Sistemas e Redes de Telecomunicações. Introdução à Teoria do Tráfego e Comutação

(1)

Sistemas e Redes de Telecomunicações

Capítulo 5

Introdução à Teoria do Tráfego e

Comutação

(2)

Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 2

Introdução à teoria do tráfego (I)

• 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

(3)

Introdução à teoria do tráfego (II)

• O estabelecimento de circuitos envolve a afectação de recursos da

rede (vias de transmissão, equipamento de multiplexagem e

comutação etc.).

• Número e duração das chamadas telefónicas associadas aos

circuitos comutados variam aleatoriamente.

Î a análise e projecto da rede recorre a modelos estatísticos

apropriados

Î engenharia de teletráfego

Aplicação da engenharia de teletráfego

• Dimensionar o número de troncas (circuitos) necessárias numa

determinada ligação entre centrais telefónicas que garantem uma

determinada qualidade (resposta a pedidos de serviço).

(4)

Características do tráfego telefónico

• Variação considerável do número de chamadas com o período de medição

e no período de medição.

• Utilização de medidas de tráfego na hora mais carregada para analisar e

projectar as redes telefónicas: compromisso entre a inteira utilização

(incluindo horas de utilização quase nula) e os picos de tráfego de curta

duração (resultantes de fenómenos imprevisíveis).

(5)

Tráfego telefónico versus IP

• O tráfego telefónico tem uma estatística de Poisson e o tráfego

IP tem uma distribuição de Pareto (auto-similar).

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 tunit = 10 ms P ack et s/ ti m e s lo t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 tunit = 10 ms P ack et s/ ti m e s lo t 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 P acket s/ ti m esl o t 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 tunit = 10 s P acket s/ ti m esl o t

Auto-similar

Poisson

tempo _tempo

(6)

Acesso total das centrais telefónicas

• Admite-se acesso total das centrais telefónicas: qualquer entrada livre

pode ligar-se a qualquer saída livre.

• Estabelecimento de um circuito: apresar uma das N troncas de saída e

ligá-la a uma das M linhas de entrada.

– Se todas as troncas de saída estão ocupadas (activas), a chamada é

bloqueada.

– Para haver bloqueio é necessário que M>N Î sistema com concentração

Î partilha de recursos de saída devido à redução de custos.

1 2 3 M 1 2 3 N

Saídas

(troncas)

Entradas

(troncas)

(7)

Definições relacionadas com o tráfego

( )

1 se a tronca está activa

0 caso contrário

i

K t

= ⎨

⎧

⎩

( )

0 T

v

A

= ∫

m t dt

• Tráfego instantâneo transportado pela tronca i:

• Tráfego instantâneo transportado por um grupo de M troncas:

( )

1 M

i

m t

K t

=

= ∑

Número de

troncas activas

num certo instante

de tempo

• Volume de tráfego transportado por um grupo de M troncas durante um

intervalo de tempo de duração T:

número médio de chamadas

no intervalo de tempo

duração média das chamadas

v

C

A

C h

T

h

≡

⎧

⎪

= ⋅

_⎨

⎪ ≡

⎩

(8)

Intensidade de tráfego

v

A

C h

A

h

T

λ

⋅

=

= ⋅

• Intensidade de tráfego (fluxo de tráfego)

• Unidades da intensidade de tráfego: Erlang (E)

Tráfego máximo transportado por uma tronca é 1 E

Îa tronca está sempre ocupada durante o período de medida

(habitualmente 1 hora)

número médio de chamadas

por unidade de tempo

λ

≡

Taxa de chamadas na

HMC varia entre

0.5 (zona rural) e

1.5 (zona muito activa)

Taxa de chamadas na HMC:

número médio de

chamadas realizadas por

assinante durante a HMC

Duração das

chamadas varia entre

3 e 4 minutos

Tráfego por assinante

0.025 E ≤ A ≤ 0.1 E

(9)

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 ligações

(circuitos).

– Nos casos em que os caminhos físicos da sinalização e do sinal de voz são os

mesmos Î sinalização em canal associado ou CAS (channel-associated signalling).

– Nos casos em que a rede de sinalização é independente da rede de voz Î

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).

(10)

Tipos de comutação

• As centrais de comutação telefónica usam comutação de

circuitos

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-slot correspondente a essa chamada. Usa comutação espacial e comutação temporal.

(11)

Centrais manuais

• Usavam operadores humanos

para ligar os circuitos de entrada

e saída

• O desenvolvimento das redes

telefónicas ditou o seu

desaparecimento

ÎAutomatização da comutação

Foram usadas na rede telefónica portuguesa até ao início da década de 80.

