Sistemas e Redes de Telecomunicações. Introdução à Teoria do Tráfego e Comutação

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1 Sistemas e Redes de Telecomunicações Capítulo 5 Introdução à Teoria do Tráfego e Comutação João Pires e Adolfo Cartaxo

2 Introdução à teoria do tráfego (I) O objectivo principal da rede telefónica pública comutada consiste em estabelecer circuitos. Os circuitos podem ser comutados ou alugados. Circuito comutado: ligação bidireccional extremo-a-extremo estabelecida por acção do plano de controlo, usando sinalização Circuito alugado: ligação bidireccional extremo-a-extremo estabelecida por acção do plano de gestão Os circuitos comutados são estabelecidos em resposta às chamadas telefónicas e são dinâmicos. Um circuito comutado suporta um débito de 64 kb/s. Os circuitos alugados são usados para responder a volumes de tráfego elevados, são implementados com cruzadores (cross-connects), são estáticos e suportam débitos múltiplos de 64 kb/s até Mb/s. João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08)

3 Introdução à teoria do tráfego (II) O estabelecimento de circuitos envolve a afectação de recursos da rede (vias de transmissão, equipamento de multiplexagem e comutação etc.). Número e duração das chamadas telefónicas associadas aos circuitos comutados variam aleatoriamente. a análise e projecto da rede recorre a modelos estatísticos apropriados engenharia de teletráfego Aplicação da engenharia de teletráfego Dimensionar o número de troncas (circuitos) necessárias numa determinada ligação entre centrais telefónicas que garantem uma determinada qualidade (resposta a pedidos de serviço). por razões económicas, tal é feito com um certo bloqueio (rejeição de alguns pedidos de ligação). João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 3

4 Características do tráfego telefónico HMC Variação considerável do número de chamadas com o período de medição e no período de medição. Utilização de medidas de tráfego na hora mais carregada para analisar e projectar as redes telefónicas: compromisso entre a inteira utilização (incluindo horas de utilização quase nula) e os picos de tráfego de curta duração (resultantes de fenómenos imprevisíveis). João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 4

5 Tráfego telefónico versus IP O tráfego telefónico tem uma estatística de Poisson e o tráfego IP tem uma distribuição de Pareto (auto-similar). Auto-similar Poisson Packets/timeslot t unit = 0 ms Packets/timeslot t unit = 0 ms Packets/timeslot t unit = 0 s Packets/timeslot t unit = 0 s João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 5

6 Acesso total das centrais telefónicas Admite-se acesso total das centrais telefónicas: qualquer entrada livre pode ligar-se a qualquer saída livre. Modelo de uma central local (comutação de circuitos) Entradas (troncas) 3 M 3 N Saídas (troncas) Estabelecimento de um circuito: apresar uma das N troncas de saída e ligá-la a uma das M linhas de entrada. Se todas as troncas de saída estão ocupadas (activas), a chamada é bloqueada. Para haver bloqueio é necessário que M>N sistema com concentração partilha de recursos de saída devido à redução de custos. João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 6

7 Av Definições relacionadas com o tráfego Tráfego instantâneo transportado pela tronca i: T = 0 () mtdt Ki () t se a tronca está activa = 0 caso contrário Tráfego instantâneo transportado por um grupo de M troncas: M () = () mt K t i= i Número de troncas activas num certo instante de Volume de tráfego transportado por um grupo de M troncas durante um intervalo de de duração T: C número médio de chamadas Av = C h no intervalo de T h duração média das chamadas João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 7

8 Intensidade de tráfego Intensidade de tráfego (fluxo de tráfego) Av C h A = = = λ h T T Unidades da intensidade de tráfego: Erlang (E) λ número médio de chamadas por unidade de Tráfego máximo transportado por uma tronca é E a tronca está sempre ocupada durante o período de medida (habitualmente hora) Taxa de chamadas na HMC: número médio de chamadas realizadas por assinante durante a HMC Taxa de chamadas na HMC varia entre 0.5 (zona rural) e.5 (zona muito activa) Tráfego por assinante 0.05 E A 0. E Duração das chamadas varia entre 3 e 4 minutos João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 8

