Multiplexação
PDH e SDH
2
Teorema da Amostragem Teorema da Amostragem
Neste item serão apresentados os seguintes conceitos básicos para que possamos dar continuidade a todos os itens deste capítulo do curso. Serão apresentados os seguintes conceitos:
1. Teorema da amostragem
2. Aplicação deste teorema na conceituação da multiplexação por divisão de tempo - TDM
• BIT é a menor quantidade de informação que se pode transmitir em um meio de transmissão.
• Quando se transmite um sinal digital em um meio de transmissão a velocidade ou taxa de transmissão é dada pelo número de bit’s que se transmite em um segundo [ bps : bit’s por segundo, Kbps : quilobit’s por segundo, Mbps : Megabit’s por segundo ].
PCM- Pulso Code Modulation
Os sinais analógicos podem ser transformados em sinais digitais (digitalização) através de um processo de amostragem, quantização e codificação binária.
Este procedimento de digitalização é conhecido por PCM - Pulse Code Modulation.
As tecnologias de digitalização utilizadas nos sistemas telefônicos (digitalização da voz) podem utilizar procedimentos padronizados ou procedimentos proprietários (PCM - Vocoder:digitalização das características da voz).
No procedimento PCM, a voz é digitalizada com uma velocidade de 64 Kbps.
Por um processo de compressão é possível transmitir este sinal a uma taxa de 8 Kbps. (taxas padronizadas : 6,7 - 8 - 9,5 -10 - 13 - 14,4 Kbps).
4
10 10.000
Hz Amp.
300 3.400
baixa freqüência (graves)
faixa transmitida (75% da energia)
alta freqüência (agudos)
distorção de timbre
Fa
Fa > 6,4 KHz> 6,4 KHz
Características do Sinal de Voz
O sinal de voz no sistema telefônico possui componentes de freqüência entre 300 e 3.400 Hz, ocupando uma faixa de 3.100 Hz. O canal telefônico disponibiliza um faixa de 4 Khz o que garante uma faixa de guarda de 300 Hz na parte inferior e uma faixa de 600 Hz na parte superior. Estas faixas protegem o sinal de informação ao longo do canal, na transmissão.
VOZ
0 300 3400 4000
Técnicas de Digitalização
Modulação por Código de Pulso - PCM
Neste item serão apresentados os seguintes conceitos básicos para que possamos dar continuidade a todos os itens deste capítulo do curso. Serão apresentados os seguintes conceitos:
1. Técnica de digitalização por Modulação por Código de Pulsos - PCM 2. As características fundamentais do sinal PCM - E1
3. Menção das outras técnicas de modulação e seus objetivos.
6 Modulação por código de Pulso PCM
Filtragem
10 10.000
Hz Amp.
300 3.400
Filtro
Amostragem
Modulação por código de Pulso PCM
No sistema PCM (do inglês – Pulse Code Modulation), a tensão de cada amostra é representada por um código de n elementos binários. Com n elementos binários tem-se um total de 2n combinações possíveis. É possível, então, representar-se um total de N=2n valores de tensão. É inerente ao sistema PCM limitar a representação das amostras do sinal a um conjunto discreto de N valores.
Portanto, a amostra , que pode assumir qualquer valor de tensão , terá que ser aproximada do valor codificável mais próximo, e o sinal, que era discreto no tempo (pela amostragem a intervalos regulares no tempo ) e contínuo em tensão (a amostra pode ter qualquer valor de tensão ), passa a ser discreto também em tensão.
O sistema PCM envolve as seguintes etapas:
a) Filtragem
Destina-se a limitar o espectro do sinal a ser transmitido a uma determinada frequência máxima fM. No caso de transmissão de voz no serviço telefônico, esse limite é fM=3,4 kHz.
b) Amostragem
O sinal com o espectro limitado em frequência a fMé amostrado a intervalos regulares de tempo Ta = 1/fa. A frequência de amostragem deve ser fa≥2 fM. No caso do serviço telefônico, adota-se, como padrão internacional, fa = 8 kHz.
O Teorema da Amostragem garante que é possível recuperar um sinal analógico, no ponto de recepção, através de suas amostras, se o sinal analógico for limitado em freqüência - fm e se a freqüência de amostragem - fa for maior que o dobro da freqüência máxima - fm.
Teorema da Amostragem
fm fa ≥ 2 .
O ser humano gera, através da voz, componentes de freqüência de 10 a 10.000 Hz. A telefonia tem a finalidade de transmitir informação com inteligibilidade (75% da energia), portanto quando transmitimos o sinal de voz são eleminadas componentes de alta e de baixa freqüências, distorcendo a informação (a voz fica sem o timbre).
Nestas condições o valor máximo do sinal de voz que é transmitido é de 3,4 KHz.
8
t
τ τ τ
τ tempo de um amostra Ta Período de
amostragem
fa = 1 / Ta fa > 2.fm :.
1 / Ta > 2 / tm
Tempo de Amostra
Em se respeitando o valor mínimo da freqüência de amostragem, podemos recuperar o sinal analógico embutido no processo de modulação, na recepção.
t corresponde ao tempo ocupado por uma amostra do sinal analógico dentro do sinal modulado.
Ta corresponde ao período de amostragem sendo igual ao inverso da freqüência de amostragem.
O percentual de ocupação de tempo por uma amostra considerando o período de amostragem é de:
% ocupação = (t / Ta).100
Este Percentual de ocupação é bastante baixo, visto que a duração da amostra é bem pequena.
