UNIVERSIDADE DO VALE DO RIO DOS SINOS - UNISINOS UNIDADE ACADÊMICA DE GRADUAÇÃO CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO ADRIANE WAHAST SALVADOR

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1 UNIVERSIDADE DO VALE DO RIO DOS SINOS - UNISINOS UNIDADE ACADÊMICA DE GRADUAÇÃO CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO ADRIANE WAHAST SALVADOR AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DE TRANSMISSÃO DE MULTIMÍDIA SOBRE G.SHDSL.BIS EM COMPARAÇÃO A OUTRAS TECNOLOGIAS São Leopoldo

2 1 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ADSL ADSL Melhorias nas Taxas e Alcances Diagnósticos Melhorias de Potência Taxas Adaptativas ADSL CABLE MODEM Resumo do Capítulo ETHERNET NA PRIMEIRA MILHA (EFM) IEEE 802.3ah EFM cobre (EFMC) Tipos de EFMC PASS-TS BASE-TL Vantagens Melhorias EFMC em relação ao DSL Redução do Overhead Arquitetura do EFMC Problemas e Soluções do Loop de Cobre G.SHDSL G.SHDSL.BIS Resumo do Capítulo MÉTRICAS DE COMPARAÇÃO Métricas CONCLUSÃO REFERÊNCIAS... 33

3 2 RESUMO As operadoras de telecomunicações, de modo geral, buscam continuamente diversificar as opções de serviços oferecidos aos seus clientes, bem como melhorar a qualidade destes serviços a custo razoável. Para atingir estes objetivos, estas empresas investem em pesquisa buscando encontrar novas tecnologias que atendam aos requisitos dos clientes e que, ao mesmo tempo, agreguem valor aos serviços oferecidos. Cada vez mais os clientes exigem serviços melhores e com taxas mais altas, com isso o meio de fornecer esses serviços pode-se tornar o maior obstáculo no fornecimento desses serviços. O tema central desse projeto é analisar os benefícios da tecnologia EFM (Ethernet in the First Mile) sobre cobre juntamente com os benefícios da tecnologia G.SHDSL.bis e compreender o modo pelo qual estas tecnologias estão contribuindo para solucionar os gargalos na transmissão de dados. Uma grande vantagem que foi identificada inicialmente é que esta tecnologia faz uso de uma infraestrutura que já está pronta e que está sendo pouco utilizada. Palavras-Chave: EFM. G.SHDSL.bis. Multimídia.

4 3 ABSTRACT Telecommunications operators generally seek continually diversify the service options offered to its customers as well as improve the quality of services at a reasonable cost. To achieve these goals, these companies invest in research seeking to find new technology to meet customers' requirements and at the same time, add value to the services offered. Increasingly customers are demanding better service and higher rates, thus the means of providing those services can become a major obstacle in providing these services. The central theme of this project is to analyze the benefits of technology EFM (Ethernet in the First Mile) over copper along with the benefits of technology G.SHDSL.bis and understand the way in which these technologies are contributing to solve the bottlenecks in data transmission. One big advantage that was initially identified is that this technology makes use of an infrastructure that is ready and being underused. Keywords: EFM. G.SHDSL.bis. Trip. Multimedia.

5 4 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - ADSL2+ duplica a largura de banda de downstream Figura 2 - ADSL2+ duplica a taxa máxima de dados de downstream...15 Figura 3 - ADSL2+ pode ser usado para reduzir o crosstalk Figura 4 - Aplicações da Interface 802.3ah EFM Figura 5 - Opções de curto e longo do EFMC Figura 6 - Atual pilha de protocolo de entrega IP/Ethernet x Novos padrão IEEE802.3ah Figura 7 - Arquitetura EFMC Figura 8 - Enquadramento e Fragmentação do EFMC Figura 9 - Definições de plano de banda Figura 10 - Crosstalk NEXT e FEXT... 27

6 5 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Comparativo de alcance do modem ATM x EFM

7 6 LISTA DE SIGLAS ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line ANSI American National Standards Institute ATM Asynchronous Transfer Mode CATV Cable Television CM Cable Modem CMTS Sistema de Terminação de Cable Modem CPE Customer Premises Equipment DOCSIS Data-Over Cable Service Interface Specification DSL Digital Subscriber Line DSLAM Digital Subscriber Line Access Multiplexer EFM Ethernet in the First Mile EFMC Ethernet in the First Mile over Copper EFMF Ethernet in the First Mile over Point-to-Point Fiber EFMP Ethernet in the First Mile over Passive Optical Network FDM Multiplexação por Divisão de Frequência G.SHDSL.bis Single-pair high-speed digital subscriber line- Extension HFC Hybrid Fiber Coax ou Redes Híbridas de Fibra Coaxial HF Header Fragment IEEE Institute of Electrical e Electronics Engineers, Inc. IPTV TV sobre IP ISDN Integrated Services Digital Network ITU-T International Telecommunication Union Telecommunication Standardization sector LAN Local Area Network ou Rede de Área Local MEF Metro Ethernet Forum PMA Physical Medium Attachment PON Passive Optical Network POTS Plain Old Telephone Service PPP Point-to-Point Protocol PPPoA Point-to-Point Protocol over AAL5 ou over ATM PPPoE Point-to-Point Protocol over Ethernet

8 7 PSTN QAM QoS SNR SRA TCPAM TDMA VDSL VoD VOIP WAN Public Switched Telephone Network Quadrature Amplitude Modulation Quality of Service Relação Sinal-Ruído Seamless Rate Adaptation Trellis Coded Pulse Amplitude Modulation Time Division Multiple Access Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line Video on Demand Voice over Internet Protocol Wide Area Network ou Rede de longa distância

