprimento do lacete do assinante;
– Circuito híbrido: conversão de 4 fios (auscultador
+ microfone) para 2 fios, porque no lacete do
assinante os sinais correspondentes à emissão e
recepção viajam no mesmo par de fios.
Microfone
I
Central
local
Circuito
do
telefone
Bateria
(− 48 V)
Gancho Campainha (tensão
alternada de 75 V à
frequência de 25 Hz)
Auscultador
Híbrido
Linha
telefónica
Circuito de
equilíbrio,
ZL
Microfone
Ze
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Equipamento terminal da central local
•
Funções de uma central local digital que serve lacetes de assinante analógicos
(BORSCHT) – implementadas na interface da linha do assiante (ILA):
– Alimentação da linha (Battery):
• Bateria central com uma tensão contínua de −48 V;
– Protecção contra sobretensões (Over-voltage protection):
• Originadas, por exemplo, por descargas atmosféricas;
– Toque da campainha (Ringing):
• Tensão alternada de 75 V a 25 Hz; on = 2s, off = 4s
– Supervisão (Supervision):
• Análise do estado do lacete de assinante, detectando a presença ou ausência do fluxo de corrente
contínua nesse lacete;
– Codificação (Coding):
• Conversão A/D e D/A;
– Circuito híbrido (Hybrid):
• Responsável pela conversão de 2 para 4 fios e vice-versa;
– Teste (Testing):
• Detecção de possíveis falhas e manutenção; testes periódicos ao lacete de assinante.
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Circuitos de 2 e 4 fios
•
Na rede de acesso usa-se a transmissão a dois fios (razões económicas);
•
Para distâncias superiores a 50 km é necessário separar fisicamente as
duas direcções de transmissão, porque:
– existe a necessidade de amplificação do sinal e tanto os amplificadores como os
regeneradores são dispositivos unidireccionais;
– é mais económico, visto que muitas das chamadas telefónicas de longa distância são
multiplexadas no tempo (TDM) e essa técnica requer que os sinais nas duas direcções
sejam enviados em time-slots distintos;
– a comutação digital é feita a 4 fios.
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Circuitos de 2 e 4 fios (cont.)
•
•
Surge assim a necessidade de um circuito híbrido para a conversão de 2
para 4 fios e vice-versa;
Características do circuito híbrido:
–
Teoricamente a atenuação de equilíbrio Bs devia ser infinita. Na prática não se verifica
Bs é a parcela de atenuação atribuível
à desadaptação de impedâncias da
linha ZL e da malha de adaptação Ze.
• “Singing”
• Ecos
Amplificador
ida
Bs
3 dB
Ze
Híbrido
A
3 dB
B
volta
O híbrido pode comportar-se como um oscilador se:
• a atenuação do anel, Aa, apresentar um valor
negativo, i.e. se a malha apresentar ganho;
• o sinal reflectido depois de uma volta completa na
malha estiver em fase com o sinal principal.
Para se evitar esta situação A > 6 dB
a
Fenómeno
“Singing”
Parâmetros importantes:
• Atenuação total entre os pontos A e B a
dois fios: A2 = 6 − G dB (G é o ganho de um
dos lados do circuito a 4 fios);
• Atenuação do anel: Aa = 2 ( A2 + Bs ) dB.
A2 > 3 - Bs dB
Margem de estabilidade
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RDI
G=0
12
Origem e tipos de ecos
•
Origem do eco:
Bs = 20 log10
– Surge do facto da atenuação de equilíbrio Bs não ser infinita;
•
Z L + Ze
Z L − Ze
Dois tipos distintos de ecos:
– Eco do falante (o locutor ouve uma versão atrasada da sua própria voz);
Atenuação: Aef = 2A2 + Bs
Atraso: δTef = 2 ( T2 + T4 )
Atrasos superiores a 400
ms, devem ser evitados
– Eco do ouvinte (o ouvinte ouve uma versão atrasada da voz do locutor);
Atenuação: Aeo = 2 ( A2 + Bs )
Atraso: δTeo = 2 T4
Sofre uma atenuação maior
que o eco do falante.
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Controlo do eco
•
Os efeitos do eco podem ser reduzidos se se aumentar a atenuação do percurso A2:
– não funciona para ligações com comprimentos elevados;
•
Solução:
– Supressores de eco:
• A ideia é interromper um sentido da transmissão logo que um detector de nível de voz constate
a presença de um sinal de voz no outro sentido da transmissão Ligação half-duplex;
• Surgem problemas quando os interlocutores falam ao mesmo tempo e surgem também
problemas na transmissão de dados com esta técnica (pedidos de retransmissão);
– Canceladores de eco:
• o cancelador de ecos sintetiza uma réplica r̂ ( t ) do eco a partir do sinal y(t) ;
y(t)
Filtro
adaptativo
ε(t)
r̂ (t )
−
+
r(t)
x(t)
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Técnicas de duplexagem
Duplexagem por divisão na frequência (DDF)
•
A comunicação nos dois sentidos é feita utilizando bandas diferentes
Banda de
guarda
Comunicação no
sentido ascendente
Comunicação no
sentido descendente
f1
f2
f
Duplexagem por divisão no tempo (DDT)
•
As direcções de transmissão são separadas no domínio do tempo – técnica tanbém
conhecida por Time Compressed Multiplexing (TCM)
Cancelamento de eco (CE)
•
As direcções de transmissão são separadas usando um cancelador de ecos
(associado a um híbrido)
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Time Compressed Multiplexing
•
•
A ideia subjacente é separar no tempo as direcções de transmissão, i.e.