Procedimento de Digitalização
O procedimento de digitalização dos sinais
amostrados (sinais PAM) é composto por duas etapas:
•Quantização : que estabelece um certo número de níveis de quantização, compara cada amostra
com estes níveis e aproxima a amostra ao nível mais próximo.
•Codificação : codifica cada amostra quantizada em uma palavra de “N” bit’s.
O procedimento de digitalização é realizado por um CONVERSOR A/DCONVERSOR A/D
O sinal PAM não é adequado para a transmissão à distância em função da alta degradação que sofrerá e portanto a dificuldade que se terá para a recuperação do sinal transmitido na recepção.
A idéia então é a de representar cada uma das amostras por um “pacote” de bit’s, que é conhecido por “palavra binária”.
Antes da codificação, pelo fato das amostras poderem assumir infinitos valores de amplitudes, é necessário quantizar cada amostra. Após a quantização realiza- se a codificação binária.
No processo de quantização (aproximação das amostras a um nível de quantização) provoca-se um erro que será tanto menor quanto maior for o número de níveis disponíveis.
10 Exemplo de Quantização e Codificação
1 2 3 4
-1 -2 -3 -4
100 101 110 111
000 001 010 011
t
t 0
0 0 0
0
1 1 1 1 1 1 1 1 0 0
No exemplo apresentado foi realizado a quantização e codificação binária considerando apenas 8 (oito) níveis de quantização.
Para oito níveis de quantização serão necessários apenas 3 (três) bit’s para representar diferentemente cada uma das amostras quantizadas.
O sinal transmitido após a codificação binária é formado por palavras de 3 (três) bit’s e é denominado de PCM PCM --Pulse CodePulse CodeModulation (Modulação por código Modulation de Pulsos - MCP)
Quantização e Codificação
Quantização e Codificação
Com um código de n bits podem ser representados N = 2n valores de tensão.
Portanto, os valores codificáveis constituem um conjunto discreto de N valores.
Denomina-se quantização a aproximação do valor da tensão de cada amostra pelo valor codificável mais próximo. O codificador produz, para cada amostra, uma palavra de código de n bits correspondente ao valor codificável mais próximo.
Conforme veremos detalhadamente mais adiante, o codificador atribui uma mesma palavra de código a todos os valores de tensão dentro de um determinado intervalo de tensão, denominado intervalo de quantização. Para uso em telefonia, adota-se, internacionalmente um código de n = 8 bits , que corresponde a N = 28
= 256 intervalos de quantização.
12 Sistema PCM
Amostrador ( 8 KHz ) Amostrador
( 8 KHz ) 1
30
Quantizador ( 256 níveis ) Quantizador ( 256 níveis )
Codificador Binário ( 8 bit’s ) Codificador
Binário ( 8 bit’s )
Sinal PCM Conversor A / D
Sinais Analógico
PAM - Infinito Níveis PAM - 256 Níveis 2 Canais de
Serviço
O equipamento profissional que gera sinais PCM trabalha com as seguintes características :
N = 32 canais ( 30 de voz + 2 de serviço )
fa = 8 KHz Ta = 1 / fa = 1 / 8000 = 125 m s Número de Níveis de Quantização = 256 níveis Número de bit’s na palavra binária = 8 bit’s
Com estas características cada canal PCM transmite bit’s a uma taxa de 64 Kbps (8000 amostras/segundo 8 bit’s/amostra = 64000 bit’s / segundo)
Como o sinal PCM é formado por 32 canais PCM a sua taxa de transmissão de bit’s é de 2,048 Mbps (32x64Kbps = 2048 Kbps)
Feixe E1 e T1
0 1 2 3 4 ...15 16 17 ... 30 31 ... ...
32 x 64 Kbps = 2048 Kbps
0 1 2 3 4 ... 8 9 10 ... 22 23 ... ...
24 x 64 Kbps = 1536 Kbps E1
T1
Padrão Europeu
Padrão Americano e Japones
14
Multiplexa
Multiplexa ç ç ão ão
Multiplexação Determinística
A1 A2 A3 A4 A5
B1
C1 C3 C4 C5
D1 D2 D3 D4 D5
Meio de Transmissão
Neste tipo de multiplexação temporal o sistema disponibiliza um intervalo de tempo igual para cada entrada disponível, independente de se ter informação para ser transmitida ou não.
A taxa de transmissão de cada sinal de informação é igual e o sinal multiplexado tem taxa de transmissão, no meio de transmissão, igual à taxa de transmissão de cada informação transmitida multiplicada pelo número de entradas disponível.
16 Multiplexação Estatística
A1 A2 A3 A4 A5
B1
C1 C3 C4 C5
D1 D2 D3 D4 D5
Meio de Transmissão
Neste tipo de multiplexação temporal o sistema disponibiliza um intervalo de tempo igual para cada entrada disponível porém, quando uma entrada não possui informação para transmitir o sistema continua transmitindo a informação anterior .
A taxa de transmissão dos sinais de informação poderão ser diferentes e o sinal multiplexado tem taxa de transmissão, no meio de transmissão, igual à soma das taxas de transmissão de cada informação transmitidas.
Comparando os dois procedimentos, podemos perceber que o sinal “A” duplicou a sua taxa de transmissão, visto que dobrou a quantidade de informação no meio de transmissão em um mesmo intervalo de tempo.
