Redes de Telecomunicações

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1 Redes de Telecomunicações Diploma de Formação Avançada em Redes e Sistemas de Telecomunicações Docente: Prof. João Pires (jpires@lx.it.pt)

2 Objectivos e Tópicos Proporcionar uma visão actualizada da estrutura de uma rede de telecomunicações moderna e estudar alguma das tecnologias que lhe servem de base. Apresentar metodologias apropriadas para analisar o desempenho e planear diferentes tipos de redes. Os tópicos principais são: Redes de Transporte (SDH, WDM), Redes ATM, Redes de Acesso, Comutação (digital, óptica e ATM) e Planeamento de Redes. João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 2

3 Programa (I) 1. Introdução às redes de telecomunicações 2. Redes de Transporte SDH 2.1 Princípios da PDH e da SDH 2.2 Arquitectura e topologia das redes de transporte 2.3 Estrutura de multiplexagem da SDH 2.4 SDH da nova geração 2.5 Protecção e restauro 2.6 Sincronização de rede 2.7 Análise de desempenho em redes SDH 3. Redes ATM 3.1 Princípios do ATM 3.2 Modelo de camadas do ATM 3.3 Controlo de congestão João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 3

4 Programa (II) 4. Redes Ópticas 4.1 Princípios do WDM e da comutação óptica 4.2 Estrutura dos nós e topologias de rede 4.3 Protecção óptica 4.4 Redes IP/WDM 5. Rede de Acesso 5.1 Arquitectura da rede de acesso e tecnologias usadas 5.2 Interfaces V5.1 e V A rede de acesso de banda larga 5.4 Soluções PON (ATM PON, Ethernet PON) João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 4

5 Programa (III) 6. Comutação 6.1 Princípios da comutação: comutação de circuitos e de pacotes 6.2 Comutação digital de circuitos Critérios de dimensionamento das malhas de comutação Comutação digital e temporal Arquitectura das centrais de comutação SPC 6.3 Comutação ATM Princípios da comutação de pacotes rápida Arquitectura dos comutadores ATM 7. Aspectos do planeamento de redes 7.1 Etapas do planeamento 7.2 Metodologias de planeamento 7.3 Exemplos de planeamento de redes SDH João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 5

6 Aspectos Pedagógicos Bibliografia Acetatos da disciplina (disponíveis na página da disciplina) J. Pires, Sistemas e Redes de Telecomunicações I, IST, 2006 (cap. 1, 4, 5 e 6) H. G. Perros, Connection-Oriented Networks, Wiley, 2005 M. Sexton, A. Reid, Broadband Networking, Artech House, 1997 S. V. Kartalopoulos, Understanding SONET/SDH and ATM, IEEE, 1999 H. J. Chao, C. H. Lam, E. Oki, Broadband Packet Switching Technologies, John Wiley& Sons, 2001 Avaliação de conhecimentos Exame (70%) + Séries de Problemas (30%) João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 6

7 Capítulo 1 Introdução às redes de telecomunicações João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 7

8 Aspectos da Evolução das Telecomunicações Invenção do telefone (Alexander Graham Bell) Primeira central de comutação automática (Strowger) Invenção do PCM (Alec Reeves) Concepção da comutação por pacotes (Paul Baran) Primeiro satélite geo-estacionário (Intelsat1, 240 circuitos) Transmissão a 2 Mbit/s no Reino Unido (30 circuitos) Proposta de usar as fibras ópticas em telecomunicações (Kao) Primeira central de comutação digital (tecnologia TTL) ARPANET (1ª rede de pacotes) Início da normalização do GSM Proposta da SONET (Belcore) Primeiro cabo transatlântico digital em fibras ópticas (4 000 circuitos) 1990 Digitalização das redes a nível mundial usando como suporte a SDH 1995 Mais de 800 milhões de telefones em todo o mundo Cabo submarino óptico TAT12/13 ( circuitos) Sistemas de transmissão óptica com 160x10 Gbit/s( 10 7 circuitos) João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 8

9 Evolução de diferentes serviços (Mundial) A evolução do número de utilizadores dos diferentes serviços de telecomunicações a nível mundial mostra um crescimento pouco expressivo para a telefonia fixa e um crescimento muito acentuado para a telefonia móvel e para a Internet. Fonte: Maurizio Dècina, ECOC 2003 João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 9

