Sistemas e Redes de Telecomunicações Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e e de Computadores

Introdução às redes de telecomunicações Capítulo 1 Introdução às redes de telecomunicações © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Aspectos da Evolução das Telecomunicações 1876 - Invenção do telefone (Alexander Graham Bell) 1891 - Primeira central de comutação automática (Strowger) 1936 - Invenção do PCM (Alec Reeves) 1964 - Concepção da comutação por pacotes (Paul Baran) 1965 - Primeiro satélite geo-estacionário (Intelsat1, 240 circuitos) 1965 - Transmissão a 2 Mbit/s no Reino Unido (30 circuitos) 1966 - Proposta de usar as fibras ópticas em telecomunicações (Kao) 1968 - Primeira central de comutação digital (tecnologia TTL) 1969 - ARPANET (1ª rede de pacotes) 1980 - Início da normalização do GSM 1985 - Proposta da SONET (Belcore) 1988 - Primeiro cabo transatlântico digital em fibras ópticas (4 000 circuitos) 1990 – Digitalização das redes a nível mundial usando como suporte a SDH 1995 – Mais de 800 milhões de telefones em todo o mundo 1996 - Cabo submarino óptico TAT12/13 (122 880 circuitos) 2000 - Sistemas de transmissão óptica com 160x10 Gbit/s( 107 circuitos) © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Evolução de diferentes serviços (Mundial) A evolução do número de utilizadores dos diferentes serviços de telecomunicações a nível mundial mostra um crescimento pouco expressivo para a telefonia fixa e um crescimento muito acentuado para a telefonia móvel e para a Internet. Fonte: Maurizio Dècina, ECOC 2003 © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Evolução do tráfego Internet total nos USA As análises de tráfego nos Estados Unidos mostram que o tráfego Internet passou a ser dominante a partir do ano 2000, com um crescimento que duplica todos os anos. Fonte: Maurizio Dècina, ECOC 2003 Cresce 35% ao ano © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Evolução do Tráfego Total O tráfego telefónico de voz tem um crescimento entre 10 a 15% ao ano. O tráfego de dados (Internet) tem um crescimento superior a 100% ao ano. Actualmente o tráfego de dados é dominante nas redes dorsais. Tráfego Telefónico (voz) Dados (Internet) Actualmente o planeamento das infraestruturas de telecomunicações deve ser determinado pelo tráfego de dados 1990 2010 © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Evolução dos débitos no acesso de cobre Fonte: João Santos e Orlando Quadros, TFC, 2006 © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Ramos das telecomunicações Definição e Ramos Transmissão: Transporte fiável da informação à distância. Comutação: Encaminhamento da informação (pôr em contacto dois utilizadores quaisquer, de acordo com as suas ordens). Controlo e gestão: Responsável pela dinâmica (controlo) e pela fiabilidade (gestão) das redes. A função de controlo é implementada através da sinalização. As redes de telecomunicações compreendem o conjunto dos meios técnicos (de natureza electromagnética) necessários para transportar e encaminhar tão fielmente quanto possível a informação à distância. Ramos das telecomunicações © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Critérios de qualidade As redes de telecomunicações devem garantir que a informação nas suas diversas formas (voz, música, vídeo, texto, etc.) é transmitida sem perdas e alterações. As redes de telecomunicações públicas devem assegurar um serviço permanente e sem falhas (menos de duas horas de indisponibilidade em 40 anos). Fidelidade Fiabilidade © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Normalização em Telecomunicações O carácter internacional das telecomunicações implica normalização em aspectos tais como: aspectos técnicos (qualidade de serviço, interfaces, etc.); planificação geral da rede (estrutura da rede, números telefónicos internacionais,etc.); problemas de exploração e gestão (preços das chamadas internacionais, análise de tráfego, etc.). No plano das redes nacionais a normalização também é importante de modo a: garantir a compatibilidade dos sistemas de diferentes fabricantes; assegurar uma qualidade de serviço mínima a todos os utilizadores; respeitar as convenções internacionais. © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Principais