Disciplina de: Redes de Telecomunicações

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1 Disciplina de: Redes de Telecomunicações Redes Híbridas & DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specifications) Tiago Nunes Nº Bruno Caseiro Nº 57704

2 Sumário Introdução Topologias Redes de acesso híbridas Modulações Multiplexagem DOCSIS Conclusão 2

3 3 Topologias:

4 Topologias Híbridas : Características Fundamentais Permite a combinação de quaisquer duas ou mais topologias e tem como resultado uma rede que não apresenta uma das tipologias características; Uma topologia em árvore ligada a outra em árvore continua a ser uma topologia em árvore. Entretanto, duas redes em estrela ligadas exibem uma rede com topologia híbrida. Uma rede Árvore-Anel consiste em ligar duas ou mais redes em árvore numa rede em anel através de um hub Multistation Acess Unit (MAU). Cada topologia por sua vez pode estar suportada por meios físicos distintos. Ex. Coaxial-Fibra. 4

5 Redes de Cabo Coaxial Redes cabo servem para distribuição de TV; Baseadas na topologia em árvore, com os clientes dispostos em bus ao longo do ramo. Largura de banda RF MHz A Infra-estrutura física duma rede CATV tradicional: Rede Primária (ou núcleo) 10%; Rede Secundária (ou metro) 40%; Rede de Ligação ao cliente (ou acesso) 50%; Problemas da rede de acesso: Elevadas perdas associadas ao cabo coaxial Solução: Uso de amplificadores RF (mas reduz a largura de banda); Uso de fibra óptica numa parte da rede de acesso 5

6 6 Limitações do cabo coaxial

7 Hybrid Fiber Coax - HFC Utilização de cabos de fibra óptica nos troços mais longos da rede. Atenuação na fibra 0.5 db/km Utilização de cabos coaxiais nas zonas de distribuição. Redução do número de amplificadores (3-4); clientes por célula com tendência para reduzir; Cada célula está ligada à cabeça da rede (Headend) por fibra óptica numa topologia em estrela; 7

8 Hybrid Fiber Coax cont. Vantagens: Permite aos operadores aumentar os débitos, a fiabilidade e a qualidade do sinal de TV; Redução dos custos de manutenção (redução do número de amplificadores); Suporte para comunicações bidireccionais (rede de acesso). 8

9 Rede híbrida cont. 9 Fig. Arquitectura típica de um sistema HFC

10 Modulação: ASK, FSK e PSK ASK Alteração da amplitude da portadora em função da fonte binária usando uma frequência central (f c ) e um número finito de amplitudes (ex. 1V e 5V); FSK Altera a frequência mantendo os outros parâmetros iguais. Ex. 0 f 1, 1 f 2. PSK Consiste em alterar a fase da portadora mantendo a amplitude e f c (ex. 0, π/2); QAM PSK & ASK; 10

11 Modulação m-qam: Quadratute Amplitude Modulation Modulação em Amplitude e em Quadratura Combinação de PSK e ASK: S i = A i (t)*cos[ω 0 t + φ i t]; i = 1,2,3...M; 0 t T s Para M 16 tem melhor desempenho (C/N) que PSK; Mapeamento da constelação utilizando Código de Gray; Largura de banda: B min_ideal = f b /log 2 (M); α =

12 Cálculo da largura de banda LB = f s * (1 + α) com α = {0.25,0.15}; f b = log 2 (M) * LB Exemplo de débitos: 1- ) kbaud/s * log 2 (256) bit = Mbit/s 2- ) log2(16) * 3200/(1+0.25) = 10.24Mbit/s (UpStream) 12 Largura de banda máxima (Upstream) Symbol Rate (ksym/s) Largura de banda [khz]

13 Sinal analógico Vs Digital 1 sinal TV analógico ocupa 8 MHz; Com MPEG2 1 sinal TV digital ocupa 3 a 6 Mbit/s, utilizando 256- QAM precisa de 750 KHz para ser transmitido. Em 8 MHz cabem aproximadamente 10 canais de 6 Mbit/s e 20 de 3 Mbit/s. 13 fig. - Cenário possível de ocupação do espectro do cabo