10 Evolução do tráfego Internet total nos USA As análises de tráfego nos Estados Unidos mostram que o tráfego Internet passou a ser dominante a partir do ano 2000, com um crescimento que duplica todos os anos. Cresce 35% ao ano Fonte: Maurizio Dècina, ECOC 2003 João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 10

11 Evolução do Tráfego Total O tráfego telefónico de voz tem um crescimento entre 10 a 15% ao ano. Tráfego O tráfego de dados (Internet) tem um crescimento superior a 100% ao ano. Telefónico (voz) Actualmente o tráfego de dados é dominante nas redes dorsais. Dados (Internet) Actualmente o planeamento das infraestruturas de telecomunicações deve ser determinado pelo tráfego de dados João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 11

12 Evolução do tráfego dorsal por serviço (UK) João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 12

13 Evolução dos débitos no acesso de cobre Fonte: João Santos e Orlando Quadros, TFC, 2006 João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 13

14 Definição e Ramos As redes de telecomunicações compreendem o conjunto dos meios técnicos (de natureza electromagnética) necessários para transportar e encaminhar tão fielmente quanto possível a informação à distância. Ramos das telecomunicações Transmissão: Transporte fiável da informação à distância. Comutação: Encaminhamento da informação (pôr em contacto dois utilizadores quaisquer, de acordo com as suas ordens). Controlo e gestão: Responsável pela dinâmica (controlo) e pela fiabilidade (gestão) das redes. A função de controlo é implementada através da sinalização. João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 14

15 Critérios de qualidade Fidelidade As redes de telecomunicações devem garantir que a informação nas suas diversas formas (voz, música, vídeo, texto, etc.) é transmitida sem perdas e alterações. Fiabilidade As redes de telecomunicações públicas devem assegurar um serviço permanente e sem falhas (menos de duas horas de indisponibilidade em 40 anos). João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 15

16 Normalização em Telecomunicações O carácter internacional das telecomunicações implica normalização em aspectos tais como: aspectos técnicos (qualidade de serviço, interfaces, etc.); planificação geral da rede (estrutura da rede, números telefónicos internacionais,etc.); problemas de exploração e gestão (preços das chamadas internacionais, análise de tráfego, etc.). No plano das redes nacionais a normalização também é importante de modo a: garantir a compatibilidade dos sistemas de diferentes fabricantes; assegurar uma qualidade de serviço mínima a todos os utilizadores; respeitar as convenções internacionais. João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 16

17 Principais organismos de normalização International Telecommunication Union (ITU) Agência da ONU responsável por todos os sectores das telecomunicações. Os seus principais órgãos são: ITU Telecommunications Sector (ITU-T) Estudo de questões técnicas, métodos de operação e tarifas para as redes de transporte, redes telefónicas e de dados. ITU Radiocommunications Sector (ITU-R) Estudo de questões técnicas e operacionais relacionadas com rádio-comunicações, incluindo ligações ponto-a-ponto, serviços móveis e de radiodifusão e ligações via satélite. European Telecommunications Standardas Institute (ETSI) Criado em 1988 para desenvolver as normas necessárias para uma rede de telecomunicações pan-europeia. Teve um papel importante no desenvolvimento da norma GSM. João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 17

18 Tipos básicos de equipamento O equipamento básico pode-se dividir em vias de transmissão e elementos (dispositivos) de rede. Os elementos de rede incluem equipamento terminal, equipamento de transporte, equipamento de comutação, sistemas de sinalização e gestão e servidores. Vias de transmissão: suporte de transmissão (cabos de pares simétricos, cabo coaxial, fibra óptica, feixes hertzianos,etc.) + repetidores (amplificadores, regeneradores). Equipamento terminal: interface com a rede (telefone, computador, PPCA, etc.). Equipamento de transporte: multiplexadores terminais, ADMs e DXC. Equipamento de comutação: comutadores digitais nas redes telefónicas (comutação de circuitos), routers (comutação de pacotes) nas redes de dados. Sistemas de sinalização e gestão: responsáveis por processarem a informação de sinalização e gestão. Servidores: Dispositivos com capacidade para armazenar informação (servidores de WWW e cabeças de rede nas redes CATV,etc.). João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 18

19 Topologias Representação de uma rede por um grafo Fluxo de informação 1 2 v 1 v 2 e 1 e 5 e 6 e 2 Grafo da rede 5 3 v 5 e 4 e 7 v 4 e 3 v 3 4 A estratégia de interligação entre os nós define a topologia da rede, ou mais especificamente a topologia física. O modo como a informação flui define a topologia lógica. Topologia física Topologia lógica João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 19

