Redes de Telecomunicações Comutação

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1 Redes de Telecomunicações Comutação João Pires Redes de Telecomunicações 6

2 Rede telefónica comutada A rede telefónica comutada é uma rede de serviços que permite oferecer circuitos comutados aos utilizadores. Os nós dessa rede são as centrais de comutação telefónica. As centrais dividem-se em locais e de trânsito. As centrais locais estabelecem as ligações directas aos assinantes. As centrais de trânsito estão dispostas em estrutura hierárquica, com diferentes níveis. Rede internacional Central internacional Rede de troncas ou de longa-distância Centros de trânsito secundário Centros de trânsito primários Rede de junção Rede local ou de acesso Central Tandem Centrais locais Linha de assinante João Pires Redes de Telecomunicações 7

3 Funções das centrais de comutação telefónica As funções básicas de uma central de comutação telefónica são: Sinalização, Controlo e Comutação. A sinalização é responsável por transferir informação de controlo e de monitorização entre os utilizadores e a rede (sinalização de assinante) e entre as centrais (sinalização de troncas). Permite estabelecer, manter e terminar ligações (circuitos). Nos casos em que os caminhos físicos da sinalização e do sinal de voz são os mesmos tem-se a sinalização em canal associado ou CAS (channel- associated signalling). Em alternativa têm-se a sinalização em canal comum ou CCS (common-channel signalling), onde a rede de sinalização é independente da rede de voz ( Ex: Sistema de Sinalização nº7). A função de controlo consiste em interagir com o equipamento de comutação de modo a responder aos requisitos da sinalização. As centrais de comutação digital designam-se por centrais SPC (Stored Program Control), porque o controlo dessas centrais é feito por software. A comutação é responsável por assegurar as ligações físicas (circuitos). A comutação de circuitos pode ser espacial ou temporal. João Pires Redes de Telecomunicações 8

4 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 separada da central local fazendo parte da unidade remota. O equipamento de comutação está situado na unidade de concentração e no 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 controlo da central Sistema de gestão João Pires Redes de Telecomunicações 9

5 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-se sintetizar no acrónimo BORSCHT, ou seja alimentação (Batery), 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 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 Redes de Telecomunicações 0

6 Estrutura dos comutadores ATM Um comutador ATM é constituído pelos controladores dos portos de entrada ou IPC (input port controller), pelos controladores dos portos de saída ou OPC (output port controller), pela matriz de comutação, pela unidade de controlo de admissão ou CAC (connection admission control) e pelo sistema de gestão ou SM (system management). Rede de sinalização TMN Rede de sinalização TMN CAC SM CAC SM ATM/ SDH IPC OPC IPC OPC Matriz de Comutação Matriz de Comutação IPC OPC IPC OPC O fuxo da informação de controlo usa a matriz de comutação O fuxo da informação de controlo não usa a matriz. João Pires Redes de Telecomunicações

7 Função dos controladores dos portos A primeira função de cada IPC consiste em terminar a linha de entrada, ou seja os sinais ópticos são convertidos para o domínio eléctrico, e as células ATM são extraídas da trama SDH. O campo de informação das células é armazenado numa memória FIFO (first-in, first out), enquanto os cabeçalhos são extraídos para obter a informação de encaminhamento. Da rede O/E SDH 5B 48B FIFO Tabela de encaminahento W X 0 53 B Endereço de saída Para a matriz de comutação VPI/VCI antigo Endereço do porto de saída VPI/VCI novo No OPC as células provenientes da matriz de comutação são armazenadas numa memória FIFO. A informação de encaminhamento é retirada antes das células serem escritas na memória. As células são empacotadas numa trama SDH e o sinal é convertido para o domínio óptico. Da matriz de comutação 53 B Endereço de saída FIFO 53 B SDH E/O Para a rede João Pires Redes de Telecomunicações

