REDES DE COMPUTADORES E A CAMADA FÍSICA

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2 CENTRO FEDERAL DE ENSINO TECNOLÓGICO DE SANTA CATARINA UNIDADE DE SÃO JOSÉ NÚCLEO DE TELECOMUNICAÇÕES REDES DE COMPUTADORES E A CAMADA FÍSICA CAPÍTULO 1 MODENS DIGITAIS Prof. Msc. Jorge H. B. Casagrande novembro 28

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4 SUMÁRIO Modem Digital Introdução Modens digitais para uso em Linhas Privativas Simplex Classificação dos Códigos em Banda Básica Códigos mais utilizados Comparativos de Espectro dos códigos para comunicação Simplex Arquitetura Interna de um Modem Digital Desempenho de um Modem Digital Tecnologia xdsl Os vários tipos de DSL DMT CAP Comparativos de Espectro dos códigos para xdsl Os limites de taxas em xdsl Exemplo de tecnlogia xdsl: o ADSL DSLAM

5 1 Modem Digital 1.1 Introdução Os modens digitais são também conhecidos como modens BANDA BASE ou DATASET s. Estes equipamentos não realizam uma modulação propriamente dita mas sim uma codificação do sinal digital com fins de adequá-lo a uma linha de transmissão e transportar o sinal de sincronismo necessário a comunicação síncrona. Banda Base portanto, significa que a BANDA de freqüência do sinal gerado na codificação que é lançado para a linha é BASE de sua taxa de transmissão. Isto quer dizer que o modem digital gera para o link de comunicação um sinal com espectro de freqüência variável digital em função do sinal de dados da interface digital. Isso implica dizer que é necessário possuir uma linha de transmissão sem qualquer limitação de faixa de freqüências. Ou seja, é necessário possuir um meio de transmissão sem interrupção de seu trecho com qualquer outro dispositivo. Isso implica que os modens banda-base só podem ser utilizados em linha privativa fim a fim. Estes modens podem usar técnicas de codificação, modulação ou mistos destas para alcançar o objetivo maior que é a transmissão na maior distância e taxas possíveis. Como vimos no capítulo 4, quanto maior o espectro do sinal em um meio de comunicação maior a atenuação que este meio irá proporcionar e portanto menor o alcance. Conclui-se então, que reduzir as componentes espectrais do sinal lançado ao meio de transmissão passa a ser o principal objetivo na concepção destes tipos de modens. Para taxas de transmissão baixas (menores que 512Kbps usando 4 fios 2 para transmitir e 2 para receber) códigos simples de implementação como o HDB3 são ideais. Quando se requer comunicação à 2 fios, como é o caso do par de fios de assinante, técnicas sofisticadas de modulação e cancelamento de eco são necessárias para alcançar taxas mais elevadas. É o caso da tecnologia xdsl que veremos adiante. Em baixas taxas com códigos singelos ou em altas taxas com técnicas complexas, se o espectro de freqüências gerado é de alguma forma proporcional a sua taxa de transmissão, estamos tratando de modens digitais. 1.2 Modens digitais para uso em Linhas Privativas Simplex Para aplicação à 4 fios no meio de transmissão, um par de fios é destinado para a transmissão do fluxo de dados codificado da origem para o destino e outro par para a recepção no sentido contrário com os circuitos internos isolados da transmissão. Isso os torna equipamentos mais simples e portanto mais baratos pois há a liberdade do uso do espectro de freqüências em um único sentido (simplex). Um bom código resolve a conversão dos sinais de dados em sinal digital transmitido. 3

6 Muitos tipos surgiram para se adequar as melhores características possíveis de relação custo-benefício. Em geral na análise e escolha de códigos para um modem digital deve-se observar: transparência, no sentido de não colocar restrições a passagem de uma mensagem; decodificação única; espectro de energia favorável (incluindo nível DC próximo a zero); auxílio na extração do sinal do relógio (no caso das transmissões síncronas). Sinal Digital (em geral NRZ da RS232) Sinal Digital Codificado para a transmissão na linha de comunicação (4 fios) DTE Modem Digital Modem Digital DTE Os sinais digitais, mesmo codificados, apresentam um amplo espectro de freqüência (muito maior que o analógico) e portanto sofrem restrições do meio de comunicação o que limita sua utilização para linhas de alguns poucos quilômetros e com boa qualidade. Entretanto, como o sinal digital pode ser regenerado sem que o ruído seja conjuntamente amplificado (esta é uma das maiores vantagens em relação a transmissão analógica), pode-se construir regeneradores em pontos estratégicos das linhas multiplicando a distância de comunicação. As Linhas Privativas que veremos no capítulo 11 utilizam em sua maioria modens digitais com ou sem regeneração. Interface analógica (linha privativa) Cabo cross-over DTE Modem Digital Modem Digital Modem Digital Modem Digital DTE Interface digital (cabo 1:1) regeneradores Central telefônica (em geral) 4