Multiplex de 1º Ordem
E1 O equipamento que gera o sinal PCM é conhecido como multiplex de 1a. Ordem e o sinal PCM conhecido como ““E1E1””
Multiplex 1a. Ordem
1 2
30
Sinal PCM 30 CV + 2 CS
2 Mbps
18 Multiplexação por Divisão de Tempo - TDM
C1
C2
C3 S1
S2
S3
t t t C1
C2 C3
QUADRO
Quando transmitimos um sinal PAM o meio de transmissão fica ocioso durante um tempo dado por:
Tociosidade = Ta - t
Desta forma alguém pensou na possibilidade de se transmitir “N” sinais durante o período de amostragem ou tempo de quadro, assim, a capacidade (N) do sistema de multiplexação temporal será de:
N = Ta / t
Para se conseguir a multiplexação aqui proposta é necessário que os relógios de cada uma das chaves eletrônicas estejam defasadas de um valor t entresi. O tempo de quadro é igual a Ta ( Tq = Ta ).
0 1 30 31 0 1 2 3 15 16 17 18 28 29 30 31
Tq = Ta = 1 / fa = 125 µ µ µ µ s
Tc = Tq / 32 = 3,90625 µµµµs 1 2 3 4 5 6 7 8
Tb = Tc / 8 = 488 ns Canal “0” : Sincronismo de quadro
Canal “16” : Sinalização por Canal Comum Canais de 1 a 15 e de 17 a 31 : Voz
Formação do E1
A taxa de transmissão de cada canal e a taxa de transmissão do sinal PCM podem ser determinadas também da seguinte forma :
1. Taxa de transmissão por canal
cada canal transmite no intervalo de 125 ms apenas uma amostra ou 8 bit’s, portanto a taxa de transmissão é dada por :
Ttx = No. de bit’s / tempo = 8 / 125.10-6= 64 Kbps 2. Taxa de transmissão do sinal PCM
o sinal PCM transmite em 125 ms um total de 256 bit’s (32 canais x 8 bit’s/canal), assim a sua taxa de transmissão é de
Ttx = No. De bit’s / tempo = 256 / 125. 10-6= 2,048 Mbps
20 Modos de Transmissão
TX RX
A B
Modo Simplex de Opera Modo Simplex de Operaççãoão
TX RX
A B
Modo Semi
Modo Semi--Duplex de OperaDuplex de Operaççãoão
RX TX
TX RX
A B
Modo Duplex de Opera Modo Duplex de Operaççãoão
RX TX
Um canal de comunicação é um conjunto de recursos técnicos que permite a transmissão de informação de um ponto “A” até um ponto “B” (exemplo : canal de TV). Um canal opera o meio de transmissão no modo simplex (a informação trafega em um só sentido).
Um circuito de comunicação é um conjunto de recursos técnicos que permite a troca de informação (conversação) entre dois “A” e “B”.
Um circuito de comunicação pode operar o meio de transmissão em dois modos distintos : 1. semi-duplex (quando existe fluxo de informação nos dois sentidos porém, alternadamente), e, 2. duplex (quando existe fluxo de informação nos dois sentidos porém, simultaneamente).
Alinhamento de quadros
Alinhamento de quadros
22 Hierarquia Digital Plesiócrona – PDH (Européia)
11 TDM DIGITAL
1a.
ORDEM 11
22
3232
32 CANAIS DE 64 Kbps
(PCM)
04 Tributários de 4a. 0rdem 1920 cv/ 128 cs
139,264 Mbps
TDM DIGITAL
2a.
ORDEM 2
2 33 4 4
04 Tributários de 1a. 0rdem
30 cv/ 02 cs 2,048 Mbps
E1 E1
11 2 2 33 44
TDM DIGITAL
3a.
ORDEM 11
04 Tributários de 2a. 0rdem 120 cv/ 08 cs 8,448 Mbps
E2E2
TDM DIGITAL
4a.
ORDEM
04 Tributários de 3a. 0rdem 480 cv/ 32 cs 34,368 Mbps
22 33 4
E3 4
E3
E4E4
Os multiplexadores PDH são equipamentos de multiplexação temporal digitais que possuem relógio individualizado, assim, sinais gerados por multiplexadores diferentes não são sincronizados de relógio, apesar de serem sinais síncronos.
Na multiplexação digital é necessário sincronizar os tributários a serem multiplexados temporalmente. Esta sincronização é feita com auxílio de pulsos adicionados denominados de PULSOS DE JUSTIFICAÇÃO ou PULSOS DE ENCHIMENTO., como será detalhado em seguida.
Encontramos padronizados pela ITU-T três hierarquias de equipamentos PDH, a saber : Hierarquia Européia, Hierarquia Americana e Hierarquia Japonesa.
Nas figuras que seguem mostra-se os estruturas destas hierarquias PDH para equipamentos multiplex digitais.
Equipamento de geração de um E1
Representação
30
01
30
E1
MD 1
Geração do sinal de Sincronísmo Conversor
AD S1
C1 C12
S15 Conversor
C15 AD C15
Geração dos sinais 2
de Sinalização - CC E
M
Conversor AD S17
C17 C17
2
S31 Conversor
C31 AD C31
2
Sinal PCM - E1 2Mbps
30 CV e 2 CS C02
C16
2
O equipamento de geração de E1 é composto basicamente por:
• 30 digitalizadores de sinais de voz gerando 30 sinais binários (digital) de 64 Kbps. Estes digitalizadores são utilizados somente quando a transmissão é de voz, quando a transmissão é de sinais de dados estes sinais entram diretamente na porta do MD 1
• Um circuito de geração da palavra de sincronismo de quadro injetada no canal
¨0¨ do MD 1.