8 Contenção e métodos de encaminhamento Um OPC só pode transmitir uma célula para a via de transmissão em cada intervalo de tempo. Como as células chegam aleatoriamente à rede ATM é provável ter-se mais do que uma célula a competir por um porto de saída. Este evento designa-se por contenção do porto de saída. Há várias técnicas para resolver este conflito, baseando-se ou na eliminação das células ou no seu armazenamento em memória. Há dois métodos para encaminhar as células através de uma matriz de comutação ATM: auto-encaminhamento ou encaminhamento por rótulo. No auto-encaminhamento é adicionado um campo que contem o endereço de um porto de entrada. Este campo tem log N bits para uma matriz (NxN) e permite à célula navegar até ao seu porto de saída. No encaminhamento por rótulo o campo VPI/VCI é usado pela matriz de comutação para tomar a decisão relativamente ao porto de saída.neste caso há uma relação entre o VPI/VCI e o porto de saída. João Pires Redes de Telecomunicações 3

9 Auto-encaminhamento Na solução de auto-encaminhamento cada bit do endereço do porto de saída é examinado por cada um dos elementos de comutação dos andares da matriz de comutação. Se o bit é 0 a célula será encaminhada para a saída superior do elemento de comutação, enquanto se o bit for será encaminhada para a saída inferior. Elemento de comutação x Célula 0 Célula 0 x Célula 0 Célula Célula 0 Célula Matriz 8x8 tipo linha base Célula 0 º andar º andar 3º andar Célula 0 0 João Pires Redes de Telecomunicações 4

10 Configurações de OXCs (I) A configuração de um OXC pode ser opaca ou transparente. Nas configurações opacas há conversões O/E ou E/O dentro do OXC,enquanto nas transparentes a configuração é totalmente óptica. Um OXC é constituído por vários OTMs, que realizem entre outras as funções de multiplexagem/desmultiplexagem, e por uma matriz de comutação. A matriz de comutação pode ser óptica ou eléctrica. OXC com comutação óptica OXC com comutação eléctrica, λ, λ OTM λ OTM, λ,, λ, OTM λ λ OTM, λ,, λ, OTM λ Matriz de comutação óptica λ OTM, λ,, λ, OTM λ Matriz de comutação eléctrica λ OTM, λ,, λ, OTM λ λ OTM, λ,, λ, OTM λ λ OTM, λ, Gera λs ITU- não usa transponders Conversão O/E Conversão E/O João Pires Redes de Telecomunicações 5

11 Configurações de OXCs (II) A configuração com comutação eléctrica apresenta a vantagem de poder regenerar o sinal e de fazer a conversão óptica (o laser correspondente a um determinado porto emite num λ diferente do recebido). Apresenta a desvantagem de só poder comutar num determinado débito e um número limitado de canais (5 STM-6, ou 8 STM-4). A configuração óptica poder usar conversores ópticos de λ, e o comutador óptico pode ser implementado usando comutadores de menores dimensões um para cada comprimento de onda. OXC com múltiplos comutadores ópticos OXC com conversão de λs, λ, OTM λ Matriz de comutação óptica λ OTM, λ,, λ, λ OTM λ OTM, λ,, λ, OTM λ Matriz de comutação óptica λ λ OTM, λ,, λ, OTM λ Matriz de comutação óptica λ OTM, λ,, λ, OTM λ λ3 Matriz de comutação óptica λ λ OTM, λ,, λ, OTM λ λ OTM Conversores de comprimento de onda João Pires Redes de Telecomunicações 6

12 Classificação quanto ao bloqueio de interligação As redes de interligação (exemplo a matriz de comutação espacial) podem classificar-se em redes com bloqueio e redes sem bloqueio. Rede com bloqueio Rede sem bloqueio Existe pelo menos uma ligação entre uma entrada e uma saída arbitrárias livres que não pode ser estabelecida pela rede devido a congestão interna originada por ligações já estabelecidas. Uma ligação entre uma entrada e uma saída arbitrárias livres pode ser sempre estabelecida independentemente do estado da rede. As redes de interligação sem bloqueio ainda se podem dividir em: redes sem bloqueio em sentido estrito, redes sem bloqueio em sentido lato e redes rearranjáveis. Rede sem bloqueio em sentido estrito Rede sem bloqueio em sentido lato Rede sem bloqueio rearranjável É sempre possível ligar uma entrada arbitrária livre a uma saída arbitrária livre, independentemente do conjunto das ligações estabelecidas e do algoritmo de conexão usado. É sempre possível ligar uma entrada arbitrária livre a uma saída arbitrária livre, desde que se use uma algoritmo adequado para estabelecer as ligações. É sempre possível ligar uma entrada arbitrária livre a uma saída arbitrária livre, realizando, em caso de necessidade, um rearranjo das ligações já estabelecidas. João Pires Redes de Telecomunicações 7