organismos de normalização International Telecommunication Union (ITU) Agência da ONU responsável por todos os sectores das telecomunicações. Os seus principais órgãos são: ITU Telecommunications Sector (ITU-T) Estudo de questões técnicas, métodos de operação e tarifas para as redes de transporte, redes telefónicas e de dados. ITU Radiocommunications Sector (ITU-R) Estudo de questões técnicas e operacionais relacionadas com rádio-comunicações, incluindo ligações ponto-a-ponto, serviços móveis e de radiodifusão e ligações via satélite. European Telecommunications Standardas Institute (ETSI) Criado em 1988 para desenvolver as normas necessárias para uma rede de telecomunicações pan-europeia. Teve um papel importante no desenvolvimento da norma GSM. © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Tipos básicos de equipamento O equipamento básico pode-se dividir em vias de transmissão e elementos (dispositivos) de rede. Os elementos de rede incluem equipamento terminal, equipamento de comutação, sistemas de sinalização e gestão e servidores. Vias de transmissão: suporte de transmissão (cabos de pares simétricos, cabo coaxial, fibra óptica, feixes hertzianos,etc.) + repetidores (amplificadores, regeneradores). Equipamento terminal: interface com a rede (telefone, computador, PPCA, etc.). Equipamento de comutação: comutadores digitais nas redes telefónicas (comutação de circuitos), routers (comutação de pacotes) nas redes de dados. Sistemas de sinalização e gestão: responsáveis por processarem a informação de sinalização e gestão. Servidores: Dispositivos com capacidade para armazenar informação (servidores de WWW e cabeças de rede nas redes CATV,etc.). © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06) Topologias Representação de uma rede por um grafo A estratégia de interligação entre os nós define a topologia da rede, ou mais especificamente a topologia física. O modo como a informação flui define a topologia lógica. v2 Fluxo de informação 1 2 v1 e1 Grafo da rede e5 e6 e2 e7 v5 3 e4 e3 v3 5 v4 4 Topologia física Topologia lógica © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06) Tipos de topologias O tipo de topologia condiciona a estratégia de desenvolvimento e o tipo de serviços que a rede pode oferecer. Topologias com meio não partilhado Topologias com meio partilhado Anel Malha Anel A B C D Barramento (Bus) Árvore E © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06) Planos de Rede Numa rede de telecomunicações podem-se individualizar três panos: Plano de utilizador, plano de controlo e plano de gestão. Plano de utilizador: responsável por transferir a informação do utilizador através da rede. Assegura o suporte físico. Plano de controlo: responsável pelo processo de sinalização associado ao estabelecimento, supervisão e terminação de ligações. Um exemplo de um plano de controlo é o sistema de sinalização nº 7. Plano de gestão: Funções a nível de detecção e correcção de falhas (gestão de falhas), configuração dos elementos de rede (gestão de configuração), monitorização de desempenho (gestão de desempenho), autorização de acesso (gestão de segurança). © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Estratificação em camadas Uma rede de telecomunicações pode-se dividir em camada de rede de transporte e camada de rede de serviço. A camada de rede de serviços funciona como cliente da camada de rede de transporte. A camada de rede de transporte porpociona caminhos (capacidade de transporte) à camada de serviços. Uma ligação a 34 Mb/s por segundo é um exemplo de uma caminho eléctrico e um comprimento de onda suportando um canal a 10 Gb/s é um exemplo de um caminho óptico. As camadas de serviço são de diferentes tipos (rede telefónica, redes de dados, rede celulares, redes de cabo, circuitos alugados. © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06) Rede de Transporte A rede de transporte é uma plataforma tecnológica que assegura uma transferência transparente e fiável da informação à distância, permitindo suportar difererentes serviços. A rede de transporte garante diferentes funcionalidades, como sejam, transmissão, multiplexagem, encaminhamento, protecção, supervisão e aprovisionamento de capacidade. A rede de tranporte