• Um circuito de transformação de sinalização de fios E e M para o canal ¨16¨ de multiplexação digital, canal comum para sinalização.
• Um amostrador digital que funciona como o multiplexador digital para os 32 canais de 64 Kbps (30 de voz + 1 de sinalização + 1 de sincronismo) gerando assim o sinal E1 com velocidade de 2 Mbps.
24 Equipamento de geração de um E2
E11 C18 E1 C22 8E1 C33 8E1 C44 8
Sinal PCM - E2 8Mbps
120 CV e 8 CS
Representação 30
30 30 30
001
120
2 E2
4 EG de E1
1 MD de 2a. Ordem
O equipamento de geração de um sinal E2 é composto por um amostrador de quatro portas que funciona como multiplexador digital amostrando os pulsos dos sinais de E1.
Equipamento de geração de um E3
E21 C134 E22 C234 E23 C334 E24 C434
Sinal PCM - E3 34Mbps
480 CV e 32 CS
Similar ao equipamento de geração de E2.
26 Equipamento de geração de um E4
Equipamento de Geração
de E3 001
480
Equipamento de Geração
de E3 481
960
Equipamento de Geração
de E3 961
1440
Equipamento de Geração
de E3 1441
1920
4 E4
Equipamento de Geração
de E4
0001
1920
E4
Representação Detalhada
Representação Detalhada
Similar ao equipamento de geração de E3
Hierarquia Digital Plesiócrona – PDH (Americana e Japonesa)
1a. Ordem (A/J) 24 cv - 1,544 Kbps 2a. Ordem ( A/J) 96 cv - 6,312 Mbps
3a. Ordem (A) 672 cv - 44,736 Mbps / (J) 480 cv - 32,064 Mbps 4a. Ordem (A) 4032 cv - 274,176 Mbps / (J) 1440 cv - 97,728 Mbps
6 6
TDM DIGITAL
1a.
ORDEM 1 BIT
DE SINC.
1 1
4
2 24
TDM DIGITAL
2a.
ORDEM
1
4
TDM DIGITAL
2a.
ORDEM
1 7
TDM DIGITAL
3a.
ORDEM
1
5
TDM DIGITAL
3a.
ORDEM
1
3
TDM DIGITAL
4a.
ORDEM
1
TDM DIGITAL
4a.
ORDEM
4a. Ordem americana
4a. Ordem japonesa
A grande diferença entre as hierarquias americana e japonesa para com a hierarquia européia é basicamente a capacidade de supervisão do sistema.
Enquanto que na hierarquia européia a sinalização é feita por canal comum ou canal associado, e o sincronismo é realizado por um canal (oito bits), nas outras duas hierarquias a sinalização é feita pelo mesmo canal em que trafega o sinal de voz - associada ao canal e o sincronismo é feita por um só bit.
28 Multiplex digital 2a. 3a. E 4a. ordem
Memória
Gerador de bit’s de Justificação Extrator e
Comparador de relógios tributários de ordem inferior 1
2 3
4
tributário de ordem superior Gerador de
bit’s para sincronismo
Observando o desenvolvimento das hierarquias (possibilita o aumento da capacidade do sistema multiplex) podemos reparar que a taxa de transmissão de cada um dos tributários não corresponde ao produto do número pela taxa dos tributários de ordem inferior. A diferença corresponde a taxa de transmissão de bits de justificação necessária ao sincronismo dos tributários de ordem inferior.
Desta forma um multiplexador digital - temporal, de 2a. a 4a. ordem, deverá, no caso da hierarquia européia, adorada no Brasil, no tempo de 125us alocar 4 tributários de ordem inferior mais os bits de justificação, quando necessário. Isto só é possível por compressão temporal
Os bit’s de justificação são inseridos no sinal com o objetivo de permitir que sinais não sincronizados sejam transportados por um mesmo procedimento de multiplexação temporal. Desta forma os bit’s de justificação poderão ter dois significados: “0” não existe justificação e “1” existe justificação.
Hierarquia na PDH
64 Kbit/s 1544
Kbit/s
2048Kbit/s
6312 Kbit/s 8448 Kbit/s
44736 Kbit/s 34368 Kbit/s 139264 Kbit/s 564962 Kbit/s
274176 Kbit/s 32064 Kbit/s
97728 Kbit/s 397200 Kbit/s
x4
x3 x6
x4
x4 x4
x4
x30 x24
x4
x5 x7
EUA Europa/Brasil
Japão
A Hierarquia Digital Plesiócrona - PDH
O atual padrão utilizado para o transporte de sinais digitais, a PDH - Hierarquia Digital Plesiócrona, foi idealizado como uma solução para a interconexão de centrais de comutação digitais. Considerando esta necessidade, até pouco tempo a de maior importância, a PDH vinha se mostrando bastante adequada.
Em função das limitações tecnológicas impostas ao seu desenvolvimento, tais como componentes eletrônicos de baixa densidade e meios de transmissão com largura de faixa limitada (à época as fibras ópticas começavam a ser utilizadas) e considerando, também, o propósito para seu desenvolvimento, a interligação de centrais de comutação digitais, a utilização da PDH face às necessidades de mercado de aumentar a capacidade a capacidade de transporte para taxas da ordem de Gbits/s, oferecer serviços com qualidade elevada e atender ao cliente mais rapidamente e sob demanda, tornou-se não só demasiadamente cara, mas também, limitada.