13 Comutação espacial As matrizes de comutação espacial eram usadas nas antigas centrais de comutação analógias, e também são usadas nas modernas centrais digitais. São ainda usadas como malhas de interligação nos comutadores de alta velocidade (ATM), e são a base dos comutadores ópticos. Matriz espacial com um único andar: Consiste numa matriz de pontos de cruzamento, designada por matriz de barras cruzadas. Para ligar N linhas de entrada a N linhas de saída requer N pontos de cruzamento. Matriz de comutação espacial n k Entradas 3 n 3 m Ponto de cruzamento 3 n n m Elemento de comutação 3 m m<n: concentrador m>n: expansor m=n: distribuidor A matriz espacial monoandar apresenta para o caso em que n=m uma complexidade de C()=n e uma eficiência de utilização reduzida ou seja ε=n/c()=/n. Saídas João Pires Redes de Telecomunicações 8

14 Matriz de comutação espacial multiandar As matrizes de comutação espacial apresentam uma complexidade (número de pontos de cruzamento) que aumenta com o quadrado da dimensão da matriz, enquanto a eficiência decresce com n. A fiabilidade também é baixa (qualquer avaria num ponto de cruzamento implica que uma ligação não se pode efectuar). Para resolver essas limitações usam-se as matrizes multiandar. Na figura seguinte representa-se uma matriz espacial com três andares NxN. n k r s k n r=s=n/n N linhas de entrada n k r s k n N linhas de saída Nesta estrutura 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. n k r s k n #N/n #k #N/n Complexidade N C ( 3) = k(n + n ) João Pires Redes de Telecomunicações 9

15 Redes de interligação com bloqueio As redes de interligação com bloqueio mais usadas são baseada na arquitectura de Banyan. Estas redes apresentam a facilidade de auto-encaminhamento usada nos comutadores ATM. Um rede é constituída através de interligação de elementos de comutação x. Uma rede de Banyan NxN apresenta n=log N andares, cada um com N/ elementos de comutação. Há diferentes tipos de arquitecturas de Banyan. A representada abaixo designa-se por linhabase (baseline). Rede linhabase 8x8 Rede linhabase 4x4 Elemento de comutação x Uma rede linhabase 8x8 é obtida a partir de duas linhabase 4x4 usando um padrão de interligação designado por unshuffle Complexidade C( 3) = N log N Padrão de interligação (permutação unshuffle) João Pires Redes de Telecomunicações 30

16 Permutações (Shufle, Unshufle e troca) Na permutação (ou padrão de interligação) shufle um elemento com a localização na fonte s (com a representação binária s n-, s n-,... s 0 ) é mapeado desde o topo na localização d cuja posição é indicada pelo número binário s n-, s n-3,... s 0,s n-. O número binário correspondente a d é obtido por uma rotação para a esquerda de s. Um permutação unshuffle faz o mapeamento de s em s 0,s n-, s n-,... s, o que corresponde a uma rotação para a direita. A permutação troca é constituída por uma coluna de elementos de comutação x, que podem estar no estado barra, ou no estado cruzado. Permutação shuffle Permutação unshuffle Permutação troca João Pires Redes de Telecomunicações 3

17 Auto-encaminhamento e bloqueio As arquitecturas de Banyan permitem realizar a função de autoencaminhamento, mas introduzem bloqueio de interligação interno. Bloqueio de interligação Decisão de encaminhamento A decisão de encaminhamento no andar k corresponde ao valor do k- ésimo bit do número de porto da saída em binário. Se o valor do bit for 0 a decisão é feita pelo porto superior do elemento de rede. Se o bit for a decisão é feita pelo porto inferiror Uma técnica que permite ultrapassar o problema do bloqueio consiste em ordenar as células pela ordem crescente do porto de saída. Para realizar essa função pode-se colocar na entrada da rede de Banyan uma rede de Batcher. João Pires Redes de Telecomunicações 3

