Transmissão digital em pares simétricos na rede de acesso

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1 Transmissão digital em pares simétricos na rede de acesso Acesso em banda base Acesso com modulação digital Acesso RDIS, HDSL Acesso com modems de banda de voz, ADSL, VDSL Códigos de linha Bipolar (AMI), 2B1Q Modulações digitais FSK, PSK, QAM, DMT Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 22

2 Critérios de Nyquist para sistemas em banda base Códigos de linha unipolar / polar (multi-nível), bipolar (AMI)... Primeiro critério de Nyquist 1 D = s B T 2 s Taxa de sinalização de Nyquist Taxa máxima de sinalização (símbolos/segundo) conseguida através de um sistema passabaixas de largura de banda B sem IIS é igual a 2B IIS: interferência inter-simbólica Para transmitir uma taxa de D s símbolos por segundo é necessária uma largura de banda de, pelo menos, B min =1/(2T s )=D s /2 A largura de banda necessária num sistema real é superior à indicada pelo 1º critério de Nyquist. Para um sistema sem IIS e com factor de excesso de banda β (fracção de banda usada em excesso relativamente à banda mínima, B min, necessária segundo o 1º critério de Nyquist), a largura de banda usada é Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap B=B min (1+β)

3 Critérios de Nyquist para sistemas modulados Modulações ASK, PSK, QAM (sem modulação de frequência) Primeiro critério de Nyquist D s = 1 T Para transmitir uma taxa de D s símbolos por segundo é necessária uma largura de banda de, pelo menos, B min =1/T s =D s s B Taxa de sinalização de Nyquist Taxa máxima de sinalização (símbolos/segundo) conseguida através de um sistema passabanda de largura de banda B sem IIS é igual a B IIS: interferência inter-simbólica A largura de banda necessária num sistema real é superior à indicada pelo 1º critério de Nyquist. Para um sistema sem IIS e com factor de excesso de banda β (fracção de banda usada em excesso relativamente à banda mínima, B min, necessária segundo o 1º critério de Nyquist), a largura de banda usada é B=B min (1+β) Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 24

4 Modems de banda de voz Canal telefónico (voz) analógico: banda passante entre 300 e 3400 Hz Assinante A MODEM MOdulator DEModulator Par simétrico Rede telefónica Par simétrico Assinante B MODEM DEModulator MOdulator FSK+DDF PSK+DDF QAM+CE D b = 0.3 kbit/s 1.2 kbit/s D b 2.4 kbit/s D b 9.6 kbit/s Para D b > 2400 bit/s utiliza-se igualação adaptativa na recepção (desmodulação) Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 25

5 Quadrature Amplitude Modulation (QAM) Estrutura do modulador M-QAM ( L = M ) D b 2 L D b /2 D b /2 Conversor Série-Paralelo 2 L Constelações Filtro Portadora Filtro { } ω c t st () = Re ()e l l j it 90º ( ω ) ( ω ) = a ( t)cos t b( t)sin t l 1 2 l i l i l c () t = a () t + j b() t l l l a l (t) b l (t) 3 s(t) QAM Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap b(t) a(t) D s Db Db = = 2log L log M 16-QAM b(t) a(t) baud D 2 b B (min) = D = Hz FI s 2log D ε = = 2log b 3 2 BFI (min) = log M bit/s/hz 2 L 2 L

6 Acesso digital sobre pares simétricos As soluções que usam o par simétrico para suportar acesso digital são derivações da tecnologia de lacete digital de assinante ou DSL (Digital Subscriber Loop). IDSL HDSL ADSL VDSL DSL para aplicações em redes ISDN (RDIS) DSL de alta velocidade (High-Speed DSL) DSL assimétrico (Asymmetric DSL) DSL de muito alta velocidade (Very-high-speed DSL) O IDSL ou lacete digital de assinante RDIS suporta o acesso básico, a que correspondem 2B+D canais (2 64 kbit/s + 16 kbit/s), que com a adição de 16 kbit/s (funções de sincronização de trama e manutenção) conduz a 160 kbit/s. O acesso primário corresponde a 30B+D canais e a um débito de Mbit/s. A tecnologia HDSL permite transmitir sinais E1 sobre pares simétricos, sem a utilização de regeneradores até distâncias de 4 km. Necessita, para isso, de usar três pares simétricos. Cada par simétrico suporta um débito de 784 kbit/s com uma codificação 2B1Q. Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 27

7 Configuração de referência do acesso RDIS Configuração do acesso básico RDIS Interface T NT2 NT1 Interface U Par simétrico R P LT Instalações de cliente Terminação de rede (NT) Terminação de linha (LT) Central de Comutação Local O lacete digital de assinante inclui o par simétrico e os blocos NT1 e LT. A RDIS oferece acesso básico e acesso primário. Acesso básico 2 64 kbit/s canais B para comunicação 1 16 kbit/s canal D para sinalização Interface U a 2 fios a 160 kbit/s Acesso primário kbit/s canais B para comunicação 1 64 kbit/s canal D para sinalização Interface U a 4 fios a 2 Mbit/s Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 28