7 1.2.1 Classificação dos Códigos em Banda Básica Quanto aos níveis Família NRZ (Non-Return to Zero) : os bits que transportam informação neste código ocupam o intervalo de um bit (período do relógio); Família RZ (Return to Zero) : os bits que transportam a informação ocupam metade de um intervalo de bit Codificação em fase: se utiliza da transição de nível do sinal para transmitir bits de informação e sincronismos de relógio. Multinível Binário: utilizam vários níveis de sinal (ex: códigos bipolares). Quanto a polaridade Unipolar: (+,) ou (,-) Polar : (+,-) Bipolar: (+,, -) O sinal ON-OFF é o mais comum para uso interno nos equipamentos (ex: +5 e V). Este sinal é interessante para caminhos curtos e com boa isolação, sendo no entanto desapropriado para longos caminhos, principalmente porque possui um nível DC elevado e insuficiência de transições para a recuperação de um relógio no caso da transmissão síncrona Códigos mais utilizados Código Polar NRZ Este código é um dos mais simples (utilizado na RS232C) e permite eliminar acentuadamente a componente DC do sinal transmitido. 5

8 V -V Codificação AMI ("Alternate Mark Inversion") Este código também é conhecido como bipolar simples e segue a seguinte regra: o bit é codificado em um nível (espaço). o bit 1 é codificado alternadamente com níveis positivo e negativo (marcas). O AMI ocupa a metade de um intervalo de bit o que corresponde a família RZ. Este código não possui componente contínua porém não tem condições de transportar o sinal de sincronismo quando existe uma longa seqüência de zeros a ser transmitida V V -V Codificação Miller No código Miller, o bit 1 é codificado em transições no centro do intervalo do bit enquanto o bit é codificado através de transições no final do bit, salvo quando este bit é seguido pelo bit 1 quando então não haverá transições V V -V 6

9 Codificação HDB-3 ("High Density Bipolar") Este código é similar ao AMI, porém, com fins de transportar o sinal de sincronismo, utiliza-se de violações na codificação AMI quando da ocorrência de 4 zeros seguidos. A regra de formação é a seguinte: um conjunto de 4 zeros seguidos é substituído por V ou por MV, onde M significa uma marca (positiva ou negativa, dependendo da situação) e V uma violação ao código. A polaridade de M ou V depende do último pulso apresentado. O primeiro bit será se o pulso anterior não for uma violação e se tiver polaridade oposta à polaridade da violação precedente. Se o pulso precedente for uma violação ou se tiver polaridade idêntica da violação precedente o primeiro bit será M. Em síntese o algoritmo a ser usado é o seguinte, no caso de ser encontrado 4 zeros seguidos: SE último pulso for V(violação) OR SE pulso anterior tem polaridade igual a V anterior ENTÃO Aplicar MV SENÃO Aplicar V Exemplo: 1 1 Última V- +M +V -M -V Última V + -V +M -V A grande vantagem do uso do HDB-3 em relação ao código AMI é que o nível DC é extremamente reduzido e o número de transições mais elevado garante a recuperação do relógio. 7

10 Na Decodificação, o receptor, ao detectar dois pulsos de mesma polaridade, verifica o espaçamento entre eles. Se o espaçamento é de três períodos de relógio implica em que na seqüência recebida o último pulso é uma violação e este é substituído por um bit. Se o espaçamento possui dois períodos de relógio, implica que os dois são violações e ambos são substituídos por bit s. Quando não houver a situação de pulsos de mesma polaridade na seqüência, faz-se a decodificação AMI normal. Codificação Manchester ou Difase Esta codificação tem sido consideravelmente aceita devido ao fato de proporcionar uma forte informação de sincronismo (uma transição para cada bit, seja zero ou um). O processo de codificação é o seguinte: o sinal de sincronismo é transmitido em duas fases: grau (para o bit ) e 18 graus (para o bit 1). O sinal de sincronismo com a fase apropriada é colocado no início de cada bit, desta forma temse uma transição positiva no meio do bit 1 e uma transição negativa no meio do bit Uma variação deste código é o Difase Diferencial, onde a fase para cada bit é aplicada em relação ao bit imediatamente anterior Em tempo... Resolva: 1.O que significa transmissão em banda base? 2. Uma placa de rede 1BaseT no padrão ethernet que usa o código Manchester é um modem digital? Justifique! 8