18 Arquitectura de linhabase inversa A arquitectura de Banyan linha base inversa obtem-se como uma imagem no espelho da arquitectura de linhabase. Arquitectura linhabase Arquitectura linhabase inversa Permutação unshuffle Permutação shuffle As redes de Banyan são caracterizadas por possuirem unicamente um percurso entre uma entrada e uma saída. Como cada elemento de comutação permite dois estados (barra e cruzado) o número de diferentes estados permitidos por uma rede Banyan é dada por N log N N = N João Pires Redes de Telecomunicações 33

19 Rede de Batcher-Banyan Exemplo de aplicação de uma rede Batcher-Banyan Rede de Batcher A rede Batcher-Banyan é uma rede sem bloqueio de interligação, mas a sua complexidade é C = N( log ) N A rede de Batcher-Banyan é uma rede sem bloqueio e que permite o autoencaminhamento das células. ATM João Pires Redes de Telecomunicações 34

20 Redes de Batcher () Sequências bitónicas Uma sequência diz-se bitónica quando resulta da concatenação de uma sequência monotonicamente crescente e de uma sequência monotonicamente decrescente. Se as duas sequências são da mesma dimensão designam-se por bitónicas regulares. Teorema de Batcher Seja a 0, a,... a n-, uma sequência bitónica com n elementos. Considerem-se as sequências com n elementos: B e C = { c 0, c,..., c } onde. Então as sequêncas B e C são bitónicas e n b k = min( ak, an+ k ) e ck = max( ak, an+ k ) max( bo, b,... bn ) min( co, c,..., cn ) { b b b } = 0,,..., n Construção recursiva de uma rede bitónica a 0 a min b 0 x 0 x max b Rede bitónica ordem n a n- a n a n+ b n- c 0 c Rede bitónica de ordem n x n- Sequência ordenada por ordem crescente a n+ c n- x n- João Pires Redes de Telecomunicações 35

21 Redes de Batcher () Para sequências arbitrárias deve-se ter uma estrutura do tipo: d 0 d d n- Rede Combinadora de ordem n Rede Bitónica de ordem n x 0 x Sequência ordenada por ordem crescente d n Rede Combinadora de ordem n d n- x n Sequência de dimensão n Sequência bitónica dimensão n O número total de andares numa rede de Batcher de ordem N é dada por logn N = ( + log N)log N / João Pires Redes de Telecomunicações 36

22 Estrutura de uma rede de Batcher A estrutura de uma rede de Batcher para uma sequência arbitrária é a seguinte: máximo 00 mínimo Rede bitónica de ordem 4 Rede bitónica de ordem 8 João Pires Redes de Telecomunicações 37

23 Extensão horizontal A extensão horizontal consiste em adicionar pelo menos um andar à rede de Banyan. Uma rede de Banyan extendida de dimensão NxN com n+m andares (n=log N), é obtida adicionando ao primeiro andar da rede de Banyan com n andares, m andares adicionais, cujo padrão de interligação é obtido como a imagem no espelho das permutações nos últimos m andares da rede de Banyan. Ao adicionar-se m andares à rede Banyan original estão a disponibilizar-se m percursos entre qualquer entrada e qualquer saída da rede reduzindo o bloqueio. Porém o auto-encaminhamento das células só tem lugar nos últimos n=log N andares, enquanto nos m andares iniciais é necessário um processo de controlo de encaminhamento complexo e centralizado. m= Rede Banyan linhabase inversa Adicionado m=n- andares à rede de Banyan original obtem-se uma rede sem bloqueio rearranjável. Se a rede de partida for a linhabase inversa chega-se à rede de Benes. João Pires Redes de Telecomunicações 38

24 Rede de Benes A rede de Benes é uma rede rearranjável obtida por extensão horizontal da rede linhabase inversa, com m=n-. A primeira parte da rede corresponde a uma rede linhabase e a segunda parte a uma linha linhabase inversa. m= Rede Banyan linhabase inversa Uma rede de Benes NxN é constituída por log N- andares cada um englobando N/ elementos de comutação. João Pires Redes de Telecomunicações 39