(12)

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

2

7 5

Sequência de pulsos decádicos Selector #1

275

(13)

Selector da comutação passo-a-passo

• 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 rede telefónica portuguesa até meados dos anos 90.

(14)

Comutação de barras cruzadas

Controlo centralizado: o sistema de controlo armazena os dígitos marcados,

processa-os em seguida e gera os sinais apropriados para controlar o

comutador no estabelecimento das ligações.

• O elemento de comutação parece uma matriz constituída por barras

horizontais e verticais que são operadas por electroímanes activados pela

corrente gerada pelo sistema de controlo, sendo os pontos de cruzamento

estabelecidos pelo contacto mecânico das barras.

(15)

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 de Comutação Sistema de controlo Sistema de controlo Matriz de Comutação Central A Central B Voz sinalização Matriz de Comutação Sistema de Controlo Sistema de controlo Matriz de Comutação sinalização voz Central B Central A

Sinalização em canal associado Sinalização em canal comum (SS7)

Os sinais de sinalização e de voz

(16)

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) Multiplexador Unidade de concentração Bloco do grupo de comutação Interface de linha de assinante (30)

Sistema de controlo da central

Controlador das interfaces Sin. MF Tons Sin. MF CAS CCS Tronca digital 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 Channel Signaling

CAS: Channel Associated

Signalling

Sistema de Sinalização nº 7

(17)

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 é responsável 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 de toque Unidade de supervisão Alimentação de linha Protecção de sobre-tensões Híbrido Descodificador Codificador 64 kb/s 64 kb/s Mux 1 1 30 Outras ILAs Controlador de interfaces Extracção de sinalização Outras ILAs Sistema de controlo da central 2 Mb/s As funções de uma ILA podem sintetizar-se no

acrónimo BORSCHT, ou seja alimentação

(Battery), protecção contra sobre-tensões (O

ver-voltage protection), toque de campainha

(Ringing), supervisão de linha (Supervision),

codificação A/D e D/A (Coding), híbrido (Hybrid )

(18)

Etapas associadas à realização de uma

chamada local

• As principais etapas são as seguintes:

Sinal de aclarar inv. Sinal de aclarar

10

Desliga o equipamento

Assinante Chamador _{Central local} Assinante chamado

Endereço 4 1 Sinal de apresar

1) 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 circuito de 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.

2 Identificação de assinante Sinal de linha 3 Atribuição de memória 5

Análise dos dígitos

6 Estabelece o caminho Sinal de chamada 7 Tom de chamada Sinal de resposta 8 Desliga o sinal e o tom de

chamada Conversação

9 Supervisão

(19)

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 Entradas Matriz de comutação espacial N×M Ponto de cruzamento N × M 1 2 3 N 1 2 3 M M<N: concentrador M>N: expansor M=N: distribuidor 2×2 1 2 1 2 Elemento de comutação

(20)

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)=N

2

• 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 5 4 3 2 1

Mapa das ligações 1 2 3 4 5

3 1 5 2 4

Entradas

(21)

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

(22)

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 bloqueio

de interligação

• Fiabilidade reduzida

1 2 3 4 4 3 1 2 1 3 3 2 2 4

?

4 1

_?

Bloqueio Bloqueio

(23)

Análise da arquitectura com dois andares

• Só há uma ligação entre cada sub-matriz do andar de entrada e cada sub-matriz do

andar de saída

• Para estruturas com dois andares, a complexidade é

C(2)=2k(n×k)=2nk

2

=2N

2

/n

(N: nº linhas de entrada e n: nº entradas da sub-matriz)

• Parâmetro adicional: nº total de ligações entre as sub-matrizes do 1º andar e do 2º

andar (

k

2

=

N

2

_/

_n

2

₎

• k sub-matrizes no

andar de entrada

(e no andar de

saída).

• Cada sub-matriz

no andar de

entrada tem n

entradas

Î N=

n×k

(24)

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 linhas de en trada N linhas de sa ída r=s=N/n

• as N entradas e as N saídas

são divididas em sub-grupos

de 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

(

)

₂2 (3) 2 N N N 2 N C n k k k N n n n n ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ = × + _⎜ × _⎟ = _⎜_⎜ + _⎟_⎟ ⎝ ⎠ _⎝ _⎠ Complexidade

(25)

Bloqueio de interligação

• Bloqueio de interligação nulo: é sempre possível estabelecer uma

ligação 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 que

se use um algoritmo adequado para estabelecer as ligações.

– Rearranjáveis: para ligar uma entrada livre a uma saída livre pode ser

necessário rearranjar as interligações.