11 3.Para o seguinte sinal ON-OFF (de dados) realize a codificação em Polar NRZ, Miller, AMI, HDB-3 e Manchester (normal e diferencial) Outros exemplos de códigos para modens digitais Alguns outros códigos são utilizados em transmissão digital. Outros conhecidos são B8ZS - Cada 8 bits com é codificado como +--+ se o pulso precedente é +. Se o pulso precedente é - então a codificação é B1Q - A cada dois bits diferentes (4 possibilidades) é aplicado um símbolo de modulação. 5B6T Cinco binários e Seis ternários, utilizados em ethernet 1BaseT, entre outros Comparativos de Espectro dos códigos para comunicação Simplex Como já foi citado anteriormente, umas das desvantagens da transmissão digital é a necessidade de uma faixa de freqüência maior do que uma transmissão analógica. Entretanto, as diversas codificações digitais proporcionam uma melhoria no espectro do sinal como se pode verificar na figura abaixo. Observa-se que os 3 melhores espectros em ordem de performance são: O 4B3T, Miller e HDB3. Por questões de custo e implementação de circuitos menos complexos para a recepção e decodificação destes códigos, o mais difundido atualmente para aplicação em links de modens digitais é o HDB3. Ele também é o padrão para interfaces digitais G.73. 9

12 1.2.4 Arquitetura Interna de um Modem Digital O diagrama em bloco mostrado a seguir reflete a arquitetura interna básica de um modem digital tomando como base um tradicional para operação em 4 fios (simplex). Apesar da complexidade maior de modens digitais para operação à 2 fios este simples diagrama de blocos tem a tarefa de mostrar os principais blocos envolvidos comparando-os com os do modem analógico no capítulo anterior. Entre os circuitos interno do modem e o DTE tem-se a interface digital desempenhando sua função. No caminho da transmissão dos dados do DTE para a linha o Codificador permite a codificação do sinal de dados em um dos códigos estudados (o mais utilizado é o HDB3). Esta codificação é realizada em um compasso dado pela seleção de um dos relógios de referência: Interno, externo ou regenerado. O relógio Interno é originado por um circuito oscilador (geralmente à cristal) que passa por divisões sucessivas no estágio de geração de relógio gerando assim a base de tempo de acordo com a taxa de transmissão utilizada. O relógio externo é oriundo do próprio DTE e o regenerado originado do relógio extraído dos dados recebidos. Estas opções são necessárias pois em uma comunicação síncrona, só deve existir uma única fonte de relógio para sincronizar todo o sistema de comunicação. Após codificado o sinal é amplificado e equalizado para ser enviado a linha dentro dos padrões exigidos pelas normas. No caminho do sinal da linha para o modem, o sinal é novamente equalizado e regenerado (amplificado) para ser recuperado adequadamente para o circuito decodificador. O circuito de detecção de portadora envia a presença do sinal do modem remoto ao DTE. Tanto na transmissão quanto na recepção os sinais são entregues a interface analógica desacopladas com um transformador que realiza também a função de casamento de impedâncias entre linha e modem. O estágio regenerador de sinal entrega as transições do sinal recuperado para o circuito recuperador de relógio onde este se encarrega de, a partir do oscilador interno, gerar um relógio ( relógio regenerado) em fase com as transições recuperadas. O Decodificador então, utilizando esta base de tempo decodifica o sinal entregando-o juntamente com o relógio de referência (RXCK - CT115) ao computador local. O circuito de Retardo entre RTS e CTS é utilizado geralmente nas situações de comunicação semi-duplex. Os sinais DTR e DSR podem ser utilizados em situações especiais, mas em geral são mais raros. Existem também modens que realizam comunicação duplex ou semi-duplex à dois fios, neste caso, temos um bloco adicional junto a interface analógica chamada de híbrida, que realiza a separação do sinal que entra e sai do modem. Nestes tipos de modens utilizam-se técnicas avançadas de cancelamento de eco para identificar o sinal recebido. No entanto, a arquitetura interna dos circuitos segue o esboço apresentado. 1

13 TD TC TXC E RTS CTS RC RD DCD I N T E R F A C E D I G I T A L RETARDO CODIFICADOR DECODIFICADOR EXT. SELEÇÃO SINC. REG. RECUPERADOR DE RELÓGIO REGENERADOR DETECTOR DE PORTADORA EQUALIZADOR INT. GERADOR DE RELÓGIO OSCILADOR AMPLIF. EQUALIZADOR H Í B R I D A 2 4 I N T E R F. A N A L Ó G I C A TX RX Desempenho de um Modem Digital O desempenho de um MODEM digital pode ser medido em termos da distância que ele pode operar, sob determinada velocidade e com taxas de erro bem definidas (abaixo de um limite máximo). Como o modem digital possui uma largura de espectro em função de sua taxa de transmissão, o desempenho em relação a distância é menor, a medida que aumenta a taxa de transmissão. A taxa de erro é medida em termos de número de erros por bits transmitidos. Esta medida realizada normalmente em ppm (partes por milhão), como exemplo, 3 ppm indica 3 erros em um milhão. A seguir é mostrado um exemplo de desempenho de um modem para 19.2bps com código HDB3. A tabela foi retirada do manual de um modem bandabase do fabricante PARKS UP1922SB. Para fio de 26 AWG e taxa de erro de 5ppm a Telebrás determina os seguintes alcances: Velocidade Alcance [Km] ,4 11