8 Lacete digital de assinante A técnica de duplexagem mais usada é o cancelamento de eco, embora o TCM também possa ser usado. A estrutura simplificada do NT1 (modem RDIS) Emissor Receptor Cancelador de ecos - rˆ ( t) y(t) + x(t) Híbrido ecos r(t) Código 2B1Q Lacete de assinante (2 fios) O emissor, para além de outros blocos, inclui um codificador 2B1Q. O receptor, para além de outros blocos, inclui um descodificador 2B1Q e um igualador adaptativo. Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 29

9 ADSL (Asymmetric DSL) O ADSL é uma tecnologia que permite a transmissão assimétrica. A duplexagem pode ser efectuada por divisão na frequência ou por cancelador de eco. DDF 6 Mbit/s: descendente 640 kbit/s: ascendente EC 8 Mbit/s: descendente 800 kbit/s: ascendente Espectro Voz (telefonia) Transmissão ascendente Transmissão descendente Espectro Voz (telefonia) Transmissão ascendente Transmissão descendente Frequência (khz) Frequência (khz) Um sistema ADSL consiste em modems ADSL colocados em ambas as extremidades do par simétrico. A técnica de modulação mais usada é a modulação multi-tom discreto ou DMT (discrete multitone). Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 30

10 Acesso em ADSL Rede telefónica Central local (ATU-C) Comutador telefónico Filtro / Splitter Par simétrico Instalações de assinante (ATU-R) Filtro / Splitter Acesso à rede IP DSLAM Multiplexador de acesso ADSL ( linhas ADSL) Espectro Banda do POTS Modem ADSL Banda do sentido assinante central local Banda do sentido central local - assinante Serviços: acesso de banda larga à Internet e vídeo-a-pedido (com compressão, D b ~ 2 Mbit/s) Assinantes residenciais f (khz) Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 31

11 Modem ADSL / Carta de linha DSLAM Par simétrico Fonte: J. Bourne, D. Bursteim, DSL, Wiley, 2002 Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 32

12 Modulação multi-tom discreto (DMT) A sequência binária de entrada é dividida em blocos de b bits os quais são armazenados numa memória. Os bits são, então, divididos entre N sub-canais, sendo o número de bits alocados a cada sub-canal dependente da relação sinal-ruído desse canal. Os bits alocados a cada sub-canal vão, em seguida, modular uma portadora usando QAM (quadrature amplitude modulation). D b Conversor S/P & memória QAM f 1 QAM f 2 Filtro Filtro Amplitude f 1 f 2 f 3 f 4 f N frequência QAM f N Filtro Como a banda atribuída a cada sub-canal é reduzida, o atraso de grupo e a atenuação são aproximadamente constantes nessa banda. a distorção e a IIS são reduzidas, tornando desnecessário o uso de igualador. Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 33

13 DMT (2) Efeito da interferência no espectro de um sinal DMT Fonte: J. Bourne, D. Bursteim, DSL, Wiley, Adolfo Cartaxo e João Pires f (MHz) diafonia f (MHz) Número de bits por sub-canal Interferência de rádios Potência no receptor Potência transmitida por sub-canal Efeito das perturbações de transmissão no número de bits por sub-canal 0.2 Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap f (MHz) 34

14 Organização da trama ADSL A sequência de bits é organizada em tramas constituídas por M bits. Cada trama é constituída por N sub-blocos {B 1, B 2,..., B N }, tal que B 1 +B B N =M. O número de bits de cada sub-bloco está relacionado com a dimensão da constelação do sub-canal correspondente ao sub-bloco. Os sub-blocos são ordenados de acordo com a dimensão da constelação correspondente. Os sub-blocos de menores dimensões são os que aparecem em primeiro lugar. Na presença de constelações com idêntica dimensão aparecem primeiros os sub-blocos correspondentes às portadoras de menor índice. Sistema com 6 sub-canais e trama com 22 bits Duração da trama = 250 μs Débito de símbolo = 4 kbaud Trama, T d = 250 μs b 0 b 1 b 2 b 3 b 4 b 5 b 6 b 7 b 8 b 9 b 10 b 11 b 12 b 13 b 14 b 15 b 16 6 b 17 b 18 b 19 b 20 b Índice da subportadora Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 35

15 Very high-speed DSL (VDSL) O VDSL pode ser simétrico ou assimétrico. Assimétrico Simétrico Débito (Descendente) Débito (Ascendente) Alcance Débito (Descendente) Débito (Ascendente) Alcance 54 Mbit/s 6.4 Mbit/s 0.3 km 25 Mbit/s 25 Mbit/s 0.3 km 26 Mbit/s 3.2 Mbit/s 1 km 13 Mbit/s 13 Mbit/s 1 km 13 Mbit/s 1.6 Mbit/s 1.5 km 6.5 Mbit/s 6.5 Mbit/s 1.5 km Plano de frequências para o VDSL com duplexagem DDF A duplexagem CE não pode ser usada nos sistemas simétricos, porque com a tecnologia actual os canceladores de eco não funcionam para bandas superiores a 1 MHz. Espectro Sentido ascendente Sentido descendente Voz (telefonia) RDIS Frequência (MHz) f min f max Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 36