(26)

Teorema de Clos para redes com três

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-matriz a 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 n nxk 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 livre b a #k Teorema de Clos

Indica o número mínimo de sub-matrizes do andar intermédio que

garantem ausência de bloqueio

de interligação em sentido estrito:

(27)

Probabilidade de bloqueio de interligação

• Em muitas centrais de comutação telefónica não são requeridas

redes de comutação sem bloqueio em sentido estrito

– Por exemplo, os concentradores são dimensionados para proporcionarem

algum bloqueio na hora de ponta, tendo presente que os telefones

residenciais só estão ocupados em cerca de 10% do tempo na HMC.

– Porque não são económicas.

• O cálculo da probabilidade de bloqueio pode ser realizado

usando o método de Lee

– Este método utiliza a teoria dos grafos para representar a matriz de

comutação.

– O grafo é uma colecção de pontos designados por vértices (sub-matrizes)

ligados por linhas designadas por arcos (caminhos entre sub-matrizes).

(28)

Representação de uma matriz espacial por

um grafo

• Matriz 9x9, com n=3 e k=3

nxk

3 3 3 3 3 3

9 9

Grafo da matriz Grafo de canal

3 3 3

O grafo da matriz representa as interligações entre as sub-matrizes que são simbolizadas por pontos.

O grafo de canal representa só os caminhos usados para estabelecer uma ligação entre

(29)

Probabilidade de bloqueio

(caminhos alternativos)

• O método de Lee baseia-se na independência entre caminhos

alternativos e na independência entre a ocupação de arcos da

mesma ligação.

• Seja p

_i

a probabilidade de ocupação do caminho i.

A probabilidade de bloqueio de uma ligação constituída por n

caminhos alternativos é dada por

n

p

(30)

Probabilidade de bloqueio

(caminhos em série)

• Seja p

_i

a probabilidade de ocupação do arco i.

A probabilidade de bloqueio de uma ligação constituída por n

arcos em série é dada por

)

1 )...(

1 )(

1 (

1 p

₁

p

₂

p

_n

B

=

−

B

=

1 −

(

1 −

p

)

n

p

1

=

p

2

=

....

=

p

n

=

p

(31)

Análise do bloqueio em

redes com três andares

• Considere-se uma rede com três andares, que é caracterizada por

cada sub-matriz do 1º andar ter n entradas e k saídas (k<(2n-1)).

• A probabilidade de ocupação em cada andar é obtida dividindo o

tráfego total oferecido pelo número de ligações presentes nesse

andar.

Grafo da rede com três andares

. . .. k 1 2 p p’ p p’ p’

p: probabilidade de

ocupação da linha de

entrada

p’ : probabilidade de

ocupação das ligações

entre matrizes

p n

⋅ =

p k

′

⋅

Principais características

• k caminhos entre a entrada e a saída

(32)

Bloqueio em redes com três andares

2

2 [1 (1

) ]

k

[1 (1

/ ) ]

k

B

= − −

p

′

= − −

pn k

Probabilidade de bloqueio para a rede com três andares

(

)

(

)

Probabilidade dos caminhos estarem ocupados

= Probabilidade de um caminho qualquer estar ocupado

= Probabilidade de que pelo menos uma ligação no caminho esteja ocupada

= 1- Probabilidade d

k

B

=

k

( )

1-

2 e que nenhuma ligação no caminho esteja ocupada

k

p′

⎛

⎞

⎜

⎟

⎜

⎟

⎜

⎟

⎝

⎠

1444444444444

424444444444444

3

(33)

Exemplo de probabilidade de bloqueio (1)

Matriz de três andares com distribuição no primeiro andar

100 100 10 10 100 100 1000 1000 10 100 10 5

Número de pontos

de cruzamento

(3) 2.1 10

C

=

×

1000

A

a

=

⇒

p

=

p

′

=

a

Tráfego oferecido à matriz,

Tráfego oferecido a cada linha de entrada,

Número de linhas de entrada,

A

a

N

=

2 100

[1 (1

) ]

B

= − −

p

0.37 1.7×10

-2

8×10

-5

2.7×10

-8

3.2×10

-13

7.5×10

-73

B

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.1 p

(34)

Exemplo de probabilidade de bloqueio (2)

Matriz de três andares com concentração no primeiro andar

100 10 10 10 10 100

1000 1000

10 10 10

(

)

(

)

4

Número de pontos de cruzamento

(3) 2 10 100 10

10 10 10

(3) 2.1 10

C

= × ×

×

+ ×

×

=

×

10 10

p

′ =

p

=

a

B

= − −

[1 (1 10 ) ]

p

2 10

0.39

0.17 5.6×10

-2

1.2×10

-2

1.2×10

-3

B

0.07

0.06

0.05

0.04

0.03 p

Quando p é pequeno podem usar-se concentradores para

reduzir C(3)

Nota: na rede local podem usar-se concentradores porque a varia entre 0.025 E e 0.1 E.