20 Tipos de topologias O tipo de topologia condiciona a estratégia de desenvolvimento e o tipo de serviços que a rede pode oferecer. Topologias com meio não partilhado Anel Anel Malha A Topologias com meio partilhado B C Barramento (Bus) Árvore João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 20 E D

21 Planos de Rede Numa rede de telecomunicações podem-se individualizar três panos: Plano de utilizador, plano de controlo e plano de gestão. Plano de utilizador: responsável por transferir a informação do utilizador através da rede. Assegura o suporte físico. Plano de controlo: responsável pelo processo de sinalização associado ao estabelecimento, supervisão e terminação de ligações. Um exemplo de um plano de controlo é o sistema de sinalização nº 7. Plano de gestão: Funções a nível de detecção e correcção de falhas (gestão de falhas), configuração dos elementos de rede (gestão de configuração), monitorização de desempenho (gestão de desempenho), autorização de acesso (gestão de segurança). João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 21

22 Estratificação em camadas Uma rede de telecomunicações pode-se dividir em camada de rede de transporte e camada de rede de serviço. A camada de rede de serviços funciona como cliente da camada de rede de transporte. A camada de rede de transporte porpociona caminhos (capacidade de transporte) à camada de serviços. Uma ligação a 34 Mb/s por segundo é um exemplo de uma caminho eléctrico e um comprimento de onda suportando um canal a 10 Gb/s é um exemplo de um caminho óptico. As camadas de serviço são de diferentes tipos (rede telefónica, redes de dados, rede celulares, redes de cabo, circuitos alugados. Rede telefónica Rede de dados Rede celular Rede de cabo Circuitos alugados Rede de Transporte João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 22

23 Rede de Transporte A rede de transporte é uma plataforma tecnológica que assegura uma transferência transparente e fiável da informação à distância, permitindo suportar diferentes serviços. A rede de transporte garante diferentes funcionalidades, como sejam, transmissão, multiplexagem, encaminhamento, protecção, supervisão e aprovisionamento de capacidade. A rede de transporte é constituída por diferentes elementos de rede ligados entre si segundo uma certa topologia física (anel ou malha) e interagindo directamente com o plano de gestão. João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 23

24 Exemplificação do papel do transporte A rede de transporte neste exemplo é representada pelo plano inferior e é constituída por multiplexadores ADM interligados por fibras ópticas. A camada de rede de serviços é representada por centrais de comutação telefónica (CC). d Camada de rede de serviço CC CC c Tecnologias de rede para o transporte: SDH (Synchronous Digital Hierarchy), WDM, (Wavelength Division Multiplexing), OTN (Optical Transport Network) CC a CC ADM E A ADM ADM Camada de rede de Transporte B b ADM D ADM C João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 24

25 Hierarquização da rede Uma rede de telecomunicações de dimensão nacional é representada por uma estrutura hierárquica com três níveis: núcleo, metro e acesso. A estrutura hierárquica é comum à rede de transporte e de serviços. Na rede de núcleo e na rede metropolitana a topologia física é normalmente imposta pela camada de transporte. Núcleo 100s-1000s km Malha A rede de acesso usa uma grande variedade de tecnologias e topologias, e é responsável por uma fracção muito importante do investimento feito numa rede. Tecnologias de transmissão no acesso: pares de cobre, cabo coaxial, fibra óptica, soluções rádio (FWA). Metro km Anel Acesso <10 km Anel, estrela, etc Utilizadores João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 25

26 Rede Telefónica Pública Comutada A topologia em estrela é a solução mais simples A topologia mais simples para uma rede telefónica é a topologia em estrela, ligando uma central de comutação telefónica ao equipamento terminal do utilizador. CC Central de comutação tefefónia Quando a dimensão da rede aumenta, tornase mais económico dividir essa rede em subredes de pequenas dimensões, cada uma servida pela sua própria central de comutação telefónica. Para interligar todas as centrais entre si, a solução mais económica é usar uma central de nível superior: central tandem. Custo nº óptimo de centrais Telefone custo total custo da comutação custo da linha Número de centrais de comutação Estrutura hierárquica João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 26

27 Estrutura hierárquica Uma rede telefónica pública comutada apresenta uma estrutura hierárquica e uma topologia em árvore não pura, porque à medida que se sobe na hierarquia aumenta o número de ligações directas entre centrais do mesmo nível. Rede internacional Central internacional Rede de núcleo ou de troncas Rede de junção Rede de acesso ou local Central Tandem Centrosdetrânsito secundário Centrosdetrânsito primários Centrais locais Linha de assinante A linha de assinante é constituída por pares de cobre, por isso esta rede é muitas vezes designada por rede de cobre Transmissão a 2 fios João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 27

