Troncos e multiplexação

As economias em escala desempenham um importante papel no sistema telefônico. Em essência, o custo para instalar e manter um tronco de alta largura de banda é o mesmo de um tronco de baixa largura de banda entre duas estações de comutação (ou seja, os custos são decorrentes da instalação em si e não do uso de fios de cobre ou de fibra ópti ca). Como conseqüênc ia, as companhias telefônicas desenvolveram esquemas elaborados para multiplexar muitas conversações em um único tronco físico. Esses esquemas de multiplexação podem ser divididos em duas categorias básicas: FDM (Frequency Division Multiplexing — multiplexação por divisão de freqüência) e TDM (Time Division Multiplexing — multiplexação por divisão de tempo). Na FDM, o espectro de freqüência é dividido em bandas de freqüência, tendo cada usuário a posse exclusiva de alguma banda. Na TDM, os usuários se revezam (em um esquema de rodízio), e cada um obtém periodicamente a largura de banda inteira por um determinado período de tempo.

A transmissão de rádio AM serve de ilustração para ambos os tipos de multiplexação. O espectro alocado é de cerca de 1 MHz, aproximadamente 500 a 1.500 kHz. Diferentes freqüências são alocadas a diferentes canais lógicos (estações), cada um operando em uma parte do espectro, sendo a separação entre canais grande o bastante para evitar interferência. Esse sistema é um exemplo de multiplexação por divisão de freqüência. Além disso (em alguns países), as estações individuais têm dois subcanais lógicos: música e propaganda. Eles se alternam na mesma freqüência, primeiro um período de música, depois um período de publicidade, depois mais música e assim por diante. Essa situação representa a multiplexação por divisão de tempo.

Vamos examinar a seguir a multiplexação por divisão de freqüência. Depois veremos como a FDM pode ser aplicada a fibras ópticas (multiplexação por divisão de comprimento de onda). Em seguida, passaremos à TDM e terminaremos com um sistema TDM avançado utilizado em fibras ópticas (SONET).

Multiplexação por divisão de freqüência

A Figura 2.31 mostra como três canais telefônicos de nível de voz são multiplexados com o uso da FDM. Os filt ros limitam a largura de banda utilizável a cerca de 3100 Hz por canal de qualidade de voz. Quando muitos canais são multiplexados ao mesmo tempo, são alocados 4000 Hz para cada canal, a fim de mantê-los bem separados. Primeiro, os canais de voz têm sua freqüência aumentada, cada qual com um valor diferente. Depois eles podem ser combinados, pois agora não há dois canais ocupando a mesma porção do espectro. Observe que, apesar de haver intervalos (bandas de proteção) entre os canais, há uma certa sobreposição entre ca nais adjacentes, porque os filtros não têm limites nítidos. Essa sobreposição sign ifica que um forte pico no limite de um canal será sentido no canal adjacente como ruído não térmico.

Figura 2.31. Multiplexação por divisão de freqüência. (a) As larguras de banda originais. (b) As larguras de banda aumentaram em freqüência. (c) O canal multiplexado

Os esquemas FDM utilizados em todo o mundo têm um certo grau de padronização. Um padrão muito difundido tem doze canais de voz de 4000 Hz multiplexados na banda de 60 a 108 kHz. Essa unidade é chamada grupo. Às vezes, a banda de 12 a 60 kHz é utilizada por outro grupo. Muitas concessionárias de comunicações oferecem aos clientes um serviço de linha privada de 48 a 56 kbps baseado no grupo. Cinco grupos (60 canais de voz) podem ser multiplexados para formar um supergrupo. A unidade seguinte é o grupo mestre, que tem cinco supergrupos (padrão CCITT) ou dez supergrupos (BeIl System). Também existem outros padrões de até 230 mil canais de voz.

Multiplexação por divisão de comprimento de onda

No caso de canais de fibra óptica, é usada uma variação de multiplexação por divisão de freqüência. Trata-se da WDM (Wavelength Division Multiplexing — multiplexação por divisão de comprimento de onda). O princípio básico da WDM em fibras está representado na Figura 2. 32. Aqui, quatro fibras chegam juntas a um combinados óptico, cada uma com sua energia presente em um comprimento de onda distinto. Os quatro feixes são combinados em uma única fibra compartilhada para transmissão a um destino remoto. Na extremidade remota, o feixe é dividido no mesmo número de fibras que havia no lado da entrada. Cada fibra de saída contém um núcleo curto es pecialmente construído que filtra todos os comprimentos de onda com exceção de um. Os sinais resultantes podem ser roteados até seu destino ou recombinados de diferentes maneiras para transporte multiplexado adicional.