14 Como normalmente o par 26 AWG introduz as maiores distorções de amplitude quando comparado aos 22 e 24 AWG, deve-se esperar que para estes diâmetros se atinja maiores distâncias. A taxa de erros também influencia diretamente na distância máxima. Quanto maior for a taxa de erro permitida maior será a distância alcançada. Deve-se portanto, quando se realizar comparações entre modens banda-base, certificar-se de que esta seja realizada sob mesmas condições de taxa limite de erros e de bitola de par trançado. 1.3 Tecnologia xdsl Limitar-se a comunicações simplex à 4 fios certamente estaria longe dos limites que se pretendia. O desafio passou a ser a busca por códigos ou técnicas que multiplicassem o alcance e taxas de velocidade especialmente em aplicações à 2 fios FULL-DUPLEX. Quando se dominou a técnica de cancelamento de eco a partir da norma V.32 dos modens analógicos, muita energia foi destinada para se conseguir a mesma façanha em espectros mais largos. Já que não se tem limites para o espectro em um par de fios que parte do usuário até uma operadora mais próxima, as técnicas de multiplexação em freqüência também não foram economizadas e um misto de padrões alcançou o sucesso tão almejado. As técnicas que se destacaram nesta evolução em ordem de importância foram a DMT, CAP e 2B1Q. Foram estas técnicas que desdobraram uma série de aplicações para a linha de assinante, em especial a DMT e CAP, já que a 2B1Q continuou sendo um código de tecnologia de banda base limitado a aplicação à 4 fios e que ainda transmite em freqüências que incluem Hz (sinal DC). A DSL (digital subscriber line) ou linha digital de assinante é uma tecnologia de transmissão que pode ser usada para suportar uma ampla variedade de serviços. Tenta eliminar o gargalo existente na última milha, que conecta o usuário ao provedor de serviços. Permite o uso de recursos existentes, como a rede de fios de cobre e os protocolos dos níveis 2 e 3 Frame Relay, ATM ou IP. DSL já foi bastante testada e é oferecida em uma grande quantidade países. Usando o sistema telefônico atual o loop local da rede telefônica, a tecnologia DSL oferece acesso a altas velocidades de transmissão e reduz a carga sobre a rede telefônica pública. A tecnologia DSL oferece um sistema conveniente para satisfazer a exigência de largura de banda e propicia a criação de novos serviços de rede sem grandes investimentos de capital. As companhias de telecomunicação viram no DSL uma oportunidade para alavancar a demanda por parte do consumidor de um acesso mais rápido. Por isso o x de tecnologia xdsl passou a ser o coringa de uma série de versões comerciais para DSL, como ADSL, HDSL, SHDSL e outras. Esta tecnologia foi projetada inicialmente para suportar aplicações de vídeo sob demanda (VoD) e TV interativa sobre o par trançado telefônico. A tecnologia DSL foi concebida como uma reação das companhias telefônicas aos serviços de 12

15 transmissão de dados por cabos de alta capacidade (fibras ópticas e cabos coaxiais). Quando estes mostraram-se muito caros para uma expansão em larga escala, o interesse sobre DSL aumentou muito. Outro fator que impulsionou o seu crescimento foi a reforma das telecomunicações ocorrida nos Estados Unidos em Companhias telefônicas locais e de longa distância (ILEC, IXC, ISP, CLEC), companhias de TV a cabo e satélite DTH e emissoras de rádio e TV passaram a competir entre si. As redes telefônicas atualmente instaladas representam um imenso capital investido. Esta estrutura, projetada inicialmente para serviços de voz, sofreu modificações e atualizações em sua infra-estrutura ao longo dos anos, a fim de aproveitar os avanços tecnológicos nas técnicas de transmissão e comutação. Em particular, instalações baseadas em fibra óptica existem na maioria das redes telefônicas ao redor do mundo. O uso de fibra óptica aprimorou a qualidade dos serviços, aumentou a capacidade de tráfego suportado pelo backbone e reduziu os custos operacionais. Como resultado, uma grande quantidade de serviços está disponível atualmente para uso das centrais telefônicas. Entretanto, a situação é bem diferente quando se observa o loop local. O usuário final está conectado a um armário de distribuição telefônica pelo par trançado de fios de cobre. Este armário concentra todos os loops locais e os conecta com uma central telefônica. A infra-estrutura existente de fios de cobre, foi projetada para o transporte de voz. Entretanto, a rede telefônica existente não é especializada no tráfego de dados a altas velocidades. À medida que foram deixadas para trás as tecnologias de transmissão analógica de baixas velocidades e são estudadas as tecnologias de conexões digitais de alta velocidade, notam-se grandes mudanças na topologia das centrais telefônicas. Enquanto que o tráfego de dados analógicos passa pelo comutador da rede telefônica (capacidade de discagem de âmbito mundial) o tráfego de dados digitais de alta velocidade é desviado do comutador (switch), pois este não suporta este tipo de dados. Os serviços de tráfego de dados de altas velocidades, no entanto, são configurados como uma rede dedicada, contornando o comutador. A partir daí, estes dados são concentrados em outros nós de redes privativas das operadoras e conduzidos por ela nas interconexões das centrais telefônicas Os vários tipos de DSL Existem vários tipos de tecnologias DSL para serem escolhidas. A seleção de uma delas depende de múltiplos fatores: tipo de serviços oferecidos; topologia dominante da rede já existente; planos para o surgimento de novos serviços no futuro. Justamente por esta variedade de tipos, costuma-se empregar o acrônimo xdsl, onde o x substitui uma ou mais letras. Basicamente, existem dois tipos de DSL: simétrico e assimétrico. Os tipos simétricos transmitem os dados na mesma velocidade nos dois sentidos (usuário > 13