25 Rede de Benes () Uma rede de Benes de NxN pode ser obtida de modo recursivo a partir de duas redes de Benes de order (N/)x(N/). x x 4x4 x x x x 4x4 x x Resolução do bloqueio a partir do rearranjo da configuração da matriz (Benes 4x4) 3 4 x x x x Bloqueio x x 3 4 Mapa de conexões x x x x x x 3 4 João Pires Redes de Telecomunicações 40

26 Encaminhamento em redes de Benes O algoritmo de encaminhamento em redes de Benes parte de uma estrutura em três andares e é implementado seguindo as seguintes etapas: ) Selecciona-se um ligação entrada-saída arbitrária descrita pelo par i Π(i). ) Liga-se a entrada i à saída Π(i) através da sub-matriz central superior. 3) Se for Π(j) a saída que faz par com Π(i) no mesmo elemento de rede de saída, então faz-se a ligacão j Π(j) usando a sub-matriz central inferior. 4) Seja k a entrada que faz par com j no mesmo elemento de rede de entrada. Se k=i a malha está completa e repete-se o ciclo (volta-se a ) escolhendo uma nova entrada arbitrária. Caso k i estabelece-se a ligação k Π(k) usando a sub-matriz central superior. Mapa de conexões da matriz 8x Início de uma nova malha x x x x Sub-matriz central superior (A) 4x4 4x4 Sub-matriz central inferior (B) x x x x Sub-matriz A Sub-matriz B João Pires Redes de Telecomunicações 4

27 Complexidade em redes com 3 andares Estrutura geral das redes com três andares. n k r r k n N linhas de entrada n k r r k n N linhas de saída r=n/n n k r r k n #N/n #k #N/n Teorema (Slepian-Duguid): Uma rede de três andares é uma rede sem bloqueio rearranjável se e só se k n. C ( 3) = N Número mínimo de pontos de cruzamento min Teorema (Clos): Uma rede de três andares não introduz bloqueio em sentido estrito se e só se k n-. C (3) 4 ( ) Número mínimo de pontos de cruzamento min = N N 3/ João Pires Redes de Telecomunicações 4

28 Teorema de Clos para redes com três andares Para verificar 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. º andar n- saídas do ºandar ocupadas n- entradas ocupadas º andar nxk n- n 3º andar kxn b n- saídas ocupadas Saída livre Entrada livre a n- n- entradas no 3ºandar ocupadas É necessária uma sub-matriz adicional n- João Pires Redes de Telecomunicações 43

29 Redes de Clos com 5 andares As redes de Clos com cinco andares são obtidas de modo recursivo, a partir de redes de Clos de três andares. º andar 5º andar # n x (n-) # # (n-) xn mx(m-) N/(mn)XN(mn) N linhas de entrada N linhas de saída N/n N/n #N/n # n- #N/n #N/(mn) # (m-) #N/(mn) N N C 5) = (n )[N + (m )( + n ( mn) ( )] N N C 3) = (m )[ + n ( mn) ( ] Para obter o valor de C(5) mínimo é necessário derivar C(5) em relação a m e n, obtendose as duas expressões dadas a seguir, que têm que se resolver para um dado N. n = N( m ) m 3 nm (n + m ) N = (m )( n ) João Pires Redes de Telecomunicações 44

30 Complexidade para diferentes redes Na tabela seguinte apresenta-se o número de pontos de cruzamento mínimos requeridos para diferentes tipos de redes. A rede de Clos apresenta três andares. N Barras cruzadas Clos Benes Banyan Batcher- Banyan milhões 4. milhões A rede de barra cruzadas é uma rede sem bloqueio em sentido lato e é a rede que requer um maior número de pontos de cruzamento. A rede de Clos é uma rede sem bloqueio em sentido estrito e surge a seguir. A rede de Benes é uma rede sem bloqueio rearranjável e aparece a seguir à rede de Clos. A rede que requer o menor número de pontos de cruzamento é a rede de Banyan, que apresenta bloqueio. A rede de Batcher-Banyan é uma rede sem bloqueio em sentido estrito e a sua complexidade situa-se entre a rede de Clos e a rede de Benes. Apresenta a vantagem de permitir auto-encaminhamento. João Pires Redes de Telecomunicações 45