9 Funções das centrais telefónicas Sinalização: responsável por transferir a informação sobre o estado das linhas para o sistema de controlo e por gerar os sinais adequados para estabelecer, manter e terminar ligações (circuitos). Nos casos em que os caminhos físicos da sinalização e do sinal de voz são os mesmos sinalização em canal associado ou CAS (channel-associated signalling). Nos casos em que a rede de sinalização é independente da rede de voz sinalização em canal comum ou CCS (common-channel signalling), ex: Sistema de Sinalização n 7. Controlo: interacção com o equipamento de comutação de modo a responder aos requisitos da sinalização. O controlo pode ser distribuído ou centralizado. Comutação: responsável por estabelecer, manter e concluir as ligações físicas (circuitos). Terminação da linha de assinante:funções ILA João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 9

10 Tipos de comutação As centrais de comutação telefónica usam comutação de circuitos e a redes de dados comutação de pacotes Comutação de circuitos: Na comutação de circuitos estabelece-se uma ligação física entre os intervenientes na chamada, que se mantém durante toda a duração da chamada. Comutação de pacotes: As mensagens trocadas entre os intervenientes na chamada são segmentadas em pacotes, sendo o encaminhamento dos pacotes realizado com base no endereço presente no cabeçalho do pacote. A comutação de circuitos pode ser analógica ou digital. Comutação analógica: A ligação física é mantida continuamente durante toda a duração da chamada. Usa comutação espacial. Passo-a-passo, Barras cruzadas e Electrónica Comutação digital: A ligação física é mantida de uma forma cíclica só durante o time-slot correspondente a essa chamada. Usa comutação espacial e comutação ral. João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 0

11 Centrais manuais Usavam operadores humanos para ligar os circuitos de entrada e saída O desenvolvimento das redes telefónicas ditou o seu desaparecimento Foram usadas na rede telefónica portuguesa até ao início da década de 80. Automatização da comutação João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08)

12 Comutação passo-a- passo A ligação é estabelecida progressivamente ao longo dos diferentes andares do comutador, por acção dos pulsos decádicos gerados pelo telefone. Controlo Progressivo Controlo Distribuído 75 Selector # Selector # Selector #3 7 5 Sequência de pulsos decádicos Cada selector avança uma posição por cada pulso de controlo. O selector pode ser de ou movimentos. Neste último caso, os movimentos ocorrem quer na horizontal quer na vertical. João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08)

13 Selector da comutação passo-a-passo Elemento de comutação básico do comutador Strowger é o selector. Conjunto de escovas que se movem sobre um conjunto de contactos fixos em resposta directa aos impulsos decádicos do telefone O movimento na vertical é controlado pelo dígito marcado e o movimento na horizontal é realizado até encontrar uma linha de saída livre. A comutação analógica Strowger foi usada na rede telefónica portuguesa até meados dos anos 90. João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 3

14 Comutação de barras cruzadas Controlo centralizado: o sistema de controlo armazena os dígitos marcados, processa-os em seguida e gera os sinais apropriados para controlar o comutador no estabelecimento das ligações. O elemento de comutação parece uma matriz constituída por barras horizontais e verticais que são operadas por electroímanes activados pela corrente gerada pelo sistema de controlo, sendo os pontos de cruzamento estabelecidos pelo contacto mecânico das barras. João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 4

15 Centrais de Controlo Centralizado Nas centrais de controlo centralizado o plano de controlo é implementado usando um processador e um programa residente, ou seja é baseado em software. Centrais SPC (Stored Program Control) Nas centrais SPC há uma separação entre o plano de utilizador e plano de controlo. Sinalização em canal associado Sinalização em canal comum (SS7) Central A Central B Central A Central B Voz voz Matriz de Comutação sinalização Matriz de Comutação Matriz de Comutação Matriz de Comutação Sistema de controlo Sistema de controlo Sistema de Controlo sinalização Sistema de controlo Os sinais de sinalização e de voz partilham a mesma via de transmissão Tem-se uma rede própria para a sinalização e independente da rede telefónica João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 5