14 Técnicas de multiplexagem: TDMA Multiplexagem por divisão do tempo (DOCSIS 1.0 e 2.0); FDMA Multiplexagem por divisão da frequência; S-CDMA Multiplexagem por divisão do código (DOCSIS 2.0); CSMA/CD Carrier Sense Multiple Acess with Colision Detection; Multiplexagem estatística permite um aumento de 10-25% de clinetes por canal comparativamente ao node splitting 14

15 DOCSIS Data Over Cable Service Interface Specification. HFC Pensada para difusão de televisão analógica. Motivações: Tecnologia digital com baixo custo; Procura por serviços interactivos. Normalização com protocolo não proprietário Em Março de 1998 ITU-T aceitou o DOCSIS como standard (ITU-T J.112) do Modem Cabo permitindo assim a interoperabilidade. 15

16 DOCSIS Transporte de IP bi-direccional transparente entre o headend e o cliente na rede DOCSIS. Produção de conteúdos 16

17 DOCSIS Arquitectura de referência: A rede tem uma arquitectura em árvore, usando um híbrido de fibra e cabo ou simplesmente cabo. Esta apresenta três características: Transmissão bidireccional Uma distância óptico/eléctrica máxima de 160 Km entre o CMTS 1 e o CM 2 mais distante, sendo a distância padrão de entre os 16 e 20 Km. Cada fibra pode servir entre 500 a 2000 utilizadores, dependendo para tal do débito médio disponibilizado a cada um. 1 Cable Modem Termination System (CMTS). Localizado na central do operador. 2 Cable Modem (CM) localizado no cliente 17

18 DOCSIS Plano de Frequências HF: 3 30MHz VHF: MHz bandas do espectro radioeléctrico UHF: MHz Sentido Ascendente CM CMTS 5 45 MHz Sentido Descendente CMTS CM MHz; MHz não é recomendável; Largura de banda do canal de TV analógico 8 MHz Europa; 18 6 MHz EUA;

19 DOCSIS v1.0 DOCSIS define um conjunto de especificações para a camada física de um sistema de transmisão de TV e dados por cabo. A primeira versão do DOCSIS surgiu em Março Permitiu aos operadores CATV aumentar os débitos utilizando as suas redes híbridas já existentes usando: Moduladores do tipo QPSK e 16QAM para upstream; Com ritmos de 160 a 2560 kbaud/s Moduladores do tipo 64 e 256QAM para dowstream com LB de 8MHz (Europa); Ritmos de 6.952Mbaud/s para os dois tipos de modulação; Factor de excesso de banda: α = 15%. 19

20 DOCSIS v1.1 Melhoramentos ao nível de QoS de modo a responder aos novos serviços: VoIP Voice over Internet Protocol; Serviços com débito constante (CBR Constant Bit Rate), ex. Vídeo; Garantir débitos e latências compatíveis com as necessidades dessas aplicações. Fragmentação de pacotes baseado em hardware para permitir maior rapidez de comutação. 20

21 DOCSIS v2.0 Nova versão surgiu em Dezembro de Motivação: Aumento do tráfego Upstream; Tráfego em tempo real, ex. VoIP; Novas funcionalidades no upstream: Upgrade para modulação até 64-QAM; Com ritmo de 5120 kbaud/s e α = 25% LB upstream = 6.4MHz Débito máximo de Mbti/s (Upstream) Melhoramentos nas técnicas de correcção de erros Herança & problemas: 1 portadora DOCSIS. 21 Meio Partilhado pelos vários utentes

22 Compatibilidade v1.0 & v2.0 Compatibilidade entre as versões foi mantida no sentido Cliente- Servidor. No entanto se o servidor operar em DOCSIS 2.0 e o cliente tiver um modem que opera sobre a versão 1.0 então o cliente não será capaz de usufruir do débito máximo permitido pela rede podendo até ver reduzido o débito. Implicações: trocar o equipamento terminal. 22

23 DOCSIS v3.0 Características: Channel bonding Agrupamento de canais; Multiplos dowstream e upstream que podem ser utilizados ao mesmo tempo por um único utilizador ; Débitos de m x 50 Mbit/s para downstream n x Mbit/s para upstream; n e m são limitados pelo espectro do meio físico; O hardware deve suportar pelo menos n = m = 4 canais agrupados. 200 Mbit/s Downstream; Mbit/s Upstream; 23