28 Rede Digital Integrada Uma rede digital integrada (RDI) é uma rede telefónica pública em que a comutação é digital e a transmissão no núcleo e nas junções também é feita usando transmissão digital. Central analógica Equipamento de rede. Conversão A/D Telefone analógico CT CL Transmissão digital Transmissão analógica CT RDI CT CL Acesso analógico CL CL CL CT Central de trânsito digital CL Central local digital CR CR Concentrador digital A qualidade do sinal na RDI devido à regeneração é independente do número de troços e centrais presentes na ligação. Passo seguinte: Proporcionar transmissão digital até ao utilizador (RDIS) João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 28

29 Rede Digital com Integração de Serviços A característica fundamental da RDIS é a digitalização do lacete de assinante. O RDIS oferece acesso básico e acesso primário. Acesso básico 2x64 Kbits canais B para comunicação 1x16 kbit/s canal D para sinalização Interface U a 2 fios a 160 kbit/s Acesso primário 30x64 Kbits canais B para comunicação 1x64 kbit/s canal D para sinalização Interface U a 4 fios a 2 Mbit/s Acesso primário PPCA NT1 Para manter compatibilidade com os telefones analógicos usa-se um adaptador TA Interface S TA Interface T NT1 Interface U Acesso básico Interface U Central de comutação Telefone analógico Telefone digital João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 29

30 Redes híbridas fibra-coaxial As redes de distribuição de televisão por cabo CATV ( CAble TV) (rede de cabo) usam uma infraestrura de fibra óptica, para servirem células de 200 a 1000 utilizadores, seguida de uma rede em cabo coaxial. Cabeça de Rede Amplificador de tronca com repartição Para o fornecimento de serviços interactivos, é necessário usar amplificadores bidireccionais e um protocolo da acesso múltiplo para evitar colisões entre os sinais de retorno enviados pelos diferentes utilizadores Fibra Óptica Nó de acesso óptico Repartidor coaxial Cabo coaxial Amplificador de linha Utilizador Utilizador A rede coaxial apresenta uma topologia em árvore O servidor situado na cabeça da rede distribui para os utilizadores os diferentes sinais de televisão usando multiplexagem por divisão na frequência (FDM). João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 30

31 Rede de transporte da rede híbrida A ligação entre a cabeça da rede e o nó de acesso óptico é realizado pela componente de transporte. Na rede de transporte representada a rede de transporte tem dois níveis. Cabeça Cabeça de de Rede Rede No rede de transporte primária a informação é digitalizada (PCM). No nó de acesso a informação é convertida para o domínio analógico (RF) e em seguida para o domínio óptico. Rede de Transporte Primária Nó Nóde de Acesso Acesso Par de fibras ópticas Nó Nóde de Acesso Acesso No nó de acesso acesso o sinal óptico é convertido para um sinal de radiofrequência (RF) e injectado na rede coaxial Rede de Transporte Secundária Fibra óptica Nó de acesso óptico Rede Coaxial A rede de transporte primária usa a informação digitalizada. João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 31

32 Espectro de radio-frequência O canais de televisão (serviço distributivo) fazem uso da banda directa situada entre 111 e 750 MHz. A parte entre os 550 e 750 MHz é usada para televisão digital e ligação interactiva descendente. O via de retorno é usada para as ligações interactivas ascendentes. Via de Retorno Canais FM Canais de TV analógicos Canais digitais Upgrade futuro f (MHz) Note que os sinais transmitidos são sinais de radiofrequência FDM, logo analógicos. Desmodulador (Televisor) Fibra Óptica Receptor Óptico f 1 f N Sinal de radiofrequência Oscilador local sintonizável f f N Filtro Passa Baixo f João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 32

33 Redes do Século XXI As palavras chave vão ser banda larga e convergência. A banda larga irá exigir a aproximação da fibra óptica ao utilizador. A convergência irá reduzir o número de tecnologias de rede usadas tanto na camada de serviço, como na camada de transporte. Utilizador Cobre Cobre ONU Fibra Fibra Plataforma de acesso multiserviço Camada de rede de serviço IP/MPLS OTN Camada de rede de Transporte Rede BT 21 st Century Network João Pires Redes de Telecomunicações (06/07) 33