16 Estrutura de uma central de comutação digital Uma central de comutação digital local é constituída por duas grandes unidades: Unidade de assinante & concentração (UAC) e unidade do grupo de comutação (UGC). A UAC pode em alguns casos estar fisicamente separada da central local fazendo parte da unidade remota. O equipamento de comutação está situado na unidade de concentração e na UGC. Sinais de controlo Unidade de assinante & concentração Unidade do grupo de comutação Linha digital Linha analógica Linha analógica Interface de linha de assinante () Interface de linha de assinante (30) Controlador das interfaces Multiplexador Unidade de concentração Sin. MF Tons Bloco do grupo de comutação Sin. MF CAS CCS Tronca digital As centrais de comutação de troncas incluem só a UGC. Sistema de Sinalização nº 7 CCS: Common Channel Signaling CAS: Channel Associated Signalling Sistema de controlo da central Sistema de gestão A primeira central digital da rede telefónica nacional foi instalada em 987 (Carnide) João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 6

17 Interface de linha de assinante analógico A estrutura de uma interface de linha de assinante (ILA) analógico é a seguinte: Relé de teste de acesso Relé de toque Protecção de sobretensões As funções de uma ILA podem sintetizar-se no acrónimo BORSCHT, ou seja alimentação (Battery), protecção contra sobre-tensões (Overvoltage protection), toque de campainha (Ringing), supervisão de linha (Supervision), codificação A/D e D/A (Coding), híbrido (Hybrid ) e vários tipos de teste (Testing). Alimentação de linha Extracção de sinalização Unidade de supervisão Outras ILAs Controlador de interfaces Sistema de controlo da central A alimentação é responsável por alimentar os telefones analógicos com uma tensão 48 V DC. A protecção contra sobre-tensões protege a linha telefónica contra altas tensões (descargas atmosféricas, linhas de alta tensão). O relé de toque é responsável por gerar o sinal de toque de campainha. A unidade de supervisão extrai/insere a informação de sinalização. O híbrido faz a conversão de /4 e 4/ fios. O codificador / descodificador é responsável pela conversão A/D e D/A. O relé de teste permite testar o lacete local e detectar possíveis falhas. Híbrido Descodificador Codificador Outras ILAs 64 kb/s 64 kb/s 30 Mux Mb/s João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 7

18 Etapas associadas à realização de uma chamada local As principais etapas são as seguintes: ) Estabelecimento de corrente DC na linha (sinal de apresar). ) O assinante que requereu o pedido de serviço é identificado e é atribuído a esse assinante uma área de memória (registo). 3) Depois de disponibilizar o registo, a central envia para o assinante chamador o sinal de linha. 4) O assinante marca os dígitos correspondentes ao endereço do destinatário. Assinante Chamador Central local Assinante chamado Sinal de apresar Sinal de linha Endereço 4 Identificação de assinante Atribuição de memória 3 Análise dos dígitos 5 5) O sistema de controlo analisa os dígitos e escolhe o circuito de saída apropriado para encaminhar a chamada. Se o circuito de saída estiver ocupado será enviado para o assinante o sinal de linha impedida. 6) Nesta fase são conhecidos os portos de entrada e de saída da matriz de comutação. Para estabelecer um caminho entre o porto de entrada e de saída da matriz de comutação o sistema de controlo deverá enviar para esta um sinal de controlo apropriado. 7) O sinal de chamada é enviado para o destinatário (toque de campainha) e o tom de chamada é enviado para o chamador. Tom de chamada Conversação Sinal de aclarar Estabelece o caminho 6 7 Desliga o sinal e o tom de chamada Supervisão 0 9 Desliga o equipamento Sinal de chamada Sinal de resposta 8 Sinal de aclarar inv. 8) O assinante chamado atende, levando ao estabelecimento de uma corrente DC. A conversação pode iniciar-se usando o circuito estabelecido através da matriz de comutação. João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 8

19 Comutação espacial As matrizes de comutação espacial eram usadas nas antigas centrais de comutação analógicas, como também são usadas nas modernas centrais digitais. São ainda usadas como malhas de interligação nos comutadores de alta velocidade (ATM). Matriz de comutação espacial: consiste numa matriz de pontos de cruzamento, designada por matriz de barras cruzadas. Para ligar N linhas de entrada a M linhas de saída requer NM pontos de cruzamento. Matriz de comutação espacial N M Entradas 3 Ponto de cruzamento 3 N N M Elemento de comutação 3 M M<N: concentrador M>N: expansor M=N: distribuidor N 3 M Saídas João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 9