Figura 2.32. Multiplexação por divisão de comprimento de onda

Realmente não há nada de novo aqui. Trata-se apenas da multiplexação por divisão de freqüência em freqüências muito altas. Desde que cada canal tenha sua própria faixa de freqüências (isto é, de comprimentos de onda) e todas as faixas sejam disjuntas, elas poderão ser multiplexadas na fibra de longa distância. A única diferença em relação à FDM elétrica é que um sistema óptico que utilize uma grade de difração será completamente passivo e, portanto, altamente confiável.

A tecnologia WDM tem progredido a uma velocidade que deixa envergonhada a tecnologia de informática. A WDM foi criada por volta de 1990. Os primeiros sistemas comerciais tinham oito canais, com 2,5 Gbps por canal. Em 1998, os sistemas com 40 canais de 2,5 Gbps estavam no mercado. Em 2001, havia produtos com 96 canais de 10 Gbps, dando um total de 960 Gbps. Essa largura de banda é suficiente para transmitir 30 filmes de longa metragem por segundo (em MPEG- 2). Sistemas com 200 canais já estão funcionando em laboratório. Quando o número de canais é muito grande e os comprimentos de onda estão pouco espaçados — por exemplo, 0,1 nm — o sistema costuma ser chamado DWDM (Dense WDM).

Devemos observar que a razão para o WDM ser popular é o fato de a energia em uma única fibra ter normalmente apenas alguns gigahertz de largura, porque no momento é impossível realizar a conversão entre meios físicos elétricos e ópticos com rapidez maior que essa. Utilizando- se muitos canais em paralelo com diferentes comprimentos de onda, a largura de banda agregada aumenta de forma linear com o número de canais. Como a largura de banda de uma única banda de fibra é aproximadamente 25.000 GHz (veja a Figura 2.6), teoricamente existe espaço para 2500 canais de 10 Gbps, mesmo a 1 bit/Hz (e também são possíveis taxas mais altas).

Outra novidade é o desenvolvimento de ampl ificadores totalmente ópticos. Antes, a cada 100 km era necessário dividir todos os canais e converter cada um deles em um sinal elétrico para amplificação separada, antes de convertê-los novamente em sinais ópticos e combiná-lo s. Hoje, os amplificadores totalmente ópticos podem regenerar o sinal inteiro uma única vez a cada 1000 km, sem a necessidade de várias conversões ópticas/elétricas.

No exemplo da Figura 2.32, temos um sistema de comprimento de onda fixo. Bits da fibra de entrada 1 vão para a fibra de saída 3, bits da fibra de entrada 2 vão para a fibra de saída 1 etc. Porém, também é possível criar sistemas WDM comutados. Em dispositivos como esses, os filtros de saída são ajustáveis com o uso de interferômetros de Fabry-Perot ou Mach-Zehnder. Para obter mais informações sobre a WDM e sua aplicação à comutação de pacotes da Internet, consulte (Elmirghani e Mouftah, 2000 ; Hunter e Andonovic, 2000; e Listani et al., 2001).

Multiplexação por divisão de tempo

A tecnologia WDM é maravilhosa, mas ainda existe muito fio de cobre no sistema telefônico; assim, vamos voltar a ele por enquanto. Embora a FDM ainda seja usada com fios de cobre ou canais de microondas, ela exige circuitos analógicos e não é adequada para uso por um computador. Em contraste, a TDM pode ser inteiramente manipulada por circuitos elet rônicos digitais; portanto, ela se tornou muito mais difundida nos últimos anos. Infelizmente, ela só pode ser usada para dados digitais. Como os loops locais produzem sinais analógicos, uma conversão de analógico para digital se faz necessária na estação final, onde todos os loops locais individuais chegam juntos para serem combinados em troncos de saída.