30 Rede Extremamente Hierárquica
A rede PDH foi concebida para aplicações ponto-a-ponto. Desta forma, era natural que em função do aumento da demanda de tráfego entre os nós da rede de transporte, níveis hierárquicos mais altos aparecessem. Esta situação levou ao desenvolvimento de uma rede de transporte extremamente hierárquica, onde a formação de sinais de hierarquias superiores (sinais agregados) se dá através da multiplexação de sinais de hierarquias inferiores (sinais tributários).
A figura abaixo ilustra a formação de um sistema de transmissão de ordem “N”
através das diversas etapas de multiplexação dos canais de 64 Kbits/s.
Na PDH, apenas o primeiro nível hierárquico, o tributário de 2 Mbits/s é síncrono sendo formado pelo entrelaçamento byte a byte dos canais de 64 Kbits/s. Para a formação dos outros níveis hierárquicos, quatro níveis hierárquicos anteriores são multiplexados bit a bit . São definidos, ainda outros dois processos intitulados justificação, que precede a multiplexação, e o alinhamento após a multiplexação.
SINCRONIZADOR
SINCRONIZADOR
Sinal A
MM UU XX
SAÍDA
SINCRONIZADOR
SINCRONIZADOR
Sinal B Sinal C Sinal D
A sinc
B sinc
C sinc
D sinc
Sincronização dos sinais tributários
Considerando que os sinais tributários a serem multiplexados, para a formação do próximo nível hierárquico são plesiócronos, podem ter desvios de freqüência em relação a taxa nominal, a etapa de justificação é imprescindível para a correta multiplexação dos sinais tributários, desta forma, torna-se imperativo a sincronização destes em uma freqüência maior que a nominal e só após isto a multiplexação deve ser realizada. Esta sincronização se dá a partir da inclusão de bits de enchimento, quando necessário, ao sinal tributário. Abaixo apresentamos o princípio da sincronização dos sinais tributários.
32 Processo de Derivação e Inserção
ELO PCM de
4º Ordem ELO
PCM de 3º Ordem
PCM de 2º Ordem
PCM de 2º Ordem
PCM de 3º Ordem
PCM de 4º Ordem
2,048 Mbits/s
8,448 Mbits/s 8,448 Mbits/s
34,368 Mbits/s 34,368 Mbits/s
Em aplicações de rede onde são necessárias a funções de derivação e inserção de tributários a partir de um sinal PDH de nível hierárquico superior, a PDH não se mostra adequada , pois é necessário percorrer toda a cadeia hierárquica no processo de derivação e inserção.
Hierarquia PDH Européia
64kbit/s
2048 kbit/s
8448 Kbit/s
34368 Kbit/s
139264 Kbit/s
4 PCM
de
1º Ord. PCM de
2º Ord. PCM de
3º Ord. PCM de 4º Ord.
1
30
1
1 4 1
4 PCM
de 5º Ord.
4 1
565 Mbit/s
Brasil Europa
Padronização Parcial
A padronização parcial da PDH aparece como uma das grandes limitações desta, não permitindo que a rede seja formada por equipamentos de fabricantes distintos e consequentemente impedindo a implementação de um ambiente multifornecedor.
Na PDH, temos três hierarquias de multiplexação diferentes que são adotadas por diversos países. A hierarquia européia é formada por quatro níveis sendo o primeiro um sinal de 2,048 Mbits/s com 30 ou 31 canais de 64 Kbits/s, o segundo é um sinal de 8,448 Mbits/s com quatro tributários de 2,048 Mbits/s, o terceiro é um sinal de 34,368 Mbits/s com quatro tributários de 8,448 Mbits/s e o quarto é um sinal de 139,264 Mbits/s com quatro tributários de 34,368 Mbits/s.
A PDH implantada no Brasil é baseada no padrão europeu, mas utiliza um quinto nível com um sinal de 565 Mbits/s com quatro tributários de 140,264 Mbits/s que não é padronizado.
34 Hierarquias PDH americana e japonesa
64 Kbit/s
PCM de
1º Ord. PCM de
2º Ord. PCM de
3º Ord. PCM
de
4º Ord. PCM
de 5º Ord.
1
24
1
1
1
1 4
5
3
4 1544 Kbit/s
6312 Kbit/s
32064 Kbit/s
97728 Kbit/s
397200 Kbit/s 6
PCM de
1º Ord. PCM de
2º Ord. PCM de
3º Ord. PCM
de 4º Ord.
1
24
1
1 4 1
7 1544 Kbit/s
6312 Kbit/s
44736 Kbit/s
274176 Kbit/s
As hierarquias PDH americana e japonesa também formam o primeiro nível a partir de canais de 64 Kbits/s, porém, é realizado o entrelaçamento byte-a-byte de apenas 24 destes canais. Os demais níveis destas hierarquias são mostrados na figura acima.
Na PDH apenas as interfaces elétricas digitais e estruturas de quadro dos níveis hierárquicos 2 Mbits/s, 8 Mbits/s, 34 Mbits/s e 140 Mbits/s são padronizadas e as interfaces de linha óptica de qualquer nível hierárquico não são padronizadas.
Outro problema de padronização está associado às funcionalidades da gerência da rede. Os recursos gerênciados e as interfaces de gerência são proprietárias.