16 provedor e provedor > usuário). Os tipos assimétricos transmitem os dados do usuário a uma velocidade maior do que os dados recebidos por este. Cada uma destas divisões apresenta diferentes tecnologias, conhecidas pelos seus acrônimos ADSL, RADSL, SDSL, HDSL, IDSL, MSDSL, UDSL, VDSL e MVLDSL. Cada uma destas tecnologias oferece taxas diferentes de transmissão e recepção, bem como características próprias, que incluem número de pares de fios empregados e distâncias máximas de transmissão. Os usuários domésticos, que desejam usufruir da alta largura de banda para o acesso à Internet, são melhores servidos pelos serviços assimétricos, pois a própria natureza desse tráfego é assimétrica. Usuários corporativos, como filiais de empresas e provedores de conteúdo devem usar os serviços simétricos, a fim de substituir as linhas privativas utilizadas atualmente. A tecnologia xdsl define um série de modelos para as mais diversas aplicações taxas em bps, alcances, tipos de interfaces digitais e quantidade de Linhas Privativas possíveis de uso. Em qualquer destas tecnologias é necessário o par origem destino da comunicação de modo que seja possível a realização do handshake para sincronização e estabelecimento de padrão comum. Em geral estes modens digitais são designados em sua configuração como: LTU/NTU Line/Network Termination Unit Unidade de Terminação de Linha/Rede CSU/DSU Channel/Data Service Unit - Unidade de Serviço de Canal/Dados ATU-R, ATU-C ADSL Termination Unit Remote/Central No caso de algumas teconologias como a HDSL, SHDSL, MSDSL os modens também podem ser do tipo UTU Universal Termination Unit, pois permite ser configurado tanto como LTU quanto NTU. Os modens do tipo LTU podem embarcar como hardware adicional, a opção de Tele-alimentação. Este é um recurso importante pois permite que o modem que está no lado da Central Telefônica, alimentado 1% do tempo, utilize a própria linha do assinante para o transporte de uma alimentação de 115VDC (baixa corrente) em cada par de fios para alimentar as unidades remotas (NTU) ou mesmo os regeneradores se existirem no meio do caminho. Isso garante para a operadora que o serviço ora contratado com o cliente estará sempre ativo mesmo na falta de energia em suas instalações. As LTUs (ou CSUs) também acumulam características importantes como a gerência de sua configuração e do modem remoto em tempo real. Estes são atrativos que revelam a vitalidade de um circuito de altas taxas que não pode deixar de operar por pequenos fatores externos já que deve fazer parte de um serviço essencial prestado pela operadora. 14

17 1.3.2 DMT Descreve uma versão de modulação multiportadora na qual os dados de chegada são coletados e distribuídos sobre um grande número de portadoras individuais, chamadas bins. A DMT cria estes canais usando uma técnica digital chamada Discrete Fast-Fourier Transform. A DMT aloca estes 256 subcanais com largura de banda de 4 khz e modula um sinal separado em cada um deles, a fim de diminuir estatisticamente as perdas com ruído. Os sinais também são codificados usando-se QAM. A DMT testa a qualidade da linha na inicialização para determinar a capacidade de transmissão de cada subcanal. Os dados que chegam são desmembrados e distribuídos por estes subcanais. Para contornar o problema do ruído, a maior parte da informação está contida nas freqüências mais baixas. DMT é a base do novo padrão ANSI T1.413 edição 2. Em fevereiro de 1998 foi também adotado pelo ITU. A principal vantagem da DMT é a alta tolerância a ruídos na linha e a capacidade de adaptar-se às condições desta. Apesar dos produtos fabricados seguirem uma padronização, a sinalização varia de fabricante para fabricante, gerando novamente problemas de comunicação entre equipamentos de marcas diferentes. Ao longo do tempo os problemas de interoperabilidade vem sendo resolvidos. A DMT consegue melhores resultados que a tecnologia antecessora CAP, transmitindo na mesma velocidade através de distâncias maiores tipicamente 6 km CAP O padrão DMT substituiu esta técnica que foi implementada anteriormente, chamada CAP (Carrierless Amplitude and Phase). O seu principal problema foi a falta de padronização, que gerou implementações CAP proprietárias que não se comunicam umas com as outras. A CAP não é padronizada, pois nunca foi sancionada pelo ITU, pelo ANSI ou pelo ETSI. No entanto, continua muito utilizada em operações a velocidades de até 7,1 Mbit/s. A idéia é inteligente: com QAM, dois sinais independentes são usados para modular duas portadoras com freqüências iguais, mas com amplitudes e fases diferentes. Os receptores QAM conseguem discernir quando se deve usar mais ou menos estados (constelações de pontos) para superar ruído e interferências. A CAP armazena partes do sinal modulado em memória e reconstrói estas partes na onda modulada. O sinal da portadora é suprimido antes da transmissão, pois não contém informação, e é remontada no modem receptor daí o nome carrierless. Na inicialização, CAP testa a qualidade da linha de acesso e implementa a versão de QAM mais eficiente. A CAP é mais simples, de custo de implementação menor, necessita de menos potência e dissipa menos calor relevante quando os equipamentos são colocados todos juntos no mesmo local físico, mas atinge distâncias menores o sinal sofre grande degradação a partir de 3,5 km. 15