20 Matriz espacial com um único andar Entradas 3 4 Esta matriz não apresenta bloqueio de interligação (conectividade total) A complexidade (número de pontos de cruzamento) aumenta com o quadrado da dimensão da matriz (N N): C()=N 5 3 Saídas 4 5 A eficiência (fracção de pontos de cruzamento activos) decresce inversamente com N: ε=n/c()=/n. Mapa das ligações Apresenta baixa fiabilidade (qualquer avaria num ponto de cruzamento implica que uma ligação não se pode efectuar) João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 0

21 Arquitecturas multi-andar É desejável encontrar arquitecturas alternativas que garantam conectividade total e ainda que: permitam caminhos alternativos na malha de comutação (para a aumentar fiabilidade) partilhem pontos de cruzamento entre as diversas ligações possíveis (para aumentar a eficiência) Para resolver essas limitações usam-se as arquitecturas multi-andar Cada andar é composto por sub-matrizes com conectividade total (sem bloqueio) Possibilidade dos diferentes andares serem realizados por diferentes tecnologias João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08)

22 Arquitecturas com dois andares As arquitecturas multiandar são baseadas em sub-matrizes sem bloqueio Só há uma ligação entre as submatrizes de andares diferentes 3 4 Bloqueio Devido ao número limitado de ligações, as arquitecturas com dois andares introduzem bloqueio de interligação Bloqueio ? 4? Fiabilidade reduzida João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08)

23 Análise da arquitectura com dois andares Só há uma ligação entre cada sub-matriz do andar de entrada e cada sub-matriz do andar de saída Para estruturas com dois andares, a complexidade é C()=k(n k)=nk =N /n (N: nº linhas de entrada e n: nº entradas da sub-matriz) Parâmetro adicional: nº total de ligações entre as sub-matrizes do º andar e do º andar (k =N /n ) Com esta arquitectura aumenta-se a eficiência k sub-matrizes no andar de entrada (e no andar de saída). Cada sub-matriz no andar de entrada tem n entradas N=n k João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 3

24 Matriz de comutação espacial com três andares Os problemas (bloqueio e baixa fiabilidade) da arquitectura de dois andares, resultantes de só ser possível estabelecer uma ligação entre as sub-matrizes de andares diferentes, podem ser ultrapassados usando arquitecturas com três ou mais andares. N linhas de entrada Matriz espacial com três andares NxN n k r s k n n k r s k n n k r s k n N linhas de saída r=s=n/n as N entradas e as N saídas são divididas em sub-grupos de dimensão n e existem k percursos de uma dada entrada para uma dada saída (um por cada submatriz do andar intermédio). #N/n #k #N/n N N N N Complexidade C(3) = ( n k) + k k N n n n = + n João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 4

25 Bloqueio de interligação Bloqueio de interligação nulo: é sempre possível estabelecer uma ligação entre uma entrada livre e uma saída livre, independentemente do estado da rede de interligação. Tipos de matrizes sem bloqueio: Em sentido estrito: é sempre possível ligar uma entrada livre a uma qualquer saída livre independentemente do conjunto de interligações já estabelecidas e do algoritmo de conexão. Em sentido lato: é possível ligar uma entrada livre a uma saída livre desde que se use um algoritmo adequado para estabelecer as ligações. Rearranjáveis: para ligar uma entrada livre a uma saída livre pode ser necessário rearranjar as interligações. João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 5

26 Teorema de Clos para redes com três andares Para demonstrar o teorema de Clos, suponha-se que se pretende realizar uma ligação entre uma entrada livre a e uma saída livre b. A pior situação é representada abaixo. As n- entradas da sub-matriz a que pertence a estão ocupadas e as n- saídas da sub-matriz a que pertence b também estão ocupadas. Além disso, estas (n-) ligações são realizadas através de sub-matrizes do andar intermédio diferentes. Assim, requer-se uma sub-matriz adicional no andar intermédio, o que perfaz um total de k=n- sub-matrizes intermédias. n- entradas ocupadas n- saídas do ºandar ocupadas º andar nxk º andar n- n 3º andar kxn b Teorema de Clos Indica o número mínimo de submatrizes do andar intermédio que garantem ausência de bloqueio de interligação em sentido estrito: k n- n- saídas ocupadas Saída livre Entrada livre a n- n- entradas no 3ºandar ocupadas É necessária uma sub-matriz adicional n- #k João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 6