9 8 1 INTRODUÇÃO Hoje no mercado as operadoras de telefonia possuem uma extensa planta instalada de pares metálicos bastante (MEF, 2005a). Porém como a demanda por serviços de Ethernet continua a crescer, o meio físico continua sendo um obstáculo para entregar um serviço de qualidade aos usuários finais. Até recentemente, a fibra era a única forma de proporcionar um serviço de alta velocidade ao assinante (MEF, 2005b). Neste sentido a tecnologia G.SHDSL (Single-pair high-speed digital subscriber line- Extension) EFM (Ethernet in the First Mile) (IEEE, 2004) surge como opção, pois permite um melhor aproveitamento da rede instalada. Dois grupos trabalharam em conjunto para criar e promover um padrão global para garantir total interoperabilidade: o Institute of Electrical e Electronics Engineers, Inc. (IEEE) 802.3ah Task Force e o Metro Ethernet Forum (MEF). Enquanto o IEEE trabalhou no desenvolvimento do padrão EFM, o Metro Ethernet Fórum trabalhou na conscientização de mercado, dirigindo um consenso e preparando demonstrações de interoperabilidade (MEF, 2005a). O padrão EFM nivela a rede de acesso e fornece um meio unificador em toda a LAN e WAN. A Ethernet é o único protocolo de transmissão ponto a ponto. As operadoras de rede reduzem o custo de equipamento e despesas operacionais e com menos traduções de protocolo consomem menos largura de banda (MEF, 2005a). O padrão EFM não melhora ou substitui a Ethernet existente, mas consiste em um conjunto de especificações adicionais que permite aos usuários o uso do protocolo Ethernet através de meios antes não suportados, como pares metálicos, sem a necessidade de protocolos adicionais, pois a Ethernet chega de forma direta ao site do cliente. Estas características tornam o EFM adequado para uso em redes de acesso de assinante, ou seja, as redes que ligam os assinantes ao seu fornecedor de serviços. O baixo custo e alta largura de banda tornam o EFM adequado para serviços adicionais como o Triple Play que fornece em um único meio de comunicação serviços de dados, voz e multimídia. Antes da convergência, tais serviços eram fornecidos em redes separadas, pois se tinha uma rede de internet, uma rede de TV a cabo e uma rede de serviços PSTN(CHANGBIN, L.; LEI, S.; BIN, L., 2007). Serviços multimídia estão se tornando cada vez mais popular e vem cada vez mais sendo procurado tanto por usuários empresariais, quanto usuários residências. Alguns desses serviços como VoIP - voz sobre IP, IPTV - TV sobre IP e VoD - Vídeo on Demand possibilitam a interação dos usuários, exigido assim

10 9 maiores taxas não só de recepção mas também de transmissão, sendo assim, para garantir uma qualidade de serviço - QoS, alguns parâmetros como perda de pacotes, jitter e atraso são fatores importantíssimos para obter sucesso no fornecimento desse tipo de serviços (CHANGBIN, L.; LEI, S.; BIN, L., 2007). Com isso a tecnologia se torna uma ótima alternativa para várias áreas. Nas instituições de ensinos, por exemplo, alunos podem fazer upload de conteúdos para pesquisas escolares, como professores podem estar realizando uma capacitação online e ao mesmo tempo pode-se estar transmitido aulas ministradas a distância. Esse tipo de uso já vem sendo usado pelo Governo Federal, através do Programa Banda Larga nas Escolas lançado em 2008, que tem como objetivo conectar todas as escolas públicas urbanas à Internet, por meio de tecnologias que propiciem qualidade, velocidade e serviços para incrementar a educação no país (MEC, 2012). Na área da saúde pode-se pensar em consultas online, pois algumas cidades por questões de distância ou de difícil acesso não disponibilizam de especialista em determinadas áreas, podendo assim fazer um pré-diagnóstico do problema do paciente. As empresas, por sua vez, visam cada vez mais reduções de custos e dispendimento de tempo. Com o uso desta tecnologia uma empresa poderá realizar uma reunião com os associados de suas filiais que podem estar em cidades, estados ou até mesmo países diferentes, sem a necessidade de deslocamento de todos os participantes, reduzindo assim os custos de deslocamentos, estadias e perda de tempo com pontes aéreas.? Tudo isso é previsto pela tecnologia G.SHDSL.BIS EFM, que garante taxa de transmissão simétricas para download e upload. Sendo assim o objetivo central do trabalho é realizar uma avaliação do desempenho na transmissão de dados multimídia sobre G.SHDSL.bis EFM, descrevendo o funcionamento desta tecnologia e visando identificar as suas vantagens e desvantagens em relação a outras tecnologias utilizadas atualmente. Alguns dos objetivos específicos a ser realizado nesse trabalho são: comparar tecnicamente a tecnologia G.SHDSL.bis EFM com as tecnologias que são utilizadas atualmente pelas operadoras de telecomunicações, como ADSL2+, G.SHDSL e Cable Modem; definir métricas de comparação tais como vazão máxima, jitter, custo, entre outros; comparar o comportamento e o desempenho na transmissão de dados multimídia da tecnologia G.SHDSL.bis EFM com as demais tecnologias; verificar as vantagens do uso da tecnologia EFM Cobre (EFMC).

11 10 O estudo realizado nesse trabalho, poderá servir como apoio técnico às empresas que desejarem conhecer os detalhes de funcionamento da tecnologia G.SHDSL.bis EFM, sejam elas operadoras, fabricantes de equipamentos ou potenciais usuários desta tecnologia. Ele mostrará as limitações, vantagens e desvantagem da utilização dessa tecnologia e ajudará a entender melhor a adequabilidade dessa nova tecnologia de transmissão a aplicações multimídia. A monografia está estruturada como segue: Capítulo 2: Fundamentação teórica com um estudo sobre as tecnologias ADSL, ADSL2, ADSL2+ e Cable Modem; Capítulo 3: Estudos das tecnologias EFM, G.SHDSL e G.SHDSL.bis, e suas principais características; Capítulo 4: Comparação e definição de métricas para o uso de multimídia; Capítulo 5: Conclusão final do projeto.