18 1.3.4 Comparativos de Espectro dos códigos para xdsl Os espectros abaixo comparam a mesma taxa de dados de 1,544Mbs sendo transmitidas em códigos AMI (Bipolar=HDB3), 2B1Q e CAP em uma única transmissão (simplex). Observe que o CAP utiliza uma fração bem menor do espectro e que portanto é a melhor opção em termos de desempenho. Sem contar que ainda é possível utilizar a porção inferior do espectro para multiplexar um serviço de voz (-4KHz). Na seqüência o espectro do DMT para um serviço padronizado de ADSL. Além de espectro reduzido (1,1MHz) é possível transmissões full-duplex assimétricas (8Mbps de downstream e 1Mbps de Upstream) multiplexadas em FDM com o sinal de voz (POTS) a) DMT sem cancelamento de eco 16

19 b) DMT com cancelamento de eco Detalhamento do espectro DMT sem cancelamento de eco. 17

20 Detalhamento do espectro DMT com cancelamento de eco Os limites de taxas em xdsl Seguramente códigos simples bipolares ou multiníveis como 2B1Q estavam longe de ser o limite para as transmissões em linha de assinante. Com o domínio da técnica CAP, os limites de Shannon ficaram próximos. O ganho maior ainda se observou com o DMT. Esta técnica de modulação, passa a ser base de várias outras tecnologias e desponta com taxas cada vez maiores. Atualmente já está implantado nas operadoras o ADSL2+ que dobrou o espectro e consequentemente as taxas possíveis de up/downstream. É claro que o alcance passa a ser reduzido pelo conceito que abordamos sobre modens digitais. Tecnologias como a VDSL ultrapassam os 2Mbps e serão muito úteis para novas infra-estruturas das operadoras que estão chegando cada vez mais próximas ao assinante. Pesquise um pouco sobre a Metroethernet para saber mais. Os limites sobre par trançado de assinante foram mais que superados se levarmos em conta as expectativas que se tinha a uns 1 anos atrás. Daqui pra frente, fibra ótica e wireless juntamente com soluções baseadas em Metroethernet passam a ser as próximas metas. Certamente novidades ainda vão surgir. 18

21 Os limites de taxa versus alcance para CAP e AMI Os limites de taxa versus alcance para ADSL e VDSL 19

22 1.4 Exemplo de tecnlogia xdsl: o ADSL A arquitetura básica que permite transmitir dados digitais em alta velocidade através da rede telefônica é composta pelo par trançado telefônico e alguns equipamentos adicionais. Do lado do usuário está situado o POTS splitter, que separa os sinais de dados digitais dos sinais de voz. Neste dispositivo são conectados o telefone e o modem DSL. Uma boa alternativa é ligar um hub para compartilhar a conexão entre várias estações de trabalho. A linha de assinante sai da residência do usuário, conecta-se a um armário de distribuição e daí vai para a central telefônica. Já dentro da central telefônica, entra no multiplexador DSLAM, que separa o tráfego de voz e dados. Os dados são enviados para uma rede ATM, por exemplo, enquanto o tráfego de voz é passado ao comutador telefônico do POTS. Esta estrutura pode variar, em função dos diferentes tipos de xdsl existentes DSLAM O DSLAM (digital subscriber line access multiplexer) está localizado na central telefônica e é a pedra fundamental da solução DSL. Funcionalmente, o DSLAM agrega o tráfego de dados dos múltiplos loops DSL no backbone. Fornece serviços a aplicações baseadas em pacotes, células ou circuitos, concentrando também os canais DSL em saídas 1Base-T, 1Base-T, T1/E1, T3/E3 ou ATM. Caso seja necessário, o DSLAM é capaz de abrir os pacotes de dados, podendo suportar endereçamento IP dinâmico usando-se DHCP. Suporta uma grande quantidade de serviços, protegendo os investimentos à medida que a tecnologia e o mercado DSL avançam, bastando para isso a troca de placas e componentes modulares. É flexível, pois suporta codificação CAP, DMT e QAM. É compatível 2