Agora, vamos examinar como vários sinais de voz analógicos são digitalizados e combinados em um único tronco digital de saída. Os dados de computadores enviados por um modem também são analógicos; assim, a descrição apresentada a seguir também se aplica a eles. Os sinais analógicos são digitalizados na estação final por um dispositivo chamado codec (codificador-decodificador), produzindo uma série de números de 8 bits. O codec cria 8000 amostras por segundo (125 s/amostra), pois o teorema de Ny quist diz que isso é suficiente para captar todas as informações da largura de banda do canal telefônico de 4 kHz. Em uma taxa de amostragem mais baixa, as informações se perderiam; a uma taxa mais alta, nenhuma informação extra seria obtida. Essa técnica é chamada PCM (Pulse Code Modulation — modulação por código de pulso). A PCM forma o núcleo do sistema telefônico mode rno. Como conseqüência, virtualmente todos os intervalos de tempo no sistema telefônico são múltiplos de 125 s.

Quando a transmissão digital começou a surgir como tecnologia viável, o CCITT foi incapaz de chegar a um acordo sobre um padrão internacional para PCM. Conseqüentemente, agora existe uma vari edade de esquemas incompatíveis em uso em diferentes países no mundo.

O método em uso na América do Norte e no Japão é a portadora T1, representada na Figura 2.33. (Tecnicamente falando, o formato é chamado DS1, e a portadora é chamada T1 mas, seguindo a tradição da indústria, não faremos aqui essa sutil distinção.) A portadora T1 consiste em 24 canais de voz multiplexados juntos. Em geral, é feita uma amostragem dos sinais analógicos em rodízio, e o fluxo analógico resultante é enviado para o codec, em vez de serem utilizados 24 codecs separados para depois mesclar a saída digital. Por sua vez, cada um dos 24 canais consegue inserir

8 bits no fluxo de saída. Sete bits representam dados, e um é usado para controle, produzindo 7 8000 = 56.000 bps de dados e 1 8000 = 8000 bps de informações de sinalização por canal.

Figura 2.33. A portadora T1 (1,544 Mbps)

Um quadro consiste em 24 8 = 192 bits, mais um bit extra para enquadramento, produzindo 193 bits a cada 125 s. Isso resulta em uma taxa de dados bruta de 1,544 Mbps. O 193º bit é usado para sincronização de quadros e utiliza o padrão 0101010101. Normalmente, o receptor continua a conferir esse bit para garantir que não perdeu a sincronização. Se sair de sincronismo, o receptor poderá procurar por esse padrão para se ressincronizar. Clientes analógicos não podem gerar o padrão de bits, pois ele corresponde a uma onda senoidal a 4000 Hz, que seria filtrada. Clientes digitais podem, é claro, gerar esse padrão, mas não é provável que este jam presentes quando houver algum problema com o quadro. Quando um sistema T1 está sendo utilizado inteiramente para dados, apenas 23 dos canais são utilizados para esse fim. O 24º canal é empregado para um padrão especial de sincronização, a fim de permitir a recuperação mais rápida no caso de problemas com o quadro.

Quando o CCITT finalmente chegou a um acordo, percebeu que 8000 bps de informações de sinalização era muito; portanto, seu padrão de 1,544 Mbps se baseou em um item de dados de 8 bits, e não de 7bits; ou seja, o sinal analógico é quantizado em 256, e não em 128 níveis discretos. Duas variações (incompatíveis) são fornecidas. Na sinalização por canal comum, o bit extra (anexado ao final e não ao início do quadro de 193 bits) utiliza os valores 10101010... nos quadros ímpares e contém informações de sinalização para todos os canais nos quadros pares.

Na outra variação, a sinalização por canal associado, cada canal tem seu próprio subcanal de sinalização. Um subcanal p rivado é organizado alocando-se um dos oito bits do usuário a cada seis quadros para fins de sinalização; portanto, cinco das seis amostras têm 8 bits de largura, e a outra tem apenas 7 bits de largura. O CCITT também recomendou uma portadora PCM a 2,048 Mbps, chamada E1. Essa portadora tem 32 amostras de dados de 8 bits compactadas no quadro básico de 125 s. Trinta dos canais são utilizados para informações, e dois são empregados na sinalização. Cada grupo de quatro quadros fornece 64 bits de sinalização, metade dos quais é usada para a sinalização por canal associado e a outra metade é usada para sincronização de quadros, ou é reservada por cada país para utilização livre. Fora da América do Norte e do Japão, a portadora E1 de 2,048 Mbps é usada em lugar da portadora T1.

Uma vez digitalizado, o sinal de voz tenta usar técnicas estatísticas para reduzir o número de bits necessários por canal. Essas técnicas são apropriadas não apenas para codificação de voz, mas também para a digitalização de qualquer sinal analógico. Todos os métodos de compactação se baseiam no princípio de que o sinal muda de forma relativamente lenta em comparação com a freqüência de amostragem; portanto, grande parte das informações do nível digital de 7 ou 8 bits é redundante.