12 11 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Para o devido entendimento do trabalho será apresentado no próximo capítulo as tecnologias relacionadas na pesquisa. 2.1 ADSL O ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) foi padronizado pelas normas ANSI T , ITU-T G (G.dmt) e ITU-TG (G.lite). O ADSL é um dos meios de fornecimento de banda larga de internet mais conhecida e utilizada pelas operadoras, e pode ser utilizado no mesmo par de cobre usado para telefonia. No ADSL os dados são transmitidas de forma assimétrica, suas taxas de transmissão chega a 8 Mbits/s e 768 Kbits/s de recepção (CHLAMTAC, I.; GUMASTE, A.; SZABÓ, C., 2005). O ADSL utiliza a multiplexação por divisão de frequência (FDM), para poder trafegar voz e dados no mesmo meio e ainda aumentar a taxa de dados foi utilizado frequências mais altas, para isso a faixa de frequências de transmissão nos pares de cobre foi dividida em três canais, serviço telefônico convencional de voz (0-4 khz), tráfego upstream e tráfego downstream (BROADBAND, 2003). A frequência útil vai de 0 Hz até 1,1 MHz, sendo divididas uniformemente em bandas de 4,3125 khz, usando 256 subcanais para lidar com interferências e adaptação da taxa. (CHLAMTAC, I.; GUMASTE, A.; SZABÓ, C., 2005). Os elementos-chave de uma rede ADSL são: o DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) que fica no lado da operadora e o modem CPE (Customer Premises Equipment) que fica no lado do assinante. As informações e os dados são enviados do DSLAM para o modem CPE através de um superquadro ADSL, o superquadro é um grande envelope para empacotar 68 quadros ADSL e um quadro de sincronização por vez, tudo em um período de 17 milissegundos. Para continuar a transmitir dados confiáveis, os quadros podem ser enviados de duas maneiras, quadros de dados rápidos e quadros de dados intercalados (CHLAMTAC, I.; GUMASTE, A.; SZABÓ, C., 2005). Dados intercalados tramam os bits a serem transmitidos para o superquadro, para garantir que um grande conjunto de bits de um quadro não sejam perdidos e corrompidos. O método dados rápidos os dados não são entrelaçados, o que reduz as interferências de ruídos no quadro, porém aumentam a latência na transmissão dos dados, já a transmissão rápida de dados possui baixa

13 12 latência, mas grande chances de perda de dados devido a interferência (CHLAMTAC, I.; GUMASTE, A.; SZABÓ, C., 2005). No lado do assinante é usado um Spliter, para separar a voz dos dados, que é ligado entre a linha e o aparelho telefônico, sua função é filtrar a frequências abaixo de 4 khz e enviar para o telefone (CHLAMTAC, I.; GUMASTE, A.; SZABÓ, C., 2005). 2.2 ADSL2 Em julho de 2002 o ITU adicionou dois novos padrões a família ADSL o G e G conhecidos por ADSL2. O ADSL2 adiciona novos recursos e funcionalidades melhorando o desempenho e a interoperabilidade, e adiciona suporte para novas aplicações, serviços e cenários de implantação. Algumas das mudanças no ADSL2 sobre o ADSL são: as melhorias nas taxa de dados e o alcance do enlace, taxa adaptativas, diagnóstico e modo stand-by (BROADBAND, 2003) Melhorias nas Taxas e Alcances O ADSL2 foi desenvolvido para melhorar a taxa do ADSL e também melhorar o alcance em algumas linhas sujeitas a interferência de sinais de linhas analógicas. Dependendo do comprimento da linha e de outros fatores o ADSL2 pode atingir taxas de downstream em cerca de 12 Mbps e 1 Mbps de upstream. O ADSL2 consegue isso melhorando a eficiência de modulação, reduzindo a sobrecarga de enquadramento, atingindo maior ganho de codificação, melhorando a máquina de estado de inicialização e fornecendo algoritmos de processamento de sinal avançados (BROADBAND, 2003). ADSL2 fornece uma melhor eficiência de modulação, devido a modulação de quatro dimensões, com codificação trellis de 16 estados e 1 bit de amplitude de quadratura de modulação (QAM) o que torna a modulação mais robusta, como a relação sinal ruído (SNR) é baixa as taxas de dados em linhas mais distantes são maiores. Além disso, o receptor determina um tom reordenado, o qual permite que o receptor espalhe o ruído não estacionário, devido à interferência de rádio AM e obter melhor ganho de codificação no decodificador Viterbi (BROADBAND, 2003). O ADSL2 reduz o overhead dos quadros, através do uso de um quadro com número programável de bits de overhead. No padrão ADSL2 o número de bits de overhead por quadro pode ser programado de 4 a 32 kbps, ao contrário dos padrões do ADSL inicial, onde

14 13 número de bits por quadro é fixo e consome 32 kbps do total de dados transmitidos (BROADBAND, 2003) Diagnósticos O maior obstáculo na implantação dos serviços ADSL é determinar as causas dos problemas desses serviços. Para resolver esses problemas os modens ADSL2 foram aprimorados com amplos recursos de diagnóstico, que fornecem ferramentas para a resolução de problemas durante e após a instalação. A fim de diagnosticar e corrigir os problemas na linha, os modens ADSL2 fornecem medições de ruído na linha, atenuação da linha e a relação sinal-ruído (SNR) em ambas as extremidades da linha (BROADBAND, 2003). Estas medidas podem ser coletadas através de um modo teste de diagnóstico, mesmo quando a qualidade da linha é muito ruim para completar a conexão ADSL. Além disso, o ADSL2 inclui recursos em tempo real de monitoramento de desempenho que fornecem informações sobre a qualidade da linha e as condições de ruído em ambas as extremidades da linha. Esta informação é interpretada pelo software e então utilizada pela operadora para monitorar a qualidade da conexão ADSL e prevenir falhas futuras do serviço, e também pode ser usada para determinar se podem ser oferecidos maiores taxas de dados a um cliente (BROADBAND, 2003) Melhorias de Potência Os modens da primeira geração ADSL operam em modo de potência total dia e noite, mesmo quando não estão em uso. Para reduzir esse consumo o padrão ADSL2 traz dois modos de gerenciamento de energia que ajudam a reduzir o consumo geral de energia mesmo mantendo as funcionalidades do ADSL em condições de uso para o usuário, o modo de baixo consumo de energia L2 e L3, o modo L2 permite economia estática de potência nos modens ADSL que ficam na operadora, baseados no tráfego da conexão ADSL, eles ficam entrando e saindo rapidamente do modo de baixo consumo de energia, já o modo L3 permite economia de energia global tanto no lado da operadora quanto nos modens remotos que ficam no cliente, entrando em modo de hibernação quando a conexão não está sendo usado por longos períodos de tempo. O modo L2 é uma das novidades mais importantes do padrão ADSL2 (BROADBAND, 2003).