SDH – SDH – Hierarquia Digital Hierarquia Digital
S S í í ncrona ncrona
36 SDH - Synchronous Digital Hierarchy
• Provê aos diversos serviços de telecomunicações o transporte de sinais digitais.
SDHSDH
B-ISDN B-ISDN
PDH PDH
ATM ATM
SDH - Synchronous Digital Hierarchy
• Por quê você precisa da SDH?
– Sua rede será de alta velocidade?
– Sua rede terá gerência tipo TMN?
– Sua rede tem arquitetura mixta?
– Sua rede oferecerá serviços?
– Sua rede tem que conviver com a tecnologias atuais e as que estão por vir?
– Sua rede deverá ser Faixa Larga?
38 Histórico
• Estudos de uma rede síncrona iniciaram-se na década de 80 pelo Bellcore com o objetivo de criar uma interface padrão para os sistemas de
comunicações ópticas.
• Criaram a SONET com uma estrutura de quadro básica, com taxa de 51,84 Mbits/s, apropriada para o transporte de sinais com taxa até DS3 (44,736 Mbits/s).
• Em 1986 o ITU-T inicia os estudos para a criação da SDH com o objetivo de criar um padrão mundial para os sistemas de transmissão síncrona que proporcionasse aos operadores uma rede mais flexível e econômica.
• Criaram a SDH que possui um quadro básico com estrutura/capacidade de transporte três vezes maior que a SONET.
• Quadro básico da SDH com capacidade de transporte apropriada para o sinal E4 (139,264 Mbits/s).
• Em 1988 foram aprovados as primeiras recomendações da SDH que são: G.707, G.708 e G.709.
Introdução À HIERARQUIA DIGITAL SÍNCRONA Histórico
Os trabalhos para a padronização da Hierarquia Digital Síncrona - SDH tiveram início no XVIII Grupo de Estudos do International Telegrafh and Telefhone Consultative Committee - CCITT, atualmente ITU-T, em junho de 1986. Estes estudos tinham por objetivo criar um padrão mundial para os sistemas de transmissão síncrona que proporcionasse aos operadores uma rede mais flexível e econômica , como solução para as necessidade do mercado à respeito de uma rede de faixa larga, com gerência tipo TMN, com arquiteturas de rede diversificada e mixta, capacidade de conviver com todos os mais importantes sinais digitais e com os novos que aparecerão.
Em novembro de 1988 foram aprovados as primeiras recomendações da SDH que são: G.707, G.708 e G.709. Essas recomendações definem as taxas de transmissão, o formato do sinal, as estruturas de multiplexação e o mapeamento de tributários para a Interface Nó de Rede - NNI. A NNI forma um conjunto de padronizações necessárias à interligação dos elementos de rede da SDH.
O ITU-T definiu, além das recomendações que controlam a NNI, uma série de recomendações destinadas a sistemas de transmissão digitais SDH. Abaixo, listamos algumas das recomendações aplicáveis.
Recomendações Aplicáveis
G.707 G.708 G.709 G.781 G.782
G.783 G.784 G.803 G.81s G.831
G.957 G.958 Gsna.2 G.773 G.774
R750 E R751
G.707 - Especifica os níveis hierárquicos
G.708 - Especifica a interface entre o meio de transmissão e o nó da rede
G.709 - Especifica a estrutura de multiplexação e as informações do “Overhead”
G.781 - Estrutura das recomendações dos equipamentos para a rede SDH G.782 - Tipos e Características gerais dos equipamentos para a rede SDH G.783 - Características dos blocos funcionais dos equipamentos para a rede SDH G.784 - Gerência de Rede para a SDH
G.803 - Arquiteturas de redes de transporte baseadas na SDH
G.81s - Características de relógios escravos para operação em equipamentos SDH G.831 - Capacidade de gerência de redes de transporte baseadas na SDH
40 Hierarquia Digital Síncrona
Padronização Total
Acessibilidade aos Tributários
Grande Capacidade Alocada para Gerência de Rede Benefícios da SDH
Custo Total da Rede mais Baixo
AT&T
NORTHEN NEC
SANSUNG
MULTI FORNECEDORES
ALCATEL
SIEMENS MARCONI ERICSON ECI
A Hierarquia Digital Síncrona
Várias definições e conceitos sobre a SDH são encontradas em diversas literaturas técnicas. Abaixo, apresentamos mais uma definição para a SDH tentando enfocar aspectos relativos a transferência da informação, processo de multiplexagem e serviços.
“A SDH é uma rede síncrona de transporte de sinais digitais, formada por um conjunto hierárquico de estruturas de transporte padronizadas objetivando a transferência de informação sobre redes digitais e oferecendo aos operadores e usuários flexibilidade e economia.”
Flexibilidade e Economia foram as premissas fundamentais para o desenvolvimento da SDH levando-a a ser uma resposta para as necessidades de mercado.
Características da SDH
A seguir apresentaremos as principais características da SDH que mostram o grande avanço que esta tecnologia trouxe para as redes de transporte. Porém, antes de realizarmos uma comparação com a PDH, devemos fazê-la levando em consideração que os problemas que a PDH emfrentava à epoca de seu desenvovimento, bem como, a própria filosofia de projeto de redes que foi alterada privilegiando redes flexíveis e com uma gerência fortemente instalada.