27 Probabilidade de bloqueio de interligação Em muitas centrais de comutação telefónica não são requeridas redes de comutação sem bloqueio em sentido estrito Por exemplo, os concentradores são dimensionados para proporcionarem algum bloqueio na hora de ponta, tendo presente que os telefones residenciais só estão ocupados em cerca de 0% do na HMC. Porque não são económicas. O cálculo da probabilidade de bloqueio pode ser realizado usando o método de Lee Este método utiliza a teoria dos grafos para representar a matriz de comutação. O grafo é uma colecção de pontos designados por vértices (sub-matrizes) ligados por linhas designadas por arcos (caminhos entre sub-matrizes). João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 7

28 Representação de uma matriz espacial por um grafo Matriz 9x9, com n=3 e k=3 nxk Grafo da matriz Grafo de canal O grafo de canal representa só os caminhos O grafo da matriz representa as interligações entre usados para estabelecer uma ligação entre as sub-matrizes que são simbolizadas por pontos. uma entrada e uma determinada saída. João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 8

29 Probabilidade de bloqueio (caminhos alternativos) O método de Lee baseia-se na independência entre caminhos alternativos e na independência entre a ocupação de arcos da mesma ligação. Seja p i a probabilidade de ocupação do caminho i. A probabilidade de bloqueio de uma ligação constituída por n caminhos alternativos é dada por B = p p... p n B = n p p = p =... = pn = p João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 9

30 Probabilidade de bloqueio (caminhos em série) Seja p i a probabilidade de ocupação do arco i. A probabilidade de bloqueio de uma ligação constituída por n arcos em série é dada por B = ( p )( p )...( p n ) n B = ( p) p = p =... = p n = p João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 30

31 Análise do bloqueio em redes com três andares Considere-se uma rede com três andares, que é caracterizada por cada sub-matriz do º andar ter n entradas e k saídas (k<(n-)). A probabilidade de ocupação em cada andar é obtida dividindo o tráfego total oferecido pelo número de ligações presentes nesse andar. Grafo da rede com três andares Principais características k caminhos entre a entrada e a saída ligações (ramos) por caminho p p p p. k p p: probabilidade de ocupação da linha de entrada p : probabilidade de ocupação das ligações entre matrizes p n = p k João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 3

32 Bloqueio em redes com três andares Probabilidade de bloqueio para a rede com três andares B = Probabilidade dos k caminhos estarem ocupados ( ) = Probabilidade de um caminho qualquer estar ocupado ( ) = Probabilidade de que pelo menos uma ligação no caminho esteja ocupada = -Probabilidade de que nenhuma ligação no caminho esteja ocupada ( -p ) k k k k B= [ ( p ) ] = [ ( pn/ k) ] João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 3 k

33 Exemplo de probabilidade de bloqueio () Matriz de três andares com distribuição no primeiro andar Tráfego oferecido a cada linha de entrada, a = A a = p = p = a 000 Número de pontos de cruzamento C (3) =. 0 Tráfego oferecido à matriz, A Número de linhas de entrada, N 00 B= [ ( p) ] p B Virtualmente sem bloqueio João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 33

34 Exemplo de probabilidade de bloqueio () Matriz de três andares com concentração no primeiro andar Factor de concentração n β = k β = p B João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) p = 0 p = 0a Número de pontos de cruzamento ( ) ( ) C(3) = Quando p é pequeno podem usar-se concentradores para reduzir C(3) C(3) = B= [ ( 0 p) ] Nota: na rede local podem usar-se concentradores porque a varia entre 0.05 E e 0. E. Na rede de troncas, a varia entre 0.5 E e 0.7 E, pelo que não se deve utilizar concentração.