Na rede de troncas, a

varia entre 0.5 E e 0.7 E, pelo que não se deve utilizar concentração.

Factor de

concentração

1 n

k

β

=

1

10 β

=

(35)

Comparação da complexidade de

matrizes de três andares

Probabilidade de

ocupação das linhas

2 2

(3)

2 N

C

k

N

n

⎛

⎞

=

_⎜

+

_⎟

⎝

⎠

Uma ordem de grandeza

(36)

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 31 32 3 2 1 1 1 trama 31 32 3 2 1 1 1 trama 31 32 3 2 1 1 31 32 3 2 1 1 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

(37)

Princípios da comutação temporal

• A comutação temporal consiste em transferir o conteúdo de um

time-slot para outro time-time-slot.

TS2 TS2 TS7 TS7 Trama #1 Trama #2 TS7 TS7 Trama #1 Trama #2 TS2 TS2 Tempo Tempo

• 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

(38)

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 D E A C 1 2 3 4 5 1 ₂ ₃ ₄ ₅ B A C B 1 ⇒ 3 2 ⇒ 5 3 ⇒ 4 4 ⇒ 2 5 ⇒ 1 Padrão de ligações Entrada do TSI Saída do TSI A 1 B 2 C 3 D 4 E 5 5 1 4 2 1 3 3 4 2 5 Contador Memória de endereços E D A C B tempo E D A B C 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

...

(39)

Dimensão das memórias do TSI

(escrita sequencial e leitura aleatória)

• Para uma trama da via TDM de entrada com w

₁

time-slots, e saída com w

₂

time-slots, cada um com b bits,

– Dimensão da memória de dados (w

₁

células de b bits cada): b × w

₁

bits

– Dimensão da memória de endereços (w

₂

células de log

₂

w

₁

bits cada): w

₂

× log

₂

w

₁

bits

A 1 . . . G w₁ w₁ 1 . 2 . . . . 1 w₂ Contador Memória de endereços G … … … A tempo Escrita sequencial controlada pelo contador

Leitura aleatória controlada pela memória de endereços

Endereço da célula Conteúdo da célula Memória de dados tempo G A Trama TS#1 TS#w₁ … … Trama TS#1 … TS#w₂ Endereço da célula Conteúdo da célula 1 ⇒ w₂ . . . w₁ ⇒ 1 Padrão de ligações

(40)

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 D

_b

– Débito binário do sinal TDM: w·D

_b

bit/s

– Duração de cada time-slot: b/(w·D

_b

)

– Em cada time-slot dão-se dois acessos à memória (uma operação de escrita

e outra de leitura) Î o tempo de acesso deve verificar

t

_a

≤ b / (2w·D

_b

)

3.8×10

-9

3.1×10

-8

4.9×10

-7

2.0×10

-6

t

_a

(s)

16384

2048

128

32 w

b = 8 bits

D

_b

= 64 kbit/s

(41)

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

H H H A/D & MUX DMUX & D/A 0 1 99 0 1 99 Trama 0 1 99 1 0 99 - 99 1 Trama Contador de time-slots 99 1 0 1 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 Îo tempo de acesso à memória é dado por

t_a≤125μs/(2w), onde w é o número de canais por trama

(42)

Estrutura básica de um TSI

• Estrutura básica de um TSI de 32 canais (w=32) com

escrita sequencial e

leitura aleatória

Memória de dados 32x8 S/P P/S Selector Memória de endereços 32x5 Contador Selector Endereço de leitura Endereço de leitura 8 bits _{8 bits} 5 bits 5 bits 5 bits Do sistema de controlo da central Endereço de escrita Endereço de escrita 5 bits E/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 dados

A memória de dados e a memória de endereços são implementadas 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.

(43)

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-slots

w. 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 log (n+1) bits.