transmissão alternada de blocos de informação num sentido e no outro sobre um
único par simétrico;
O débito binário resultante é maior que o dobro do ritmo binário da sequência;
• rb: ritmo binário da sequência;
• ∆t = N / rb;
• ∆τ: tempo de propagação na linha;
• τg: tempo de guarda.
∆t
Central local
rb 0 =
Assinante
∆τ
Nb
rb 0
τg
∆τ
Nb
rb 0
τg
2rb
1−
2
(
∆τ + τ g )
∆t
Desvantagem: rb0 é da ordem dos 400 kbit/s
Comprimentos máximos de 2 a 3 km
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Transmissão digital na rede de acesso
(sobre pares simétricos)
Acesso em banda base
Acesso com modulação
digital (passa-banda)
Acesso RDIS, HDSL
Modems na banda da
voz, ADSL, VDSL
• β - Factor de excesso de banda
• Rs - Débito de símbolo
• B - largura de banda do canal
de transmissão
Códigos de linha
AMI, 2B1Q
Critério de
Nyquist
(zero IIS)
B≥
Rs
(1 + β )
2
Modulações digitais
QAM, PSK, FSK, DMT
B ≥ Rs (1 + β )
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Lacete analógico do
assinante
Aspectos da transmissão digital na rede de acesso
•
– Transmissão de dados usando modems através das técnicas de modulação [e.g. FSK, PSK
e QAM (para débitos mais elevados)] - 56 kbit/s (ritmo máximo);
• Nota: a bidireccionalidade numa ligação a dois fios é atingida usando DDF (débitos < 4.8 kbit/s)
ou o cancelamento de ecos na banda do canal de voz [300 Hz - 3400 Hz]
•
Lacete digital do assinante
Modems:
DSL (Digital Subscriber Loop)
– Rede Digital com Integração de Serviços (RDIS): 160 kbit/s (acesso básico);
– ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Loop): 1.5 - 8 Mbit/s (download), 9.6 - 640 kbit/s
(upload) + canal de voz;
– ADSL 2: 5 - 12 Mbit/s (download), 0.8 – 3.5 Mbit/s (upload) + canal de voz;
– ADSL 2+: 24 Mbit/s (download), 1 – 3.5 Mbit/s (upload) + canal de voz;
– VDSL (Very-high data rate DSL): 13 – 52 Mbit/s (download), 1.5 – 6.4 Mbit/s (upload)
distâncias muito curtas, 300m, a 52 Mbit/s, podendo chegar a 1.5km a 13 Mbit/s
– HDSL (High-bit-rate DSL): transmissão simétrica de sinais a 1.544 Mbit/s usando três
cabos de pares simétricos. Cada par simétrico transmite sinais a 784 kbit/s.
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Configuração de referência do acesso RDIS
Configuração do acesso básico RDIS
Interface U
•
Acesso básico
Acesso primário
2×64 kbit/s – canais B para comunicação
30×64 kbit/s – canais B para comunicação
1×16 kbit/s – canal D para sinalização
1×64 kbit/s – canal D para sinalização
Interface U a 2 fios a 160 kbit/s
Interface U a 4 fios a 2 Mbit/s
O lacete digital do assinante inclui o par simétrico e os blocos NT1 e LT. A duplexagem
normalmente utilizada é o cancelamento de eco e a transmissão é feita em banda base
usando a codificação de linha 2B1Q
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ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Loop)
•
•
Proporciona a transferência de informação de modo assimétrico
A duplexagem pode ser feita por divisão na frequência (DDF) ou
cancelamento de eco (CE)
DDF-ADSL
•
•
Sentido ascendente – 640 kbit/s
Sentido descendente – 6 Mbit/s
CE-ADSL
Sentido ascendente – 800 kbit/s
Sentido descendente – 8 Mbit/s
A diafonia (crosstalk) pode ser um factor limitativo principalmente em CE-ADSL
A atenuação do par simétrico é um factor que condiciona grandemente o alcance
dos sistemas ADSL
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ADSL (2)
Débito binário (Mbit/s) Distância (km)
ADSL
ADSL
ADSL
ADSL2
ADSL2
ADSL2+
VDSL
1.5
2.0
6.0
9.0
13.0
26.0
52.0
5.4
4.8
3.6
2.7
1.4
0.9
0.3
Maiores débitos binários
Menor alcance dos sistemas ADSL
Central local
(ATU-C)
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Assinante
(ATU-R)
21
DMT (Discrete Multitone)
•
Divide a banda de frequências de 0 kHz até 1.1 MHz em 256 canais de 4.3125 kHz
Upload
(24 canais)
Download
(222 canais)
DDF-ADSL
Cada canal tem 4.3 kHz
Telefone analógico
25 kHz
1.1 MHz
138 kHz
Upload
(24 canais)
Download
(248 canais)
CE-ADSL
Cada canal tem 4.3 kHz