35 Comparação da complexidade de matrizes de três andares Uma ordem de grandeza Probabilidade de ocupação das linhas de entrada: 0. N C(3) = k N + n com k = n João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 35

36 Comutação digital telefónica A comutação digital também é conhecida por comutação por divisão no, porque neste tipo de comutação o circuito associado a uma conversação só é activado durante o intervalo de correspondente a essa conversação. Note-se que, neste método, antes da operação de comutação, os canais telefónicos são amostrados à frequência de 8 khz (o que origina um intervalo de amostragem de 5 μs), codificados com 8 bits e multiplexados para formar um sinal TDM. trama Comutador Espacial e trama Temporal N N O canal 3 (time-slot 3) da linha de entrada é comutado para o canal 3 (time-slot 3) da linha N de saída. A comutação tem lugar quer no domínio do espaço (linha para a linha N), quer no domínio do (do time-slot 3 para o time-slot 3). João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 36

37 Princípios da comutação ral A comutação ral consiste em transferir o conteúdo de um timeslot para outro time-slot. TS Trama # Trama # TS Trama # Trama # TS7 TS7 TS7 TS7 TS TS Tempo Tempo O conteúdo dos canais de entrada e saída do comutador mantém-se na mesma trama Atraso de 5 time-slots O conteúdo dos canais de entrada e saída do comutador é atrasado até à trama seguinte Se a via de entrada é um E, 3 canais (time-slots), o atraso introduzido é (3-7)+ = 7 time-slots O atraso introduzido pode ir de zero até à duração de uma trama menos um time-slot João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 37

38 Implementação da comutação ral A comutação ral é implementada usando um dispositivo designado por (Time- Slot Interchange). Exemplifica-se em seguida a utilização de um para realizar o intercâmbio de time-slots entre tramas de entrada e tramas de saída. Entrada do Saída do Trama# Trama# A B C D E A B C D E A Implementação (escrita sequencial e leitura aleatória) A B C D E Escrita sequencial controlada pelo contador Contador C B Endereço da célula Escrita pelo sistema de controlo da central A B C D E E Conteúdo da célula João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 38 D A Memória de dados C B E D A C B Leitura aleatória controlada pela memória de endereços Memória de endereços... Padrão de ligações Alocação do de escrita (E) e leitura (L) Trama TS# E L TS# E L TS# 3 E L TS# 4 E L TS# 5 E L...

39 Dimensão das memórias do (escrita sequencial e leitura aleatória) Trama Trama A TS# TS#w G Escrita sequencial controlada pelo contador Contador... w Endereço da célula A G Conteúdo da célula Endereço da célula Memória de dados Para uma trama da via TDM de entrada com w time-slots, e saída com w timeslots, cada um com b bits, Dimensão da memória de dados (w células de b bits cada): b w bits Dimensão da memória de endereços (w células de log w bits cada): w log w bits.. w w... TS# TS#w G A Leitura aleatória controlada pela memória de endereços Memória de endereços Conteúdo da célula Padrão de ligações w. w João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 39

40 Dimensão máxima do sistema de comutação ral A dimensão do sistema de comutação ral é limitada pelo de acesso à memória. Para uma trama da via TDM (de entrada e saída) com w time-slots, cada um com b bits, e em que o débito binário por canal é D b Débito binário do sinal TDM: w D b bit/s Duração de cada time-slot: b/(w D b ) Em cada time-slot dão-se dois acessos à memória (uma operação de escrita e outra de leitura) o de acesso deve verificar t a b / (w D b ) b = 8 bits w D b = 64 kbit/s t a (s) João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 40

41 Comutador de intercâmbio de time-slots Exemplo de aplicação de um comutador de intercâmbio de time-slots (): 0 H H DMUX & D/A Trama Durante cada time-slot tem lugar uma operação de escrita e uma operação de leitura o de acesso à memória é dado por t a 5μs/(w), onde w éo número de canais por trama 99 H A/D & MUX Trama 0 99 Endereço de escrita Contador de time-slots As amostras dos diferentes canais (conteúdo dos time-slots) são escritas sequencialmente na memória de dados (com capacidade para 00 octetos). Os endereços de escrita são gerados por um contador de time slots. A memória de dados é lida segundo a ordem determinada pelo conteúdo da memória de endereços (ou de controlo). No exemplo apresentado, para ligar as linhas telefónicas a 99, a posição de memória de endereços nº é programada com o número 99 e a posição 99 com o. João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 4 99 Endereço de leitura 0 99 Memória de dados Memória de endereços