23 com NEBS, permitindo fácil ampliação e manutenção. Oferece também compatibilidade com NMS e SNMP. Um ISP que queira competir com a companhia telefônica local deve, inicialmente, tornar-se um CLEC. A partir daí, basta alugar a fiação de cobre entre cada usuário e a central, onde deve estar localizado o DSLAM. Este concentra um certo número de linhas de assinante em um único canal ATM. A partir daí, é necessário pegar o tráfego de saída do DSLAM (células ATM ou quadros) e transportá-lo até onde estiver localizado o roteador primário de acesso à Internet. Existem dois tipos de DSLAM: um localizado na central telefônica, capaz de suportar e concentrar uma grande quantidade de canais e o DSLAM remoto, localizado no sistema DLC, nas vizinhanças dos usuários e locais públicos. O ADSL (asymmetric digital subscriber line) é uma tecnologia que permite a transmissão de dados e voz sobre o par de fios de cobre do sistema telefônico. O ADSL full rate (padrão ITU G.992.1) permite taxas de recebimento de dados de até 8 Mbit/s e taxas de envio de até 1 Mbit/s através de distâncias de até 5,5 km entre o usuário final e a companhia telefônica com taxas de erro da ordem de 1-7, segundo o ADSL Forum. Tabela ADSL distância velocidade Distância (km) Velocidade de downstream (Mbit/s) 2,7 8 3, ,5 1,5 É um protocolo assimétrico que foi originalmente projetado para entregar mais dados do que o usuário pode enviar uma proporção aproximada de 1:1. A idéia inicial era transmitir vídeo pela linha telefônica. Com o desenvolvimento da Internet pode-se observar também que o tráfego gerado pelos usuários tem uma natureza assimétrica recebem mais dados do que enviam. Os modens ADSL fazem uso de técnicas de processamento de sinal que permitem o tráfego de dados acima das freqüências do serviço de transmissão de voz. Modificando-se a freqüência da portadora é possível trafegar grandes quantidades de dados através de grandes distâncias. Diferentemente dos modens convencionais e ISDN, é permitido ao usuário conectar-se à Internet e realizar uma ligação telefônica simultaneamente, sem diminuir sua velocidade de acesso. Mesmo quando ele estiver desligado, em falha ou desconectado o serviço telefônico convencional estará sempre disponível, não importando o estado da conexão ADSL. Para tanto, é necessária a instalação de um separador (splitter) para separar a transmissão de dados da conversação telefônica. 21

24 A questão da interoperabilidade deve ser entendida no contexto atual de padronização do ADSL. Esta padronização é importante, pois os fornecedores de equipamentos desenvolvem seus produtos baseados em um conjunto de especificações ou padrões. Isto aumenta a interoperabilidade entre os produtos de diferentes fabricantes. Atualmente, existem dois padrões relevantes: ADSL full rate (G.dmt ou ITU G.992.1) e ADSL lite (splitterless, G.lite ou G.992.2). Para aplicações assimétricas, o UAWG anunciou em janeiro de 1998 a colaboração de organizações que lideram o segmento de telecomunicações, redes de comunicação e computadores pessoais para a proposta de uma versão simplificada da ADSL. O público-alvo do UAWG é o mercado de varejo para o consumidor de massa, baseado em um padrão aberto e interoperável o G.lite. As discussões incluem planos para velocidades de downstream de 64 kbit/s a 1,5 Mbit/s e upstream variando de 32 a 512 kbit/s. Exemplo da plataforma Telemar: O ADSL lite, também conhecido como ADSL universal ou splitterless, foi também proposto no ITU através do padrão G.lite ou G O nome splitterless significa que não é necessária a instalação do separador na ponta do usuário para separar os tráfegos de voz e dados. A diferença está na largura de banda, reduzida para um máximo de 1,536 Mbit/s para recebimento e entre 384 e 512 kbit/s para recebimento, divido ao uso de menos freqüências para a transmissão. As operadoras e o próprio UAWG preferem esse serviço pois não há a necessidade de agendar e enviar um técnico para instalar o separador. Como os custos são menores, o preço final ao consumidor também será menor. Está sendo considerada a possibilidade de 22