24 Capacidades do CM para upstream O CM informa ao CMTS as suas capacidades de processamento para tráfego upstream: Nº máximo de canais activos ( 4); Nº máximo de canais a 3.2 MHz; Nº máximo de canais a 6.4 MHz; Suporte para frequência estendida do upstream (5 85 MHZ) Sim/Não; Ex: X Nº de canais de 6.4 MHz; Y Nº de canais de 3.2 MHz; Z Nº de canais de 1.6 MHz; Xmax Nº máximo de canais de 6.4MHz que o CM suporta ( 4); Ymax Nº máximo de canais de 3.2MHZ que o CM suporta ( 4); Zmax Nº máximo de canais de 1.6MHz que o CM suporta ( 4); Zmax (=) Nº máximo de canais que o CM pode processar. CMTS, Bmax = max(6.4*xmax, 3.2*Ymax, 1.6*Zmax). A atribuição de canais tem de satisfazer: 6.4*X+3.2*Y+1.6*Z Bmax X + Y + Z Zmax 24

25 Capacidades para Downstream CM informa ao CMTS das suas limitações enviando uma mensagem - Receive Channel Profiles (RCP). O CMTS deve configura o CM com outra mensagem - Receive Channel Configuration (RCC). O CMTS deve conhecer bem as restrições quando atribui/altera os canais/parâmetros do CM. Pode haver perda de sincronismo. O CMTS não pode obrigar o CM a operar fora das suas capacidades. 25

26 DOCSIS 3.0 Channel bonding O CMTS comunica CM qual o tipo de multiplexagem TDMA ou S-CDMA; O CMTS pode atribuir N canais a um utilizador com N 1; O CM informa o CMTS quantos canais consegue processar no upstream; O CM informa o CMTS quantos canais adjacentes consegue processar; O CMTS envia uma mensagem com as indicações do inicio e fim de cada canal e a respectiva frequência central; Os canais não necessitam de estar fisicamente adjacentes. O CM deve conseguir processar em simultâneo cada canal em qualquer frequência dentro da banda; O CMTS deve ser capaz de atribuir e receber os canais em qualquer frequência dentro da banda. 26

27 Channel bonding cont. TDMA os clientes partilham o mesmo canal com uma sua janela de tempo para transmissão (time slot). S-CDMA os clientes transmitem no mesmo time slot e na mesma frequência mas utilizando códigos ortogonais diferentes. A estrutura da trama da camada física tem comprimento variável e depende de: Multiplexagem; Sentido da comunicação (upstream ou downstream); Tipo de informação que transita (dados, controlo ou vídeo); Eficiência média tem de ser analisada caso a caso. 27

28 Receive Module (RM) - boding Receive Module é um grupo de canais que viajam juntos com parâmetros associados a características de cada um. Ex: Sintonizador; Desmodulador. RCP (CM -> CMTS) define os atributos de cada Módulo Nº de Canais Adjacentes; Gama de frequências de cada módulo; Tipo de modulação, comum aos canais; RCC (CMTS -> CM) Frequência central do primeiro canal; 28 Nº de canais atribuídos;

29 Standard Receive Channel Profile Objectivo: Reduzir a complexidade do CMTS para configurar arbitrariamente cada RCP. Criar requisitos mínimos. O CM envia pelo menos um RCP standard Tecnologia europeia 8-DOCSIS-01 Canais de 8 MHz; Filtro com 64 MHz de banda; 8 canais adjacentes; Pode ocupar qualquer zona do espectro; 29

30 30 8 MHz DOCSIS Standard Receive Channel Profile

31 31 Example Manufacturer Receive Channel Profile

32 Conclusão/Resumo 16-QAM 256-QAM 64-QAM 32

33 Referências Data-Over-Cable Service Interface Specifications DOCSIS 3.0. SCTE [formerly DSS-02-05] DOCSIS 1.0 Radio Frequency Interface %20More%20on%20DOCSIS.pdf 4-or-8-channel-bonding Data-Over-Cable Service Interface Specification DOCSIS 1.0 Radio Frequency Interface (RFI) Data-Over-Cable Service Interface Specifications DOCSIS 2.0 Radio Frequency Interface Specification. 33

34 Obrigado Perguntas? 34