31 Representação de uma matriz espacial por um grafo Considera-se uma matriz 9x9, com n=3 e k=3 nxk Grafo da matriz Grafo de canal João Pires Redes de Telecomunicações 46

32 Probabilidade de bloqueio 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 horas de ponta, tendo presente que os telefones residenciais só estão ocupados em cerca de 0 % do tempo da hora de ponta. O cálculo da probabilidade de bloqueio pode ser realizado usando o método de Lee. Este método baseia-se na independência entre caminhos alternativos e na independência entre ramos 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 Seja p i a probabilidade de ocupação do ramo i. A probabilidade de bloqueio de uma ligação constituída por n ramos em série é dada por B = ( p )( p )...( p n ) n = ( p p = p =... = p n = p B ) João Pires Redes de Telecomunicações 47

33 Bloqueio em redes com três andares Considere-se uma rede com três andares, que é caracterizada por cada submatriz do º andar ter n entradas e k saídas ( K<(n-)). O grafo de canal dessa rede é o seguinte: p :probabilidade de ocupação da linha de entrada p :probabilidade de ocupação das ligações entre matrizes p p p Probabilidade de bloqueio para a rede com três andares pn = pk p p k k ) ] = [ ( B = [ ( p pn / k) ] k Quando nas sub-matrizes de entrada se têm k>n, a condição de independência dos diferentes caminhos conduz probabilidades de bloqueio superiores aos reais. Uma formulaçao mais exacta correspode ao método de Jacobaeus. De acordo com este método a probabilidade de bloqueio para a rede com três andares é dada por B = ( n!) k n k p :probabilidade de ocupação da p ( p) linha de entrada k!(n k)! João Pires Redes de Telecomunicações 48

34 Breve classificação das técnicas de comutação Comutação de circuitos: Estabelece-se um circuito dedicado entre o utilizador chamante e o utilizador chamado, que se mantem activo durante o tempo de duração da chamada. A comutação de circuitos digital pode ser espacial e temporal. Usa-se nas centrais de comutação telefónica. Comutação de caminhos: Estabelece-se uma ligação semi-permanente entre dois utilizadores, que se mantem activa por períodos de tempo longos (semanas, meses, etc). A ligação é estabelecida por acção do sistema de gestão da rede. Usa-se nos comutadores de cruzamento ópticos. Comutação de pacotes: Neste caso não é estabelecido nenhum circuito, mas é atribuido espaço nas memórias dos nós de comutação. Os pacotes são armazenados em cada nó, o seu cabeçalho é processado e são depois enviados para a saída apropriada. Na comutação com datagramas os diferentes pacotes de uma mesma mensagem seguem por percursos diferentes, enquanto na comutação com circuitos virtuais seguem todos pelo mesmo percurso. Comutação ATM : Estabelece-se inicialmente uma ligação virtual e todas as células seguem por essa ligação mantendo a ordem. A comutação ATM pode ser espacial ou temporal. João Pires Redes de Telecomunicações 49

35 Tecnologias de comutação óptica Comutadores electro-mecânicos:a mudança de estado do comutador é feita por meios electro-mecânicos. Por exemplo o estado do comutador é alterado movendo a posição de um espelho. O seu tempo de comutação típico é de 0 ms. Comutadores electro-ópticos:os elementos de comutação x são baseados num acoplador direccional. O estado do comutador é alterado variando a tensão aplicada na região de acoplamento. A mudança de estado é extremamente rápida ( 0 ps). Diferentes elementos podem ser integradas de modo a realizar comutadores de maiores dimensões (6x6). O material usado no fabrico do acoplador direccional é o LiNb0 3 Entrada Entrada v Saída Saída As perdas de inserção são muito elevadas. Comutadores baseados em amplificadores ópticos: Os amplificadores ópticos de semicondutor podem ser usados como portas ópticas, variando a corrente de polarização de modo a que o ganho varie entre o corte e a saturação. O tempo de comutação é da ordem de ns Entrada Entrada Saída Saída Porta óptica baseada num amplificador ópticos de semicondutor. João Pires Redes de Telecomunicações 50