25 instalação de um filtro passa-baixa nos telefones conectados a uma linha G.lite. Este filtro, no entanto, pode ser instalado facilmente pelo próprio usuário. O G.lite recebeu aprovação no ITU em outubro de O ANSI, também estabeleceu padrões, através da resolução T , chamada Interface Between Networks and Customer Installation Asymmetric Digital Subscriber Line Metallic Interface. O ETSI anexou uma proposta para adaptação de ADSL para o sistema PDH europeu. O ADSL Forum é uma associação de fabricantes e provedores de serviço com o interesse comum de agilizar o processo de distribuição ao público. Um fator que deve ser levado em conta é a capacitação do loop local. A distância entre o usuário e a central da companhia telefônica e a qualidade da linha são os maiores determinantes para o desempenho do ADSL. Acima da distância máxima (5,5 km) a possibilidade de se transmitir com velocidades da ordem de Mbit/s diminui significativamente devido à atenuação do sinal ADSL suporta resistência elétrica máxima de 1,5 kohm e ao cross-talk. Outros inibidores são os dispositivos chamados load coils e bridge taps, instalados pelas companhias telefônicas para melhorar a transmissão de voz, mas que afetam de maneira negativa o desempenho do ADSL. O tamanho (calibre) do fio de cobre pode variar ao longo da linha e também tem impacto direto na velocidade de transmissão e na distância máxima. Diminuindo-se o loop local, diminui-se a atenuação e aumentase o throughput: 2,48 Mbit/s em 4,8 km; 6,312 Mbit/s em 3,6 km; 8,448 Mbit/s em 2,7 km. A nova geração de processadores de sinais usados em ADSL são poderosos circuitos integrados, projetados para manipular complexas conversões A/D, bem como analisar e manipular sinais analógicos. Isto permite que um modem ADSL converta diretamente um fluxo de dados digitais em um número grande de canais analógicos distintos operando em diferentes freqüências e taxas de transmissão para melhor aproveitar toda a largura de banda disponível na linha telefônica. Esta tecnologia é projetada para adaptar-se a mudanças na linha telefônica, devido a diferenças de temperatura e interferência de outras linhas. Para criar múltiplos canais, os modens ADSL dividem a banda disponível de uma linha telefônica de duas maneiras: FDM ou cancelamento de eco. A FDM separa uma banda para envio e outra para recebimento de dados freqüências diferentes. A banda de recebimento é dividida por TDM em um ou mais canais de alta velocidade. O cancelamento de eco sobrepõe a banda de envio à de recebimento freqüências iguais e as separa posteriormente. A vantagem é que ambos os sinais são mantidos nas freqüências mais baixas possíveis, atingindo maiores distâncias. É um procedimento mais complexo e opcional Categoria 2 no padrão ADSL. Somente alguns fabricantes implementaram este método. O receptor enxerga a chegada de um sinal que é ao mesmo tempo o sinal enviado pela extremidade remota sinal a ser recuperado e o sinal do transmissor local eco local. Este eco local deve ser precisamente modelado pelo circuito DSP (Digital Sinal Processing) e subtraído eletronicamente do sinal composto recebido. Esta modelagem é muito complicada, 23

26 pois o eco varia com o tipo de cabo usado e isto deve ser compensado pelo circuito DSP. Um modem ADSL organiza o fluxo de dados criado pela multiplexação dos canais e os agrupa em blocos, além de anexar um código de correção de erros em cada um destes blocos. O recipiente corrige os erros ocorridos durante a transmissão. Uma ligação de voz tem uma duração média que varia entre 3 e 7 minutos. Um usuário permanece, em média, 3 minutos conectado à Internet. Para as companhias telefônicas, ADSL representa uma alternativa muito boa. Com a explosão do tráfego na Internet, os circuitos de comutação estão congestionados com tráfego analógico discado e ISDN. Até então, a única solução seria adicionar circuitos mais rápidos e ampliar as instalações, o que torna-se muito caro para a companhia telefônica. Usando-se splitters no POTS e um DSLAM na central telefônica, pode-se agregar linhas ADSL provenientes dos usuários. O tráfego de dados pode ser separado, enviando-se apenas o tráfego de voz para os circuitos de comutação e para a PSTN, reduzindo dramaticamente o congestionamento. A partir daí, os dados são canalizados para uma linha digital de alta capacidade em direção ao backbone WAN. Estudos revelaram que o alcance máximo do sinal varia de acordo com o sentido da transmissão. Os efeitos do cross-talk são muito mais significativos na transmissão do usuário para a central, conforme os fios vão sendo acumulados para entrar na central. No sentido contrário (central telefônica > usuário), os fios ramificam-se, dissipando-se a contribuição do cross-talk. Outra vantagem do uso de FDM poder usar freqüências menores para o sinal que vai do usuário para a central. Como as freqüências menores sofrem menos atenuação que as freqüências mais altas, assegura-se que o sinal ainda esteja com amplitude suficiente para enfrentar o ambiente de maior ruído nas vizinhanças da central telefônica onde o cross-talk é pior. Apesar das declarações de que todos os esquemas de codificação teriam uma eficiência teórica idêntica, DMT foi o primeiro a implementar suporte para o serviço de vídeo a 6 Mbit/s e foi selecionado como o padrão oficial para serviços de vídeo ADSL em linha discada. 24