42 Estrutura básica de um Estrutura básica de um de 3 canais (w=3) com escrita sequencial e leitura aleatória Controla a leitura da memória de endereços e a escrita da memória de dados Relógio.048 Mbit/s S/P 3 canais 8 khz / canal = 56 khz Do sistema de controlo da central Contador Endereço de leitura 5 bits 8 bits 8 bits Endereços 5 bits Endereço de escrita 5 bits Memória de dados 3x8 Selector Memória de endereços 3x5 Selector E/L E/L P/S Endereço de leitura 5 bits Endereço de escrita TS# TS# TS#w E L E L E L Selecciona a operação de escrita ou leitura A memória de dados e a memória de endereços são implementadas usando RAMs. Cada RAM tem uma entrada, uma saída, um porto de endereços, um porto de comando de escrita / leitura e uma entrada de relógio. João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 4

43 Comutador digital espacial Um comutador digital espacial pode ser visto como uma matriz de pontos de cruzamento cuja configuração (estado dos pontos de cruzamento) pode ser alterada de time-slot para time-slot. Esses pontos de cruzamento são implementados usando portas lógicas rápidas, as quais são controladas por memórias (memórias de conexão). m O comutador compreende uma matriz nxm e um conjunto de memórias de conexão. As n linhas de entrada transportam vias TDM com w time-slots, enquanto que as m linhas de saída transportam também vias TDM com w time-slots. n Os pontos de cruzamento em cada uma das m colunas são controlados por uma memória de conexão com capacidade para armazenar um número de palavras igual ao número de time-slots w. A cada ponto de cruzamento de uma coluna é atribuído um endereço binário único. Descodificador de endereços Memórias de conexão w w w A dimensão das palavras da memória de endereços deverá ser suficiente para armazenar um endereço binário para cada um dos n pontos de cruzamento de cada coluna, mais um endereço para manter todos os pontos desactivados. São necessários n+ endereços, cada um identificado por um número binário de log (n+) bits. João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 43

44 Comutação digital espacial (exemplo) Exemplifica-se na figura abaixo a utilização de um comutador espacial para implementar um determinado padrão de ligações. Sinais TDM de entrada com w time-slots w 7 3 w 3 w Endereço do ponto de cruzamento Descodificador de endereços Padrão de ligações /TS /TS /TS /TS 7/TS 7/TS 7/TS /TS /TS /TS /TS 7/TS /TS3 /TS3 7/TS3 /TS3 /TS3 7/TS Memórias de conexão w w w João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 44

45 Arquitecturas de comutação digital Os comutadores digitais podem ser baseados na matriz espacial digital (andar S), ou no (andar T), ou ainda na combinação de ambos. Os andares S não podem comutar time-slots o que reduz a sua aptidão para interligar quaisquer dois assinantes. Por sua vez, a dimensão dos comutadores digitais baseadas em andares T é limitada pelo de acesso às memórias. Assim, usa-se, normalmente combinações de andares S e T. As arquitecturas com andares introduzem bloqueio. Para ultrapassar o problema do bloqueio é necessário recorrer a arquitecturas com, pelo menos, 3 andares (Ex: TST ou STS). Arquitectura TS Arquitectura TST Comutador 8 0 Comutador Espacial 5 Espacial 5 N NxN 5 N N NxN 0 5 N Bloqueio: conflito entre dois time-slots 5 Ligações exemplificadas [,] [N,5] [,8] [,5] João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 45

46 Arquitectura STS As arquitecturas de comutação digital usadas normalmente utilizam três andares. A arquitectura STS usa um andar S (comutador digital espacial), seguido de um andar T (comutador de intercâmbio de time-slots) e termina com um andar S. Trama Trama Trama Trama TS# TS#w TS# TS#w TS# TS#w TS# TS#w Factor de concentração: N / k 8 Comutador Espacial 5 Comutador Espacial Ligações exemplificadas [,] [N,5] N N x k k x N [,8] [,5] w time-slots João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 46 k 5 N

47 Arquitectura TST A arquitectura TST usa um andar T (), seguido de um andar S (comutador espacial) e termina com um andar T. TS# Trama TS#w TS# Trama TS#l TS# Trama TS#l TS# Trama TS#w 8 0 Comutador Factor de concentração: w / l Espacial N x N 5 Ligações exemplificadas [,] [N,5] [,8] [,5] N w: # time-slots externos l: # time-slots internos João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) N