36 Tecnologias da comutação óptica () Comutadores basedos em sistemas micro-electro-mecânicos Os sistemas micro-electro-mecânicos ou MEMS (micro-electro-mechanical systems) são dispositivos mecânicos em miniatura fabricados usando substractos de silício. Os comutadores MEMS consistem em espelhos miniatura movíveis com dimensões da ordem das centenas de micrómetro. Conjunto de microespelhos movíveis desenvolvidos num substrato de silício (Lucent) Os micro-espelhos são deflectidos de uma posição para outra usando técnicas electromagnéticas, electro-ópticas ou piezoeléctricas. A estrutura mais simples é a do espelho D. Num estado o espelho está paralelo com o substrato não deflectindo o feixe de luz. No outro estado o espelho move-se para uma posição vertical e o feixe de luz é deflectido. Noutra estrutura o espelho pode rodar em torno de dois eixos de modo contínuo. Designa-se por espelho 3D. O tempo de comutação de um estado para outro é de cerca de 0 ms em ambas as estruturas. João Pires Redes de Telecomunicações 5

37 Comutadores ópticos com MEMS Comutadores com espelhos D O comutador baseado em espelhos D usa uma arquitectura barra-cruzada. Na configuração com fibras ópticas nas entradas e nas saídas é necessário colimar os feixes na saída e na entrada das fibras para reduzir a sua divergência. A dimensão máxima dos comutadores deste tipo que é possível fabricar num único substracto está limitada a dimensões entre 3x3 a 64x64. Comutadores com espelhos 3D Matriz de espelhos Um espelho 3D permite implementar um comutador xn. Na figura ao lado representa-se um comutador 5x5 (Xros) baseado numa arquitectura de Spanke, e fazendo uso de duas matrizes de espelhos 3D cada uma com 5 espelhos. Fibras de entrada Fibras de saída João Pires Redes de Telecomunicações 5

38 Comutação digital telefónica A comutação digital também é conhecida por comutação por divisão no tempo, porque neste tipo de comutação o circuito associado a uma conversação só é activado durante o intervalo de tempo 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 5µs), codificados com 8 bits e multiplexados para formar um sinal TDM. trama 33 3 trama 33 3 Comutador Espacial e Temporal 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 tempo (do time-slot 3 para o time-slot 3). N N A comutatação temporal consiste em transferir o conteúdo de um time-slot para outro time-slot.. Trama # Trama # Trama # TS7 TS TS Trama # TS7 TS7 TS7 TS TS Tempo Tempo João Pires Redes de Telecomunicações 53

39 Comutador de intercâmbio de time-slots Um exemplo de um comutador de intercâmbio de time-slots ou TSI é o seguinte: 0 H H DMUX & D/A Trama Durante cada time-slot tem lugar uma operação de escrita e uma operação de leitura. Assim o tempo de acesso à memória é dado por t a 5µs/(N), onde N é o número de canais por trama 99 H A/D & MUX Trama 0 99 Endereço de escrita Contador de time-slots Endereço de leitura Memória de dados Memória de endereços As amostras dos diferentes canais (conteúdo dos time-slots) são escritos 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 Redes de Telecomunicações 54

40 Comutador digital espacial Um comutador digital espacial pode ser visto como uma matriz de pontos e cruzamento cuja configuração (estado dos pontos de cruzamento) pode ser alterado 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 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 w w w Descodificador de endereços Memórias de conexão A dimensão das palavras da memória de endereços deverá ser sificiente para armazenas 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 pelo número binário log (n+). João Pires Redes de Telecomunicações 55