Um método, chamado modulação de código de pulso diferencial (differential pulse code modulation) ou PCM diferencial, consiste em gerar como saída não a amplitude digitalizada, mas sim a diferença entre o valor atual e o anterior. Tendo em vista que saltos de ±16 (ou mais) em uma escala de 128 são improváveis, 5 bits deverão ser suficientes em vez de 7. Se ocasionalmente o sinal saltar de forma incontrolável, talvez a lógica de codificação exija vários períodos de amostragem para recuperar o tempo perdido. No caso da voz, o erro introduzido pode ser ignorado. Figura 2.34. Modulação delta

Uma variação desse método de compactação exige que cada valor de amostragem seja diferente de seu predecessor por +1 ou -1. Sob essas condições, um único bit pode ser transmitido, informando se a nova amostra está acima ou abaixo da anterior. Essa técnica, chamada modulação delta, está ilustrada na Figura 2.34. A exemplo de todas as técnicas de compactação que pressupõem pequenas alterações de nível entre amostras consecutivas, a codificação delta pode ter problemas se o sinal mudar rápido demais, como mostra a figura. Quando isso ocorre, as informações são perdidas.

Um aperfeiçoamento da PCM diferencial consiste em extrapolar os valores anteriores para prever o valor seguinte, e depois codificar a diferença entre o sinal real e o sinal previsto. É claro que o transmissor e o receptor devem utilizar o mesmo algoritmo de previsão. Esses esquemas são chamados codificação por previsão. Eles são úteis porque reduzem o tamanho dos números a serem codificados e, consequentemente, o número de bits a serem enviados.

A multiplexação por divisão de tempo permite que várias portadoras T1 sejam multiplexadas em portadoras de ordem mais alta. A Figura 2.35 mostra como isso pode ser feito. À esquerda, vemos quatro canais T1 sendo multiplexados em um canal T2. A multiplexação em T2 e acima dele é feita bit a bit, em vez de ser realizada byte a byte com os 24 canais de voz que constituem um quadro T1. Quatro fluxos T1 a uma velocidade de 1,544 Mbps deveriam gerar 6,176 Mbps, mas T2 na verdade tem 6,312 Mbps. Os bits extras são usados para enquadramento e recuperação, no caso de a portadora apresentar alguma falha. T1 e T3 são extensamente utilizados pelos clientes, enquanto T2 e T4 são usados apenas dentro do sistema de telefonia propriamente dito, e portanto não são bem conhecidos.

Figura 2.35. Multiplexação de fluxos T1 em portadoras de velocidade mais alta

No nível seguinte, sete fluxos T2 são combinados bit a bit para formar um fluxo T3. Depois, seis fluxos T3 são unidos para formar um fluxo T4. Em cada etapa, um pequeno volume de overhead é adicionado para fins de enquadramento e recuperação, no caso de ser perdida a sincronização entre transmissor e receptor.

Da mesma forma que existe pouco consenso quanto à portadora básica entre os Estados Unidos e o restante do mundo, há igualmente pouco consenso sobre como ela será multiplexada em portadoras de largura de banda mais alta. O esquema americano de avançar por 4, 7 e 6 não foi adotado por mais ninguém; assim, o padrão CCITT requer multiplexação de quatro fluxos em um fluxo a cada nível. Além disso, o enquadramento e a recuperação de dados são diferentes entre os padrões dos EUA e do CCITT. A hierarquia CCITT para 32, 128, 512, 2048 e 8192 canais funciona em velocidades de 2,048, 8,848, 34,304, 139,264 e 565,148 Mbps.

SONET/SDH

Nos primórdios da fibra óptica, cada companhia telefônica tinha seu próprio sistema óptico TDM patenteado. Depois que a AT&T foi desmembrada em 1984, as companhias telefônicas locais tiveram de se conectar a diversas concessionárias de comunicações de lo nga distância, todas com diferentes sistemas ópticos TDM, o que tornou óbvia a necessidade de padronização. Em 1985, a Bellcore, a unidade de pesquisa do RBOC, começou a trabalhar em um padrão, denominado SONET (Synchronous Optical NETwork — rede óptica síncrona). Mais tarde, o CCITT também começou a participar desse trabalho, o que resultou em um padrão SONET e em um conjunto de recomendações paralelas do CCITT (G.707, G.708 e G.709) em 1989. As recomendações do CCITT são chamadas SDH (Synchronous Digital Hierarchy — hierarquia digital síncrona), mas só diferem da SONET em pequenos detalhes. Praticamente todo o tráfego telefônico de longa distância nos Estados Unidos e grande parte dele em outros lugares utiliza agora troncos que executam a SONET na camada física. Para obter informações adicionais sobre a SONET, co nsulte (Bellamy, 2000; Goralski, 2000; e Shepard, 2001).