48 Interligações numa matriz de comutação TST Pretende-se estabelecer a interligação: A/TS0 C/TS45 A MD-A Memória de dados Memória de endereços Para realizar este tipo de interligações o sistema de controlo escolhe um timeslot livre na matriz espacial. Neste caso o time-slot considerado é o 4. A 0 0 ME-A 4 4 MD-C C MD-A ME-C ME-A Escrita sequencial - Leitura aleatória No time-slot 4 é lido o conteúdo da célula de memória de dados com endereço 0. Matriz espacial digital 4 MC-B MC-B3 Escrita aleatória - Leitura sequencial No time-slot 4 é escrita a célula da memória de dados com endereço 45. Memória de conexão MC-B No time-slot 4 é activado o ponto de cruzamento com endereço. João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 48

49 Interligações numa matriz de comutação STS Pretende-se estabelecer a interligação: A/TS0 C/TS45 A A A3 0 Matriz espacial de entrada B MD-B Memória de dados Memória de endereços Matriz espacial de saída 45 C C C3 B 0 ME-B B3 MD-B ME-B3 Memórias de conexão MC-A MC-A 3 0 Escrita sequencial - Leitura aleatória 45 3 MC-C MC-C3 MC-A3 No time-slot 0 é activado o ponto de cruzamento com endereço 3 da entrada A No time-slot 45 é lida a célula da memória de dados com endereço 0 Memória de conexão MC-C No time-slot 45 é activado o ponto de cruzamento nº3 da saída C João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 49

50 Equivalentes espaciais analógicos - - Descrevem, em termos de matriz de comutação espacial analógica, as estruturas de comutação digital. Úteis na compreensão do funcionamento dos comutadores digitais e na determinação da sua probabilidade de bloqueio. Trama Trama TS# TS#w TS# TS#l w l w l João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 50

51 Equivalente espacial analógico - comutador digital espacial - Trama Trama TS# TS#l TS# TS#l TS# N N Comutador Digital TS# N N Espacial N N x N N TS#l N N João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 5

52 TS# Trama TS#w Equivalente espacial analógico - arquitectura STS - TS# Comutador Trama TS#w Trama TS# TS#w Comutador TS# Trama TS#w Espacial Espacial N N x k k k x N N Grafo de canal TS# N k TS# N k # w w # w w TS# k N TS# k N p p p p. k p N = p k k B= [ ( p ) ] p TS#w #k TS#w B= [ ( pn/ k) ] k N k w w k N Teorema de Clos: k N- João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 5

53 TS# Trama TS#w Equivalente espacial analógico - arquitectura TST - TS# Trama TS#l Trama TS# Comutador TS#l TS# Trama TS#w Espacial N # w l N x N TS# N x N # l w N p Grafo de canal p p p. l p # TS# w l #N w l N x N TS#l N x N Teorema de Clos: l w- João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) w: # time-slots externos 53 l: # time-slots internos # l w #N l w p w= p l l B= [ ( p ) ] B = [ ( pw/ l) ] l

54 Exemplos de centrais digitais Fabricante Designação Ano de Introdução Aplicação Número de linhas Toll = Inter-urbano ESS = Electronic Switching System As dimensões do comutador digital espacial aumentam EAX = Electronic Automated exchange com o quadrado do número de linhas de entrada / saída as matrizes espaciais são implementadas em vários andares estruturas TSSST (EWSD) ou TSSSST (4 ESS) João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 54

55 Central de comutação EWSD Principais sub-sistemas: CP (call processor) CCNC (common channel network control) DLU (digital line unit) SN (switching network) DLU Unidade de assinante e concentração SN Bloco do grupo de comutação CP03: máximo de 000 call attempts na HMC CP: máximo de call attempts na HMC CP3D: máximo de 0 6 call attempts na HMC CP3C: máximo de call attempts na HMC CP3E: máximo de call attempts na HMC Estrutura da SN TSSST Capacidade Erlang Espaço requerido com linhas: 35 m João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 55

56 Estrutura simplificada da rede Central de Trânsito Rede telefónica Central de Comutação Digital Filtro Repartidor principal Filtro ADM Rede de transporte ADM ATM DSLAM R P Par simétrico Modem xdsl ADM ADM Central (ou estação) Local ATM ISP Internet Comutador ATM Router IP Internet Service Provider João Pires e Adolfo Cartaxo Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08) 56