41 Arquitecturas de comutação multiandar As arquitecturas de comutação digital usadas normalmente usam 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. A arquitectura TST é oposta daquela. 8 Comutador TSI Comutador Espacial Espacial TSI N Arquitectura STS NxK k KxN TSI 5 5 N Probabilidade de bloqueio k ) ] = [ ( B = [ ( p pn / k) ] Condição de Clos k N k Arquitectura TST Probabilidade de bloqueio N 8 TSI TSI TSI 0 Comutador Espacial NxN 0 TSI TSI TSI 5 5 N l:time-slots internos w:time-slots externos l ) ] = [ ( B = [ ( p pw/ l) ] Condição de Clos l w l João Pires Redes de Telecomunicações 56

42 Comutação ATM Os comutadores ATM podem usar as seguintes técnicas de comutação: comutação por divisão no tempo ou TDS (time-division switching), comutação por divisão no espaço ou SDS (space-division switching). A comutação TDS pode ser do tipo de memória partilhada ou meio partilhado. Arquitectura do tipo memória partilhada Arquitectura do tipo meio partilhado Cabeçalho MUX Controlador Memória partilhada DMUX Bus TDM AF AF Memórias de saída N N N AF N Na arquitectura de memória partilhado as células que chegam são multiplexadas por divisão no tempo, num único feixe que é escrito na memória partilhada. Os cabeçalhos das células com os endereços dos portos de saída são enviados para o controlador da memória, o qual decide a ordem em que as células são lidas da memória. As células são depois desmultiplexadas e enviadas para o porto de saída. A memória tem de ter uma velocidade de acesso N vezes superior à velocidade de cada porto ( V células/s). Na arquitectura de meio partilhado as células que chegam aos portos de entrada são sequencialmente difundidas através de um meio partilhado (bus). Em cada saída do bus há um filtro de endereços ou AF (address filter), o qual examina o endereço do porto de saída de cada célula, para determinar as células que passam para a memória de saída. Se o bus tiver capacidade para operar a uma velocidade de NV células/s (V: velocidade por porto) não há conflitos de largura de banda e a principal limitação está na velocidade de acesso e na dimensão das memórias de saída. João Pires Redes de Telecomunicações 57

43 Comutação ATM por divisão no espaço Na comutação por divisão no espaço são proporcionados caminhos físicos múltiplos entre os portos de entradas e os portos de saída. Esses caminhos são implementados usando redes de interligação (matrizes de comutação) sem bloqueio em sentido estrito (ou lato), como as redes de Batcher-Banyan, redes de barras cruzadas, ou redes de Clos. Um dos problemas deste comutadores é a contenção, que ocorre quando duas células são endereçadas para a mesma saída. Para resolver o problema da contenção usam-se memórias. As memórias podem ser colocadas na entrada do comutador, na saída do comutador, no interior dos elementos de rede, ou podem ainda funcionar como memórias recirculantes. Memórias na entrada Memórias na saída Memórias recirculantes Matriz Matriz Matriz de Comutação N N de Comutação N de Comutação N x x Memórias no interior dos elementos de rede x x João Pires Redes de Telecomunicações 58

44 Resolução de contenção usando memórias Memória na entrada: Esta configuração sofre de bloqueio de cabeça de linha. Quando duas células são destinadas simultaneamente para a mesma saída, uma célula deve esperar na memória de entrada. A presença desta célula armazenada na memória impede outras células de entrarem na matriz de comutação. Memória na saída: Neste caso não há bloqueio de cabeça de linha e todas as células chegam ao porto de saída. Como cada memória necessita de armazenar N células durante um time-slot, é o tempo de acesso à memória que limita a dimensão do comutador. Memória no interior dos elementos de rede: Cada elemento de rede x tem uma memória nas suas entradas. Estas memórias são usadas para armazenar internamente as células bloqueadas, permitindo reduzir as perdas de células. No entanto, esta estrutura sofre de um atraso de transferência elevado. Memória recirculante: Este comutador consiste em portos de entrada e de saída e portos especiais chamados portos recirculantes. Quando há mais do que uma célula endereçada para o mesmo porto, as células extra são encaminhadas através da memória recirculante para a entrada da matriz. A principal desvantagem é que a dimensão da matriz deverá ser superior a NxN para acomodar as células recirculantes e deve haver um mecanismo de controlo apropriado para garantir a ordem sequencial das células. João Pires Redes de Telecomunicações 59