Padronização Total
A padronização total, também, aparece como um dos grandes objetivos da SDH permitindo um ambiente multifornecedor. Para atingir este objetivo o ITU-T busca uma padronização completa da SDH que envolve taxas de bit, estrutura de quadro e de multiplexação, interfaces de tributários, interfaces de linha, mecanismos de proteção, funcionalidades dos equipamentos de transmissão e gerência da rede.
Outra característica importante, podendo ser considerada um aspecto de padronização, é que na SDH um menor número de equipamentos estarão disponíveis uma vez que em um único equipamento poderemos, por exemplo, ter funções de multiplexação, funções de deriva/inseri e cross conexão e funções de terminação de linha óptica.
Acessibilidade aos Tributários
A estrutura do quadro SDH possui características que facilitam o acesso, derivação e inserção, de tributários.
Para a formação do quadro SDH a multiplexação se dá através do entrelaçamento de bytes ( na PDH é feito a nível de bit) facilitando o uso da tecnologia de microprocessadores e a integração das diversas funções dos equipamentos em circuitos integrados dedicados. O entrelaçamento a nível de byte e a duração do quadro SDH, para qualquer nível hierárquico, fixa em 125 µs facilitam o acesso a canais de 64 Kbits/s.
A localização e acesso aos tributários se dá através do processamento de ponteiros, presentes em todos os quadros SDH, que indicam a posição de início de um tributário dentro do quadro. A facilidade de acesso aos tributários é semelhante em qualquer nível hierárquico podendo ser controlada inclusive através de gerência remota.
Grande Capacidade Alocada para Gerência de Rede
Na SDH cerca de 5% da capacidade de transporte do quadro é destinado para o transporte de bytes que irão auxiliar a gerência da rede. Com o modelamento em camadas, a rede SDH é segmentada em diversas camadas sendo que cada uma possui seus próprios bytes de overhead.
42 O ITU padroniza, também, as funcionalidade de gerência que os equipamentos SDH
devem oferecer, tais como:
Informações de gerência (alarmes, primitivas de desempenho e dados de configuração) que devem trafegar internamente aos equipamentos.
Testes de persistência que deve ser feito nos alarmes.
Análise de correlação que deve ser feita entre os alarmes.
Eventos de desmpenho que devem ser calculados a partir de primitivas de desempenho, tais como Segundos Errados e Segundos Severamente Errados.
Quantidade de registros de 15 minutos e de um dia que o equipamento deve dispor para histórico dos eventos de desempenho.
Benefícios da SDH
Com as característica apresentadas podemos citar alguns dos benefícios que a SDH introduzirá nas redes de transporte buscando, como já exaustivamente citado, uma rede flexível e econômica.
Custo total da rede mais baixo.
Devido à padronização total, equipamentos compatíveis de vários fabricantes estarão disponíveis, tornando o mercado mais competitivo e os preços mais atraentes. Para comunicações que envolvam diversos países a integração será total uma vez que o níveis hierárquicos são os mesmos em todo o mundo.
Hierarquia Digital Síncrona
Melhor Gerência de Rede Provisionamento mais rápido Melhor utilização da Rede Disponibilidade da rede
Atendimento a serviços futuros
Melhor gerência de rede
Uma gerência de rede melhor leva os operadores a usar a rede de forma mais eficiente e fornecer melhores serviços aos usuários. Poderão ser implementados conceitos de Telecommunications Management Network – TMN.
Provisionamento mais rápido
Como novos serviços poderão ser definidos através de software o provisionamento se dará de forma muito mais rápida. A única nova conexão necessária estará entre as dependências do cliente e o nó de acesso à rede mais próximo.
Melhor utilização da rede
Com total controle do roteamento, os circuitos dos usuários podem ser
44 Atendimento a serviços futuros
Serviços futuros de alta capacidade e sob demanda, ainda não padronizados, poderão ser facilmente transportados na rede SDH em função do total controle sob a alocação de recursos da rede, facilidade de acesso aos tributários e criação de novos processos de mapeamento.
2, 34, 140, 655 Mbps DS1/DS2/DS3 (EUA) ATM
Capacidade de Transporte da SDH
Capacidade de Transporte da SDH
A SDH foi projetada para que suportasse a transmissão de quase todo o conjunto de sinais existentes, os mais importantes, nas atuais redes de comunicação.
Entre muitos podemos citar alguns que já possuem o mapeamento definido.
2, 34, 140 , 655 Mbits/s DS1/DS2/DS3 (EUA) ATM
FDDI DQDB
46
)
sinal serial
N x M bytes N linhas
M colunas N x M bytes
1 2
Tabela 1 – Hierarquias da SDH
Módulo de Transporte Síncrono SDH
STM-64 9.953,280
64
STM-16 2.488,320
16
STM-4 622,080
4
STM-1 155,20
1
Designação Taxas (Mbits/s)
Nível SDH
O Módulo de Transporte Síncrono - STM
Um quadro qualquer dentro do fluxo de bits pode ser representado por um mapa- bidimensional. Este mapa possui N linhas e M colunas de caixas. Cada caixa representa um único byte dentro do sinal síncrono. Um byte de enquadramento aparece no topo esquerdo do mapa. Este byte atua como um marcador permitindo que qualquer byte no quadro seja facilmente localizado.
Os bits do quadro são transmitidos em uma seqüência partindo com a 1a linha da esquerda para a direita. Após a transmissão do último byte do quadro (byte localizado na linha N / coluna M), a seqüência inteira se repete partindo com o byte de enquadramento do quadro seguinte.