15 Taxas Adaptativas As linhas telefônicas podem ser agrupadas em cabos multipares contendo 25 ou mais pares de fios, com isso, os sinais elétricos de um par podem interferir eletromagneticamente sobre outros pares do cabo, podendo afetar nas taxa de dados do ADSL ou até mesmo deixa o serviço inativo. Outras razões que podem deixar o serviço inativo são: interferência de rádio AM, mudanças de temperatura e existência de água no cabo. O ADSL2 trata desses problemas adaptando as taxas de dados em tempo real, que é chamada de Seamless Rate Adaptation (SRA), que permite que o sistema ADSL2 altere a taxa de dados da conecção durante o funcionamento sem qualquer interrupção do serviço (BROADBAND, 2003). 2.3 ADSL2+ Em 2003 foi padronizada versão Extended bandwidth do ADSL2 através da recomendação ITU G.992.5, que ficou conhecida como ADSL2+. O ADS2+ duplica a largura da banda fornecida pelo ADSL2, chegando até 20 Mbit/s em linhas telefônicas com distâncias de até 1,5 km (CHLAMTAC, I.; GUMASTE, A.; SZABÓ, C., 2005). O ADSL2+ permiti que as operadoras evoluam suas redes para suportar serviços avançados como vídeo, com uma solução única tanto para curtas ou longas distâncias. O ADSL2+ inclui todas as características e benefícios do ADSL2 e podendo operar com os equipamentos já instalados, permitindo uma transição gradual para os serviços ADSL2+ (BROADBAND, 2003). Enquanto o ADSL define faixa de frequências de downstream de até 552 khz e o ADSL2 1,1 MHz, o ADSL2+ especifica uma frequência de downstream de até 2,2 MHz (Figura 1). Conforme a figura 2 o resultado é um aumento significativo nas taxas de dados de downstream em linhas de telefone mais curtas e dependendo das condições da linha as taxa de dados de upstream podem ser em torno de 1 Mbps (BROADBAND, 2003).

16 15 Figura 1 - ADSL2+ duplica a largura de banda de downstream. Fonte: BROADBAND (2003) Figura 2 - ADSL2+ duplica a taxa máxima de dados de downstream. Fonte: BROADBAND (2003) Um outro problema é o crosstalk que um serviço pode causar em outro usando o mesmo cabo. Conforme a figura 3 o ADSL2+ pode corrigir esse problema usando frequências abaixo de 1,1 MHz para o ADSL2 e frequências entre 1,1 MHz e 2,2 MHz para o ADSL2+. Isso vai eliminar a maior parte do crosstalk entre os serviços e preservar as taxas de dados no ADSL2 (BROADBAND, 2003).

17 16 Figura 3 - ADSL2+ pode ser usado para reduzir o crosstalk. Fonte: BROADBAND (2003) 2.4 CABLE MODEM O cable modem é uma tecnologia utilizada pelas operadoras de TV a cabo. Ele permite a transmissão de dados em alta velocidade, isso porque não utiliza a rede de telefonia e sim cabo coaxial ou fibra ótica, dependendo da rede e da carga de tráfego, cada assinante pode ter em torno de 500 kbps a 1,5 Mbps de velocidade de acesso (STALLINGS, 2007). O cable modem dedica dois canais para transferência de dados, cada canal é compartilhado por um número de assinantes, sendo assim é necessário um processo para definir a capacidade de cada canal de transmissão, que normalmente é utilizado a multiplexação STDM (STALLINGS, 2007). No sentido de downstream, ou seja da operadora para o assinante, um escalonador fornece dados em pequenos pacotes. Uma vez que o canal é compartilhado por mais de um assinante e mais de um pode estar ativo, cada assinante recebe apenas uma fração da capacidade de downstream em determinados intervalos de tempo (STALLINGS, 2007). Quando um assinante tem dados para transmitir, ele deve primeiro solicitar intervalos de tempo do canal upstream compartilhado, após a solicitação o escalonador no lado da operadora envia um pacote com um intervalo de tempo dedicado para esse pedido, sendo assim, certo número de assinantes podem compartilhar o mesmo canal de upstream, sem conflito (STALLINGS, 2007). Em 1997 a CableLabs (Cable Television Laboratories, Inc.) publicou uma norma que define um mecanismo de transmissão para fornecer conectividade de rede de dados através de um sistema de cabo HFC (redes híbridas de fibra coaxial), essa norma estabelece referencias

18 17 técnicas comum para todos fornecedores de desenvolvimento de dispositivos para acesso à internet através de CATV, o Data-Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS), que é uma de muitas tecnologias de última milha, destinadas a proporcionar acesso à internet e serviços multimídia para usuários residenciais (CHLAMTAC, I.; GUMASTE, A.; SZABÓ, C., 2005). DOCSIS transporta dados ao longo de um canal de 6 MHz de RF (radiofrequencia) pela rede HFC que interliga os cable modems (CMs) que ficam nos clientes ao sistema de terminação de cable modem (CMTS) que ficam nas operadora. A transmissão de dados downstream, é uma transmissão ponto-a-multiponto, enquanto que a transmissão de upstream, é controlada pelo CMTS e é multiponto a ponto TDMA (Time Division Multiple Access), normalmente há CMs ligado a um CMTS, com distâncias de até 80 km entre eles com frequências de até 860 MHz. O DOCSIS define uma rede assimétrica, pois as taxas de downstream chegam até 30 Mbp que são significativamente maiores do que as taxas de upstream que são em torno de 10,24 Mbps (CHLAMTAC, I.; GUMASTE, A.; SZABÓ, C., 2005). Após a especificação DOCSIS 1.0, CableLabs lançou mais duas especificações, conhecidas como DOCSIS 1.1 e DOCSIS 2.0. O DOCSIS 1.1 foi lançado em 1999, com maior segurança e qualidade de serviço (QoS) para suportar aplicações em tempo real, como telefonia e videoconferência. Já o DOCSIS 2.0, foi lançado em 2001, que proporcionou uma atualização significativa na capacidade de upstream, necessário devido ao aumento do número de usuários na rede a cabo, e permitiu novas aplicações, tais como jogos online (CHLAMTAC, I.; GUMASTE, A.; SZABÓ, C., 2005). O cable modem possui um sistema de distribuição de cabo que inclui uma combinação de cabo coaxial com cabo de fibra óptica, que são chamados de redes híbridas de fibra coaxial (HFC). A distância vai variar dependendo da intensidade do sinal e do meio de transmissão. Os cabos coaxiais de alta qualidade mantém a integridade do sinal a uma distância maior do que em cabos de baixa qualidade, alem disso amplificadores podem amplificar o sinal nas bordas da rede para ampliar o alcance do cabo, mas com uma pequena redução na qualidade do sinal. Cabo de fibra óptica proporciona perda de sinal inferior ao cabo de cobre, permitindo a distribuição do sistema ainda mais longe sem amplificadores (CHLAMTAC, I.; GUMASTE, A.; SZABÓ, C., 2005).