O projeto SONET tem quatro objetivos principais. Acima tudo, a SONET tinha de tornar possível a interligação de diferentes concessionárias em rede. A concretização desse objetivo exigia a definição de um padrão de sinalização comum relacionado a comprimento de onda, sincronização, estrutura de enquadramento e outras questões.

Em segundo lugar, foram necessários alguns meios para unificar os sistemas digitais dos Estados Unidos, Europa e Japão, todos baseados em canais PCM de 64 kbps, mas todos combinados de form as diferentes (e incompatíveis).

Em terceiro lugar, a SONET teve de proporcionar um modo de multiplexar vários canais digitais. No momento em que a SONET surgiu, a portadora digital de velocidade mais alta usada em todo te rritório dos Estados Unidos era a T3, a 44,736 Mbps. A T4 já havia sido definida, mas não era muito usada, e nada que ultrapassasse a velocidade da T4 havia sido definido. Parte da missão da SONET era dar continuidade à hierarquia até gigabits/s e proporcionar velocidades ainda maiores. Também era necessária uma forma padrão de multiplexar canais mais lentos em um canal SONET.

Em quarto lugar, a SONET tinha de oferecer recursos de operação, administração e manutenção (OAM). Os sistemas anteriores não faziam isso muito bem.

Uma decisão inicial foi tornar a SONET um sistema TDM tradicional, com toda a largura de banda da fibra dedicada a um único canal contendo slots de tempo para os diversos subcanais. Portanto, a SONET é um sistema síncrono, controlado por um relógio mestre, cuja precisão é de aproximadamente uma parte em 10 9. Os bits em uma linha SONET são transmitidos a intervalos extremamente precisos, controlados pelo relógio mest re. Quando a comutação de células foi proposta mais tarde para servir de base ao ATM, o fato de permitir chegadas de células irregulares fez com que ele fosse identificado como Asynchronous Transfer Mode, em contraste com a operação síncrona da SONET. com a SONET, o transmissor e o receptor estão vinculados a um relógio comum; com o ATM, isso não acontece.

O quadro básico da SONET é um bloco de 810 bytes, transmitido a cada 125 s. Tendo em vista que a SONET é síncrona, os quadros são emitidos independente de haver ou não dados úteis a enviar. A taxa de 8000 quadros/s corresponde exatamente à taxa de amostragem dos canais PCM utilizados em todos os sistemas de telefonia digital.

Os quadros de 810 bytes da SONET são melhor descritos como um retângulo de bytes, com 90 colunas de largura por 9 linhas de altura. Desse modo, 8 810 = 6480 bits são transmitidos 8 mil vezes por segundo, o que resulta em uma taxa de dados bruta de 51,84 Mbps. Esse é o canal básico da SONET, chamado STS-1 (Synchronous Transport Signal-1). Todos os troncos SONET são múltiplos do STS-1.

As três primeiras colunas de cada quadro são reservadas para as informações de gerenciamento do sistema, conforme ilustra a Figura 2.36. As três primeiras linhas contêm o overhead de seção; as seis linhas seguintes contêm o overhead de linha. O overhead de seção é gerado e verificado no início e no fim de cada seção, enquanto o overhead de linha é gerado e verificado no início e no fim de cada linha.

Um transmissor SONET transmite quadros duplos de 810 bytes em seqüência, sem intervalos entre eles, mesmo quando não existem dados (e, nesse caso, ele transmite dados fictícios). Do ponto de vista do receptor, tudo que ele vê é um fluxo de bits contínuo; assim, como saber onde começa cada quadro? A resposta é que os dois primeiros bytes de cada quadro contêm um padrão fixo que o receptor procura. Se encontra esse padrão no mesmo lugar em um número grande de quadros consecutivos, o receptor pressupõe que está sincronizado com o transmissor. Na teoria, um usuário poderia inserir esse padrão na carga útil de um modo regular; porém, na prática, isso não pode ser