Telefone analógico
25 kHz
•
1.1 MHz
A largura de banda reduzida de cada sub-canal é suficientemente reduzida para que a
atenuação e a distorção do sinal sejam mínimas dentro de cada sub-canal
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22
DMT (2)
•
•
•
A sequência digital com o débito binário Db é convertida em blocos constituídos por b
bits que são armazenados numa memória
Os bits são divididos entre N sub-canais, sendo o número de bits alocados a cada canal
dependente da relação sinal-ruído (SNR) do próprio sub-canal
Os bits alocados a cada sub-canal vão modular uma portadora usando QAM
Canal com
pior SNR
• 1ª fase do processo de modulação consiste em definir a dimensão da constelação
QAM apropriada a cada sub-canal
• Processo de inicialização que testa a SNR de cada sub-canal
• De acordo com a SNR de cada canal, o modem ADSL adapta automaticamente a
dimensão da constelção QAM a ser usada em cada sub-canal de modo a cumprir
com o débito binário de transmissão requerido
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16-QAM
23
32-QAM
VDSL (Very high-data rate DSL)
•
•
Extensão do ADSL que permite aumentar os débitos binários, mas que reduz o
comprimento da linha para distâncias máximas de 1.5 km
Pode ser simétrico ou assimétrico
Simétrico
Assimétrico
Débito
descendente/ascendente Alcance (km)
(Mbit/s)
25.0
13.0
6.5
0.3
1.0
1.5
Débito descendente
(Mbit/s)
Débito ascendente
(Mbit/s)
Alcance (km)
54.0
26.0
13.0
6.4
3.2
1.6
0.3
1.0
1.5
Utiliza a técnica de
duplexagem DDF
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24
VDSL (2)
•
•
Não é uma tecnologia de acesso autónomo
Geralmente aparece associada a soluções FTTC (Fiber to the curb) ou FTTB (Fiber to
the building) para VDSL de curto-alcance (≤ 0.3 km) e FTTCab (Fiber to the cabinet)
para VDSL de longo alcance (≤ 1.5 km)
A bidireccionalidade no
domínio óptico é obtida usando
duplexagem por divisão no
comprimento de onda
OLT – Optical Line Termination – os sinais destinados a todos os utilizadores são agregados
usando multiplexagem e convertidos para o domínio óptico
ONU – Optical Network Unit – reverte o processo da OLT e envia os sinais desmultiplexados
para diferentes modems VDSL
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25
Soluções ópticas para a rede de acesso
•
Ligação ponto-a-ponto
– tem-se uma fibra dedicada para interligar cada ONU – topologia física em estrela
•
Rede óptica passiva - PON (Passive Optical Network)
– a fibra óptica é partilhada por vários utilizadores usando um repartidor de potência
– meio partilhado entre múltiplas ONUs que utiliza protocolos para evitar colisões
– topologia física em árvore
Para garantir a bidireccionalidade das comunicações utilizam-se em ambas as ligações,
duplexagem por divisão no comprimento de onda
APON (ATM-PON)
GPON
GigabitPON
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EPON
Ethernet
PON
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Soluções ópticas para a rede de acesso (2)
Rede óptica passiva (PON)
FTTEx
FTTCab
FTTB
FTTH
Pares
simétricos
ONU
Central local
+
OLT
NT
ADSL (< 6 km)
< 8 Mbit/s
ONU
NT
ADSL / VDSL (< 1 km)
< 26 Mbit/s
Assinantes
RO
ONU
Fibras
ópticas
RO – Repartidor óptico
OLT – Terminação da linha óptica
ONU – Unidade óptica de rede
NT – Unidade de terminação de rede
ONT – Unidade óptica de terminação de rede
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VDSL (< 0.3 km)
< 52 Mbit/s
NT
ONT
Descendente: 622 Mbit/s
Ascendente: 155 Mbit/s
27
Soluções ópticas para a rede de acesso (3)
•
Rede em anel
– Interliga as diferentes ONUs à OLT usando uma topologia física em anel
– Esta tecnologia é implementada usando SDH
Lacete de assinante
Central local
+
OLT
ADM
ADM
Fibra óptica
de serviço
Anel
SDH
ADM
Fibra óptica
de protecção
ADM
UR
Fibras
ópticas
ONU
ONU
ONU
Pares
simétricos
NT
NT
Assinantes
NT
ADM – Multiplexador de inserção-extracção
UR – Unidade remota
NT – Unidade de terminação de rede
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