19 Resumo do Capítulo A tecnologia cable modem é voltada para assinante residenciais, já a familia ADSL pode ser usado tanto em residências como em empresas. Tanto no cable modem como o ADSL, ADSL2 ou ADSL2+ a velociade de download é bem superior que a velocidade de upload, logo ambas tecnologias são assimétricas. O cable modem utiliza a rede HFC que são melhores e proporcionam perda de sinal bem inferior que o cabo de cobre, permitindo assim atingir distâncias e velocidades maiores em relação a familia ADSL, em contra partida o custo de implantação de um sistema ADSL é mais barato que o cable modem, pois a rede ADSL possui uma capilaridade maior que o cable modem.

20 19 3 ETHERNET NA PRIMEIRA MILHA (EFM) A ligação entre o usuário final e a rede pública é vital para a entrega de aplicativos de banda larga a assinantes comerciais e residenciais. Até pouco tempo, as tecnologias existentes de acesso de primeira milha vinham causando um gargalo na largura de banda. Para atender essa necessidade o IEEE em 2004 ratificou a norma EFM 802.3ah. O EFM foi desenvolvido para contribuir na solução destes problemas e veio para mudar tudo isso, usando a infraestrutura física existente, sejam linhas telefônicas ou links de fibra ótica. Com a tecnologia de acesso, a Ethernet tem três vantagens sobre as tecnologias de primeira milha já existentes (MEF, 2005a): Um padrão simples e globalmente aceito que garante a interoperabilidade; Uma prova de conceito para futuras aplicações com uso de dados, vídeo e voz; A infraestrutura é mais eficaz para os serviços de dados. O padrão EFM também define funções OAM (operação, administração e manutenção) que simplificam o monitoramento da rede Ethernet, assim as operadoras podem monitorar, gerenciar e solucionar problemas da rede de acesso. Os mesmos protocolos de gerenciamento funcionam em todas as topologias EFM (MEF, 2005c). A primeira milha pode ser dentro de um bairro, um parque empresarial, um campus ou um único edifício. O padrão EFM oferece suporte à todas essas situações, fornecendo uma abordagem única para transmitir tráfego Ethernet através de três topologias diferentes (MEF, 2005a): Redes de cabeamento de cobre ponto a ponto: o cabeamento de cobre e par trançado também conhecido como linha telefônica, domina a primeira milha, sendo assim o EFMC se torna ideal para explorar essa infraestrutura existente (MEF, 2005a). O padrão EFMC pode chegar a velocidade de 10 Mbps em curtas distâncias ou 2 Mbps para distâncias mais longas, se tornando uma solução de acesso atraente para usuários e operadoras, pois utiliza meios que já existem hoje em grande parte das localidades e são compatíveis espectralmente com outros serviços como o E1/T1, serviços DSL, para que eles possam coexistir em um mesmo fio (MEF, 2005a). Redes de fibra óptica ponto a ponto: O padrao EFMF utilizando fibra monomodo full-duplex chega a 1 Gbps. O transporte para a rede de acesso é feita através de

21 20 uma conexão ponto-a-ponto entre a operadora e o prédio do assinante. Ele também suporta as opções de fibra monomodo e multímodo para acesso ponto-a-ponto a 100 Mbps (MEF, 2005a). Redes de fibra óptica ponto-a-multiponto: Rede Óptica Passiva(PON) é uma única fibra, que usando divisores ópticos permite o compartilhamento desta única fibra em diversas fibras individuais e assim alimentando diversos assinantes, necessitando de muito menos fibra do que em topologias ponto a ponto. Usando essas técnicas, o EFM PON (EFMP) cria uma topologia de fibra ponto-a-multiponto fornecendo velocidade de 1 Gbps com distâncias de até 20 km. A figura 4 mostra as taxas e alcances das topologias tecnologia EFM. Figura 4 - Aplicações da Interface 802.3ah EFM. Fonte: MEF (2005d) As operadoras de rede têm a liberdade de escolher e misturar as três topologias EFM baseado nos seus modelos de negócios, arquiteturas de rede e necessidades do assinante. Eles podem criar ou atualizar suas redes de acesso com várias topologias EFM e gerenciá-las com uma única ferramenta de gerência (MEF, 2005a).

22 IEEE 802.3ah EFM cobre (EFMC) A procura por serviços de Ethernet cresce a cada dia e a solicitação por serviços que exigem maiores taxas de velocidades também. Porém a conexão entre as operadoras e os clientes continua sendo um obstáculo significativo para entregar estes serviços aos clientes. Até recentemente, a fibra era a única forma de proporcionar serviços Ethernet de alta velocidade. No entanto, a cobertura limitada da rede de fibra necessitaria de uma solução alternativa para complementá-la para poder oferecer serviços de Ethernet de uma maneira bem distribuída. O par trançado de cobre é a infraestrutura que predomina hoje e que abrange a maior área entre os clientes e a operadoras, portanto fornecer Ethernet sobre estes fios de cobre é uma maneira ideal de explorar a infraestrutura existente dentro de bairros residenciais ou centros empresariais (MEF, 2005b). Para atender esse demanda o IEEE padronizou o EFMC, o processo de normalização é 802.3ah EFM sobre cobre ou EFMC. Utilizando a estrutura existente de par metálico o padrão estabeleceu taxas de pelo menos 10 Mbps, para uma opção de curto alcance de até 750 metros e uma opção de longo alcance de 2 Mbps para uma distância de 2700 metros, podendo chegar a taxas mais elevadas (MEF, 2005b). O EFMC usa mecanismos adicionais para a ligação de múltiplos pares de cobre que permitem um rendimento ainda mais elevado, podendo agregar até 32 pares e chegar a mais de 100 Mbps (MEF, 2009). Porém pelas pesquisas realizadas a maioria dos CPEs (Customer Premises Equipment) existentes no mercado suporta a ligação de no máximo 4 pares e poucos modelos suportam 8 ou 16 pares. Como mostra o quadro 1, podemos analisar as vantagens do EFM sobre os serviços ATM em relação a distância.