Memórias de conexão Descodificador de endereços

(44)

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 de endereços Memórias de conexão 010 111 001 1 2 3 w 001 010 111 1 2 3 w 111 001 010 1 2 3 w 1 2 3 w tempo 1 tempo 2 3 w 7 1 tempo 2 3 w 1 2 3 w 1 22 3 1 2 3 tempo tempo 2 1 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 ligações 001 010 111 001 010 111 001 010 111 Sinais TDM de entrada com w time-slots Endereço do ponto de cruzamento

(45)

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 TSI N 1 2 2 8 2 15 15 15 Comutador Espacial NxN 1 N TSI TSI TSI N 1 2 2 8 2 21 20 20 TSI TSI TSI 15 21 15 Arquitectura TS Arquitectura TST [1,2] ⇒ [N,15] [1,8] ⇒ [2,15] Ligações exemplificadas

Bloqueio: conflito entre dois time-slots 15

(46)

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 TSI N 1 2 2 8 2 15 15

Comutador

Espacial

N x k

8 15 2 15 1 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

(47)

Arquitectura TST

Comutador

Espacial

N x N

1 N TSI TSI TSI N 1 2 2 8 2 21 20 20 TSI TSI TSI 15 21 15 [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:

(48)

Interligações numa matriz de comutação TST

• Pretende-se estabelecer a interligação: A2/TS10→C1/TS45

2 124 Memória de conexão MC-B1 1 2 1 3 MC-B2 MC-B3 10 10 124 124 45 124 124 45 10 45 _C1 A1 TSI Memória de dados Memória de endereços

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

(49)

Interligações numa matriz de comutação STS

• Pretende-se estabelecer a interligação: A1/TS10→C1/TS45

3 45 Memória de conexão MC-C1 1 2 1 3 2 MC-C2 _MC-C3₂ 10 10 45 45 10 Matriz espacial

de entrada Memória de dados

Memória de endereços

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 2 1 3 2 MC-A2 2 MC-A3 10 Matriz espacial de saída A2 A1 A3 3 ₁₀ MC-A1 Memórias 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

(50)

Equivalentes espaciais analógicos

TSI

-TSI

tempo Trama TS#1 TS#w … … tempo Trama TS#1 TS#l … …

• Descrevem, em termos de matriz de comutação espacial analógica,

as estruturas de comutação digital.

• Úteis na compreensão do funcionamento dos comutadores digitais e

na determinação da sua probabilidade de bloqueio.

w

× l

w 1 2 l 1 2

(51)

Equivalente espacial analógico

comutador digital espacial

-Comutador

Digital

Espacial

N x N

1 N 2 tempo Trama TS# 1 TS#l … … N 1 2 tempo Trama TS# 1 TS#l … …

N

× N

TS#1

N

× N

TS#2

N

× N

TS#l

(52)

Equivalente espacial analógico

arquitectura STS

-Comutador Espacial k x N 1 N TSI TSI TSI N 1 2 2 Comutador Espacial N x k 1 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 … …

Teorema de Clos: k ≥ 2N-1

N×k N×k N×k w×w w×w w×w k×N k×N k×N TS#1 TS#2 TS#w TS#1 TS#2 TS#w #1 #2 #k . . .. k 1 2 p p’ p p’ p’

p N

⋅ =

p k

′

⋅

2 2

[1 (1

) ]

[1 (1

/ ) ]

k k

B

p

B

pN k

′

= − −

Grafo de canal

(53)

Equivalente espacial analógico

arquitectura TST

-Comutador Espacial N x N 1 N TSI TSI TSI N 1 2 2 TSI TSI TSI tempo Trama TS# 1 TS#w … … tempo Trama TS# 1 TS#l … … tempo Trama TS#1 TS#l … … tempo Trama TS#1 TS#w … …

Teorema de Clos: l ≥ 2w-1

w×l w×l w×l N x N l×w l×w l×w #2 TS#2 . . . . l 1 2 p p’ p p’ p’

p w

⋅ =

p l

′

⋅

2 2

[1 (1

) ]

[1 (1

/ ) ]

l l

B

p

B

pw l

′

= − −

Grafo de canal

#1 #N TS#1 TS#l N x N N x N #2 #1 #N

(54)

Exemplos de centrais digitais

Fabricante Designação _IntroduçãoAno de Aplicação _{de linhas}Número

As dimensões do comutador digital espacial aumentam com o quadrado do número de linhas de entrada / saída Îas matrizes espaciais são implementadas em vários andares

Î estruturas TSSST (EWSD) ou TSSSST (4 ESS)

Toll = Inter-urbano

ESS = Electronic Switching System EAX = Electronic Automated eXchange

(55)

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

(56)

Estrutura simplificada da rede

DSLAM Modem xDSL Filtro Filtro Par simétrico R P Repartidor principal ATM ADM ADM ADM ADM

ATM ISP Internet

Router IP Comutador ATM Central de Trânsito Rede telefónica Rede de transporte Central (ou estação) Local Central de Comutação Digital Internet Service Provider