16 VDSL O VDSL divide-se em VDSL de longo alcance ( 1.5 km) e VDSL de curto alcance ( 0.3 km). O VDSL de longo alcance suporta um débito descendente máximo de 14.5 Mbit/s e um débito ascendente de cerca de 2 Mbit/s. Os débitos máximos para o VDSL de curto alcance são 58 Mbit/s e 6 Mbit/s. O VDSL de longo alcance aparece associado às soluções em fibra FTTCab, enquanto o VDSL de curto alcance aparece associado às soluções FTTC / FTTB. Nó de Acesso O VDSL não é uma tecnologia de acesso autónoma Assinante VDSL de longo alcance OLT ONU NT Fibra óptica Distância <1.5 km FTTCab OLT ONU VDSL de curto alcance NT Fibra óptica d < 0.3 km FTTC/FTTB Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 37

17 ADSL (débito / distância) Débito binário descendente (Mbit/s) VDSL ADSL2+ ADSL2 ADSL Distância (km) Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 38

18 Arquitecturas em fibra Na arquitectura FTTH (Fibre To The Home), a fibra óptica vai até às instalações do assinante e, deste modo, a ONU realiza as funções da NT (Network Termination). Na arquitectura FTTC (Fibre To The Curb) ou FTTB (Fibre To The Building), cada ONU serve entre 10 a 100 casas, ou edifício (<300 m do assinante). Neste caso, há uma rede de distribuição adicional entre a ONU e a NT, em cobre (par simétrico, ou par coaxial) ou via rádio. Na solução FTTCab (Fibre To The Cabinet), a ONU está mais afastada do assinante (<1.5 km), requerendo também uma rede de distribuição adicional. Outra arquitectura alternativa, designada rede óptica passiva ou PON (Passive Optical Network), usa um repartidor óptico passivo para dividir o sinal proveniente da OLT por várias ONUs. Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 39

19 Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 40

20 Redes Ópticas Passivas para FTTx FTTEx FTTCab FTTC FTTH/B Concentrador NT ADSL (< 6 km ) Central Local OLT ONU ONU < 8 Mbit/s ADSL / VDSL (< 1 km ) NT < 26 Mbit/s ONU VDSL (< 300 m ) < 52 Mbit/s NT PON: Passive Optical Network ONT 622 Mbit/s descendente 155 Mbit/s ascendente Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 41

21 Arquitectura APON A ligação descendente (nó de acesso-onu) é feita no comprimento de onda de 1.55 μm e a ascendente (ONU-nó de acesso) no comprimento de onda de 1.3 μm. 155 / 622 Mbit/s Receptor ONU 1 Central Local Unidade Remota 1310/1550 nm mux/demux Laser MUX ATM Laser OLT 1.55 μm 1.3 μm Divisor / combinador Receptor Laser ONU k Divisão: 1 / Mbit/s Receptor Laser ONU N Cada ONU deve operar ao débito binário agregado de todas as ONUs. As normas das APON especificam um débito descendente de 622 Mbit/s e um débito ascendente de 155 Mbit/s. Usando um divisor de 1/32, o débito descendente permite proporcionar a cada ONU cerca de 20 Mbit/s. Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 42

22 Ethernet PON (EPON) Ethernet PON é uma rede baseada numa PON que transporta tráfego encapsulado em tramas Ethernet (norma IEEE 802.3). Usa um código de linha 8B/10B e opera com os débitos típicos da Ethernet (10/100/1000/10000 Mbit/s). No sentido descendente, as tramas Ethernet transmitidas pelo OLT passam através de um divisor 1:N e chegam a cada ONU. Cada ONU extrai as tramas que lhe são destinadas com base no endereço MAC (media-access control) ONU 1 1 Laser OLT 1:N ONU 2 Trama Ethernet 2 2 Cada ONU extrai a trama que lhe é destinada usando o endereço MAC Divisor ONU 3 3 Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 43

23 Ethernet PON (EPON) (2) No sentido ascendente, há o problema da contenção. Duas tramas que cheguem simultaneamente ao OLT colidem. Neste caso não se pode aplicar um mecanismo similar ao CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection) usado nas LANs, já que cada ONU não vê as outras ONUs. Para sincronizar as diferentes ONUs, usa-se um esquema TDMA semelhante ao usado na APON. Assim, a cada ONU é alocado um time-slot, com capacidade para transportar várias tramas Ethernet. Laser Os esquemas de alocação de time-slots podem ser estáticos ou dinâmicos. Neste último caso, a dimensão do time-slot é ajustada em função da fila de espera na ONU. ONU OLT ONU 2 Time-slot Combinador / divisor ONU Trama Ethernet Cada ONU armazena em memória as tramas recebidas dos utilizadores até que o seu time-slot chegue. Nesta altura, envia todas as tramas armazenadas em rajada, à velocidade máxima do canal. Se não houver tramas em número suficiente para encher um time-slot, são enviados caracteres de 10 bits sem informação. Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 44