23 22 Quadro 1 - Comparativo de alcance do modem ATM x EFM. Fonte: Adaptada do manual do equipamento RCG1700 da Digitar Telecomunicações 3.2 Tipos de EFMC Existem dois tipos de EFM sobre cobre o 10PASS-TS e 2BASE-TL. Um foi desenvolvido para atender curtas distâncias com taxas assimétricas e outro para longas distâncias com taxas simétricas PASS-TS O EFM 10PASS-TS para curto alcance, proporcionando taxas assimétricas de no mínimo 10 Mbps a uma distância de pelo menos 750 m, para atingir essas velocidades e distâncias sobre um único par de cobre, o EFM usa a tecnologia VDSL BASE-TL O EFM 2BASE-TL para longo alcance, pode proporcionar taxas simétricas entre 2 Mbps e 5,69 Mbps em um único par de cobre a uma distância de pelo menos 2,700 m. Para atingir essas velocidades e distância o EFM utilizando a tecnologia G.SHDSL.bis. O EFM 2BASE-TL é indicado para empresas, instituições educacionais e governamentais, pois agregando mais pares e possível fornecer taxas simétricas de 22 Mbps a 45 Mbps ou mais.

24 23 Figura 5 - Opções de curto e longo do EFMC. Fonte: MEF (2012b) 3.3 Vantagens A seguir serão analisadas algumas das vantagens da tecnologia EFM Melhorias EFMC em relação ao DSL O EFMC PHYsical (física, em referência ao meio) aproveitou anos de trabalho de desenvolvimento do DSL, garantindo a compatibilidade espectral dessas modulações utiliza as técnicas da modulação DSL. E em conjunto com outras tecnologias pode chegar distâncias maiores usando apenas um par metálico (MEF, 2005b). O DSL apresenta uma pilha de protocolos e suporte PPP e subcamadas ATM, que foram desenvolvidas para acomodar serviços que nunca foram implantados, o que resulta em custos adicionais para prover serviços desnecessários. A implementação ATM é "baseada em hardware" que foi planejado para transportar tráfego muito maior em comparação com a "implementação de software" dos roteadores IP, agora encontra um rival de igualdade com os módulos baseados em hardware de comutação Ethernet que pode transportar tráfego em taxas similares com baixo custo O

25 24 EFM simplifica a plataforma DSL de forma transparente, simplificando as camadas de protocolo, reduzindo as opções de configuração e provisionamento (MEF, 2005b) Redução do Overhead Uma das características mais importantes do EFM é a redução de overhead em comparação com outros métodos de conexão, como os conhecidos ADSL, T1 e muitos outras soluções de acesso à internet que usam quadros Ethernet encapsulados em células ATM para o transporte através da rede de telecomunicações. Também é comum adicionar camadas de encapsulamento, como PPPoE e PPPoA o que aumenta o overhead nesses links. Esta sobrecarga pode levar a uma ineficácia de 20-50% no transporte de tráfego Ethernet, reduzindo a taxa de transferência disponível para o usuário (MEF, 2005b). A figura 6 abaixo mostra as diferenças entre o tráfego Ethernet entregue no padrão ATM baseado em DSL versus o tráfego entregue no padrão EFM. Figura 6 - Atual pilha de protocolo de entrega IP/Ethernet x Novos padrão IEEE802.3ah. Fonte: Adaptada do manual do equipamento RCG1700 da Digitar Telecomunicações

26 Arquitetura do EFMC Na arquitetura EFMC, as novas subcamadas de ligação de dados mais próximas do PHY são definidas por padrões já existentes no DSL. Mais acima se encontra as novas subcamadas, a Rate Matching e Loop Aggrregation e acima disso a camada Ethernett existente. A camada de agregação do EFMC recebe pacotes de Ethernet, através da interfacee MII após o interpacket gap e o preâmbulo terem sido removidos a camada de agregação quebra o pacote em fragmentos de comprimentoo variável e envia para uma sub-camada com fragmentação de 64B/65B e transmitida por o modem através das camadas PMA/PMD para o fio. O lado receptor não encapsula os fragmentos, reagrupaa os quadros Ethernet originais e restaura o de convergência de transmissão de um modem específico, onde é encapsulado inter-packet gap e o preâmbulo. Com isso o overhead do EFM é aproximadamente 5%, dependendo do tamanho do pacote e do algoritmo de fragmentação usado pelo fornecedorr (MEF, 2005b). Figura 7 - Arquitetura EFMC. Fonte: MEF (2012b)

27 26 No EFMC foram criadas duas novas subcamadas a Rate Matching / Loop Aggregation, que permitem combinar até 32 pares de cobre na camada física (PHY) em um link lógico ethernet, esse é um dos maiores benefícios do EFM, com isso a largura de banda disponível é muito maior. O método agregação de loop ocorre abaixo da camada MAC, quebrando os frames Ethernet em pequenos fragmentos e marcando-os com um Header Fragment (FH). Estes fragmentos marcados são distribuídos entre todos os loops no pacote agregado. Uma vez que os fragmentos chegam à outra extremidade da ligação, são reagrupados utilizando os dados presentes no FH e colocados sobre a rede Ethernet dos assinantes (MEF, 2005b). A técnica de agregação é transparente para os aplicativos de camada superior. Os quadros são fragmentados e distribuídos para cada loop, usando a codificação 64B/65B (1 de cada 65 Bytes é overhead), o que resulta em maior eficiência. Figura 8 - Enquadramento e Fragmentação do EFM. Fonte: MEF (2012b) 3.4 Problemas e Soluções do Loop de Cobre Uma das limitações na transmissão desta arquitetura é a atenuação, porque a perda aumenta com a frequência. Crosstalk também é uma preocupação, por causa da deficiência predominante na planta do loop, pois existe interferência do mesmo tipo de serviço em outros pares no cabo (auto-crosstalk), ou outros tipos de serviço (alien-crosstalk). Finalmente, existe a questão da sobreposição de outros serviços como POTS / ISDN, tanto o POTS com