Na SDH é definida uma estrutura básica de transporte de informação denominada Módulo de Transporte Síncrono – 1 / STM-1 (“Synchronous Transport Module - 1”) com taxa de 155,520 Mbits/s.
Esta estrutura define o primeiro nível da hierarquia. As taxas de bit dos níveis superiores são múltiplos inteiros do STM-1.
Atualmente estão padronizados 3 módulos de transporte, a saber: STM-1, STM-4 e STM-16, conforme mostra a tabela abaixo. A especificação de níveis superiores a 16 ainda está em estudo.
Para o sinal STM-1 estão definidas interfaces para a transmissão através de fibras ópticas e sistema rádio. Para os sistemas STM-4, STM-16 e todos os níveis hierárquicos superiores estão definidas apenas interfaces para a transmissão através de fibras ópticas.
É definida também uma estrutura de quadro com capacidade de transmissão mais baixa que a do STM-1, com o objetivo de utilização somente para sistemas rádio e satélite. Essa estrutura possui taxa de 51,840 Mbits/s e é denominada STM-0, não sendo considerada um nível hierárquico da SDH ou definida para a NNI.
48
155,52 Mbits/s
2430 Bytes / Quadro
270 colunas
261 colunas 09 colunas
09 linhas
Payload
4 3 1
9 5
Pointers
Section Overhead SOH Section Overhead
SOH
Estrutura de Quadro do STM-1
Estrutura de Quadro do STM-1
A estrutura básica do quadro do STM-1, representada na acima, consiste de 9 linha de 270 bytes, lidos da esquerda para a direita e de cima para baixo. Esse quadro possui as seguintes características:
Comprimento total: 2430 bytes
Duração: 125 µs (freqüência de repetição: 8 kHz) Taxa de bit: 155,520 Mbit/s
Na SDH os quadros se repetem a uma taxa de 8.000 quadros/s. Logo, um byte dentro do quadro representa uma largura de faixa de 64 Kbits/s, que é a taxa de um canal de voz PCM.
A estrutura de quadro do STM-1, conforme mostrado na figura acima, possui três áreas principais que são:
SOH - O Section overhead está localizado nas linhas 1 a 3 e 5 a 9 das colunas 1 a 9.
Ponteiro - O ponteiro está localizado na linha 4 e colunas 1 a 9.
Payload - O payload, onde será efetivamente carregada a carga útil, ocupa as linhas 1 a 9 das colunas 10 a 270.
O Section Overhead ocupa as primeiras 9 primeiras colunas do quadro num total de 81 bytes. As 261 colunas restantes, num total de 2.349 bytes, são alocadas para o payload. Isto provê uma capacidade de 150,34 Mbits/s na estrutura do STM-1 para transporte de sinais tributários.
50
155.52 Mbits/s
J1
VC FRAME “N”
Quadro
Quadro ““NN”” Quadro Quadro ““N +1N +1””
J1 SECTION OVERHEAD
Quadro “N + 1”
SECTION OVERHEAD Quadro “N +1 ” PONTEIROS SECTION OVERHEAD
Quadro “N”
SECTION OVERHEAD Quadro “N”
PONTEIROS
J1J 1
Flutuação do Payload
Para facilitar a multiplexagem e roteamento eficiente dos sinais da rede síncrona, o payload relativo a um determinado quadro STM-1 pode flutuar dentro da área reservada ao payload dos quadro STM-1 .
Isto significa que a estrutura responsável pelo transporte do payload pode começar em qualquer lugar da área reservada ao payload do STM-1. Desta forma, é mais provável que ele inicie em um quadro e termine em outro do que ele estar contido integralmente dentro de um único quadro conforme apresentado na figura acima. O quadro possuirá um ponteiro que indicará a posição do primeiro byte do payload associado a ele. Nos próximos capítulos veremos que os ponteiros serão os responsáveis por tornar a SDH uma rede síncrona.
155,52 x N Mbits/s
2430 x N Bytes / Quadro
270 x N colunas
261 x N colunas 09 x N colunas
09 linhas
Payload
4 3 1
9 5
Pointers
Section Overhead SOH Section Overhead
SOH
Estrutura de Quadro do STM-N
Estrutura de Quadro do STM-N
A estrutura de quadro do STM-N é obtida através da multiplexação de “N” payloads de quadros STM-1 e da inserção dos ponteiros e do SOH referente ao sinal STM-N.
A estrutura do STM-N é a mesma do STM-1 multiplicada pelo fator “N”, desta forma teremos as seguintes características para o quadro.
Comprimento total: 2430 x N bytes.
Duração: 125 µs (freqüência de repetição: 8 kHz).
Taxa de bit: 155,520 x N Mbits/s.
A estrutura de quadro do STM-N, conforme mostrado na figura acima, possui três áreas principais que são:
52 O Section Overhead ocupa as primeiras 9 x N primeiras colunas do quadro num
total de 81 x N bytes. As 261 x N colunas restantes, num total de 2.349 x N bytes, são alocadas para o payload. Isto provê uma capacidade de transporte de até “N”
sinais de 150,34 ou de apenas um sinal de 601,36 Mbits/s (esta última possibilidade é possível apenas através do processo de concatenação que será apresentado posteriormente).
As mesmas considerações, feitas ao quadro STM-1, quanto à flutuação do payload e utilização dos ponteiros podem ser feitas ao quadro do STM-N, apenas considerando que agora teremos “N” ponteiros indicando o primeiro byte de um dos “N” payloads associado a ele.