28 27 frequências entre 0-25 KHz ou o ISDN entre KHz podem estar operando no mesmo par. Para ajudar a suportar o funcionamento dos diferentes serviços na mesma rede e atenuar algumas dessas limitações, os administrador e reguladores definiram um plano de definições da banda conforme mostra a figura 9. Figura 9 - Definições de plano de banda. Fonte: MEF (2012b) Como mostra a figura 10, existem dois tipos de problemas de crosstalk: Far End Crosstalk (FEXT) que é causado por um outro cabo na extremidade do receptor, sendo assim o nível de crosstalk é suavizado pela atenuação na linha e o Near End Crosstalk (NEXT) que é causado por um outro par de cabo, porém na mesma extremidade do receptor, sendo assim não há atenuação na linha, o que faz com que o nível de crosstalk seja mais elevado. Figura 10 - Crosstalk NEXT e FEXT. Fonte: MEF (2012b)

29 28 Os problemas que o NEXT ou FEXT causam sobre a transmissão depende do tipo de sinal que é transmitido, para os sistemas VDSL, os sinais de transmissão e recepção estão utilizando bandas de frequência diferentes, sendo assim o sinal de transmissão adjacente tem um impacto muito baixo sobre um sinal recebido, neste caso o FEXT é fator perturbador dominante. Por outro lado, com sistemas G.SHDSL que utilizam as mesmas frequências para transmitir e receber, o NEXT é o principal fator que limita a capacidade de transmissão (MEF, 2005b). 3.5 G.SHDSL O padrão G.SHDSL (Single-Pair High-speed Digital Subscriber Line) foi padronizado em 2001 pela norma ITU-T G anexos A e B. Com o avanço das tecnologias e o aumento da taxa de dados em cabos de cobre, o padrão ITU G foi criado para aumentar as taxas de dados e permitir a interoperabilidade entre diferentes fabricantes. O G.SHDSL é uma ótima opção para pequenas e médias empresas e também pode ser usado em residências. A norma estabeleceu métodos para adaptar as taxas as condições da linha e trafegar dados com taxas simétricas ao longo de um único par de cobre. Com a utilização deste padrão as taxas de dados podem chegar a 2,3 Mbps a uma distância de 3 Km ou 192 Kbps a uma distância de 7,5 Km ou se usando dois pares as taxas podem dobrar chegando a 4,6 Mbps (BROADBAND, 2002). O G.SHDSL usa codificação 16-TCPAM (Trellis Coded Pulse Amplitude Modulation) esta modulação faz reduzir a potência e melhora o desempenho, ela codifica mais os dados dentro do espectro de frequência, usando cancelamento de eco ou multiplexação por divisão de frequência (FDM). Usando a codificação TC-PAM o G.SHDSL chega a essas velocidades e distâncias porque consome menos potência, consumindo menos potência geram menos sinal-ruído ou crosstalk e com isso chegam a distâncias maiores (BROADBAND, 2002). O TC-PAM usa 16 níveis de codificação o que faz com que melhore a eficiência espectral, pois permite um trafego maior de dados, podendo transportar até 36 timeslotes de 64 kbits/s podendo chegar a 2304 kbits/s em um único par (DATACOM, 2010). O G.SHDSL substitui perfeitamente os antigos sistemas E1/T1 que fornecem no máximo 2048 Mbits/s e 1544 Mbits/s respectivamente, precisando da vários repetidores para atingir maiores distâncias (BROADBAND, 2002).

30 G.SHDSL.BIS O padrão G.SHDSL.bis é um extend do padrão G.SHDSL e foi definida pela recomendação ITU-T G.991.2, anexos F e G que ficou conhecida como Bis ou Extended para garantir uma transmissão robusta de voz e dados sobre uma infraestrutura utilizando pares metálicos. O G.SHDSL.bis atinge taxas simétricas de kbit/s em um único par podendo chegar a Kbit/s agrupando até quatro pares. Quando um cliente necessita de uma taxa de dados superior ao máximo atingido por um único sistema G.SHDSL, os dados podem ser divididos em taxas mais baixas e transportados em linhas separadas. Nas extremidades de recepção, os dados dessas várias linhas são recombinados de volta para o fluxo de dados original (LOOP TELECOM, 2008). Uma característica importante deste padrão é a adaptação automática para a degradação ou falha de quaisquer linhas utilizadas na instalação, voltando à taxa original quando a linha que ocorreu a falha for restaurada. Exemplo se quatro linhas de 5.6 Mbps G.SHDSL são usadas para atingir uma taxa de dados de 22.4 Mbps, e uma delas cair, o restante continua trafegando, cada uma com sua taxa de transmissão original ficando com uma taxa de dados total de 16.8 Mbps, quando a linha é restaurada a taxa volta a taxa original 22.4 Mbps. (LOOP TELECOM, 2008). O padrão G.SHDSL.bis usa codificação 16TC-PAM ou 32-TCPAM, permitindo transportar até 89 timeslotes de 64 kbits/s podendo chegar a 5696 kbits/s em um único par (DATACOM, 2010). 3.7 Resumo do Capítulo Pela pesquisa realizada, pode-se observar que a tecnologia G.SHDSL oferece taxas de transferência comparáveis ao ADSL, porém com comunicação simétrica. Dentre as vantagens apresentadas por essa tecnologia, pode-se agregar mais um par de cobre, permitindo a duplicação da vazão máxima. Seu sucessor, o G.SHDSL.bis, pode ainda dobrar essas taxas, e com a vantagem da adaptação automática caso ocorram falhas em uma das linhas. Em conjunto com o EFM, o G.SHDSL bis é uma solução atrativa, tanto em termos de desempenho quanto de custo, para fornecer soluções de voz, dados e multimídia.

31 30 4 MÉTRICAS DE COMPARAÇÃO Nesse Capítulo serão definidas as métricas mais relevantes na entrega de serviços multimídia, e assim poder ser feito um comparativo entre as tecnologias propostas no trabalho. 4.1 Métricas Abaixo serão relacionadas as principais métricas para avaliar o desempenho de uma comunicação de dados multimídia. Vazão Máxima: vazão é a maior taxa de transmissão de dados suportada por determinada tecnologia em determinado tempo. Atraso: atraso é o tempo que determinada informação demora após ser enviada até ser recebida no destino (FOROUZAN, 2007). Este é um problema significativo em aplicações multimídia porque provoca uma perda de sincronismo entre a transmissão e o evento real, o que impacta negativamente na percepção do usuário do serviço. Jitter: jitter é a variação não prevista no atraso (FOROUZAN, 2007). Para uma transmissão que não é sensível ao tempo, como por exemplo o envio de um , esta variação no atraso não causa maiores impactos. Já para transmissões sensíveis ao tempo, como multimídia, esse fator é muito importante, já que ao transmitir pacotes de dados com imagem e áudio os pacotes devem chegar juntos. O problema surge quando os buffers de recepção de dados são esvaziados antes que tenham sido recebidos novos pacotes com conteúdo a ser reproduzido. Isso também causa uma impressão negativa na qualidade do serviço. Perda de pacotes: a perda de pacotes em uma comunicação multimídia pode ser grave se atingir um limite de pacotes perdidos o que vai afetar a qualidade do serviço. Passando desse limite e imagem pode começar a ficar com pausas e a voz pode sobre interrupções. Distância: a distância atingida por uma tecnologia ter importância especial para as operadoras, pois quanto maior for o alcance da tecnologia, mais clientes serão atendidos com uma mesma estrutura. Custos: o custo não é necessariamente apenas o custo de um serviço para o usuário, esse custo também se refere ao custo de implantação e manutenção de uma rede, reduzindo

32 31 esses valores, as operadoras podem oferecer serviços melhores com custos reduzidos para os usuários. Escalabilidade: é a capacidade de um sistema manter o mesmo desempenho mediante o aumento da demanda. Overhead: é toda a informação extra adicionada ao trafego da rede, essa sobrecarga pode reduzir a taxa de transferência disponível para os usuários. Com base nessas métricas serão definidos cenários para avaliação de desempenho das tecnologias propostas no trabalho. E assim fazer uma analise dos resultados obtidos.

33 32 5 CONCLUSÃO Pela pesquisa realizada podemos concluir que para uma transmissão multimídia, a tecnologia utilizada para fornecer esse serviço é muito relevante, pois sabemos que dependendo da tecnologia o serviço pode não ser de qualidade. O ADSL, por exemplo, tem custo razoável, porém para uma transmissão ao vivo não é a tecnologia mais indicada, pois fornece taxas assimétricas e não atinge longas distâncias, já a fibra ótica pode ter boas taxas e atingir distâncias consideráveis, porém o custo e a viabilidade de acesso em alguns casos tornam-se obstáculos na entrega desse serviço. Pode se observar que a tecnologia EFM em conjunto com o G.SHDSL.bis tem boas taxas de velocidades, tanto de download como de upload, pois suas taxas são simétricas, e com a vantagem de poder contar com a capilaridade do par metálico, que hoje é o meio de transmissão mais comum. Uma outra vantagem é o alcance que o EFM pode atingir, pois pela pesquisa pode-se comprovar que a distância pode dobrar quando comparado com serviços baseando em ATM, o que torna a tecnologia uma boa opção para as operadoras, pois quanto maior alcance mais clientes elas podem atender. Sendo assim o EFM G.SHDSL.bis pode ser a melhor alternativa para prover serviços multimídia, pois é uma solução fácil, com baixo custo de implantação e de qualidade.

34 33 REFERÊNCIAS MEF. METRO ETHERNET FORUM, Ethernet in the First Mile A Tutorial, Disponível em: < df>. Acesso em: 10 agosto 2012a. MEF. METRO ETHERNET FORUM, Ethernet in the First Mile over Copper (EFMC) - A Tutorial, Disponível em: < coppertutorial v2.pdf>. Acesso em: 10 ago. 2012b. MEF. METRO ETHERNET FORUM, Ethernet in the First Mile over Point-to-Point Fiber (EFMF)- A Tutorial, Disponível em: < coppertutorial v2.pdf>. Acesso em: 10 ago. 2012c. LOOP TELECOM. Theory and Application of G.SHDSL.bis Disponível em: < Theory%20and%20Applica tion%20of%20g.shdsl.bis.pdf>. Acesso em: 12 agosto MEF. METRO ETHERNET FORUM, Deploying Carrier Ethernet Services to the Customer, Disponível em: < EFM_Actelis. ppt>. Acesso em: 12 agosto 2012d. MEF. METRO ETHERNET FORUM, Delivering Ubiquitous Ethernet Services using an Array of Access Technologies, Disponível em: < Documents/MEF-CECP-Study-Aids/MEF-WP-Ethernet%20Svcs-and-Access-Tech.pdf >. Acesso em: 17 novembro IEEE. Institute of Electrical e Electronics Engineers, IEEE 802.3ah Ethernet in the First Mile Task Force, Disponível em: < Acesso em: 12 agosto EMMERSON, B. Hatteras Networks, Disponível em: < whitepapers/whpa-hatteras_midband_ethernet.pdf>. Acesso em: 12 agosto CHANGBIN, L.; LEI, S.; BIN, L.. Utility-based Bandwidth Allocation for Triple-Play Services. Department of Computer Science and Technology, Tsinghua University, Disponível em: < = >. Acesso em: 2 novembro MEC. Portal MEC. Disponível em:< &view=article&id=15808&itemid=823>. Acesso em: 2 novembro CHLAMTAC, I.; GUMASTE, A.; SZABÓ, C. Broadband Services BUSINESS MODELS AND TECHNOLOGIES FOR COMMUNITY NETWORKS. Chichester: John Wiley & Sons, STALLINGS, William. Data and Computer Communications, 8 th edition. New Jersey: Prentice Hall, 2007.

35 34 BROADBAND. ADSL2 AND ADSL2plus - THE NEW ADSL STANDARDS, Disponível em: < ADSL2_ wp.pdf>. Acesso em: 10 novembro DATACOM. Manual do Produto DM991CR Modem Router G.SHDSL, %20DM991CR%20Serie%20VI.pdf>. Acesso em: 16 novembro BROADBAND. Symmetric DSL White Paper, Disponível em: < band-forum.org/marketing/download/mktgdocs/shdsl_ wp.pdf>. Acesso em: 16 novembro FOROUZAN, Behrouz. Data communications and Networking, 4 th edition. New York: McGraw-Hill, 2007.