é constituída por diferentes elementos de rede ligados entre si segundo uma certa topologia física (anel ou malha) e interagindo directamente com o plano de gestão. © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Exemplificação do papel do transporte A rede de transporte neste exemplo é representada pelo plano inferior e é constituída por multiplexadores ADM interligados por fibras ópticas. A camada de rede de serviços é representada por centrais de comutação telefónica (CC). Camada de rede de serviço d CC c CC CC Tecnologias de rede para o transporte: SDH (Synchronous Digital Hierarchy) , WDM, (Wavelength Division Multiplexing), OTN (Optical Transport Network) a CC b ADM ADM E D ADM ADM A ADM Camada de rede de Transporte C B © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Hierarquização da rede Uma rede de telecomunicações de dimensão nacional é representada por uma estrutura hierárquica com três níveis: núcleo, metro e acesso. A estrutura hierárquica é comum à rede de transporte e de serviços. Na rede de núcleo e na rede metropolitana a topologia física é normalmente imposta pela camada de transporte. Núcleo 100s-1000s km Malha A rede de acesso usa uma grande variedade de tecnologias e topologias, e é responsável por uma fracção muito importante do investimento feito numa rede. Metro 10-100 km Anel Acesso <10 km Anel, estrela, etc Tecnologias de transmissão no acesso: pares de cobre, cabo coaxial, fibra óptica, soluções rádio (FWA). Utilizadores © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Rede Telefónica Pública Comutada A topologia em estrela é a solução mais simples A topologia mais simples para uma rede telefónica é a topologia em estrela, ligando uma central de comutação telefónica ao equipamento terminal do utilizador. Central de comutação tefefónia CC Quando a dimensão da rede aumenta, torna-se mais económico dividir essa rede em sub-redes de pequenas dimensões, cada uma servida pela sua própria central de comutação telefónica. Telefone nº óptimo de centrais custo total custo da comutação Custo Para interligar todas as centrais entre si, a solução mais económica é usar uma central de nível superior: central tandem. custo da linha Número de centrais de comutação Estrutura hierárquica © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Estrutura hierárquica Uma rede telefónica pública comutada apresenta uma estrutura hierárquica e uma topologia em árvore não pura, porque à medida que se sobe na hierarquia aumenta o número de ligações directas entre centrais do mesmo nível. Rede internacional Central internacional Rede de núcleo ou de troncas Centros de trânsito secundário Centros de trânsito primários Rede de junção Central Tandem Rede de acesso ou local Centrais locais Transmissão a 2 fios Linha de assinante A linha de assinante é constituída por pares de cobre, por isso esta rede é muitas vezes designada por rede de cobre © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Rede Digital Integrada Uma rede digital integrada (RDI) é uma rede telefónica pública em que a comutação é digital e a transmissão no núcleo e nas junções também é feita usando transmissão digital. A qualidade do sinal na RDI devido à regeneração é independente do número de troços e centrais presentes na ligação. Equipamento de rede. Conversão A/D Central analógica Telefone analógico Transmissão digital Transmissão analógica CT CL CT RDI CT CL Central de trânsito digital Central local digital Concentrador digital CL CT CL CL CL Acesso analógico CR CR Passo seguinte: Proporcionar transmissão digital até ao utilizador (RDIS) © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Rede Digital com Integração de Serviços A característica fundamental da RDIS é a digitalização do lacete de assinante. O RDIS oferece acesso básico e acesso primário. Acesso básico 2x64 Kbits – canais B para comunicação 1x16 kbit/s – canal D para sinalização Interface U a 2 fios a 160 kbit/s Acesso primário 30x64 Kbits – canais B para comunicação 1x64 kbit/s – canal D para sinalização Interface U a 4 fios a 2 Mbit/s Acesso prima´rio PPCA NT1 Interface T Interface U Central de comutação Interface S Acesso básico Para manter compatibilidade com os telefones analógicos usa-se um adaptador TA NT1 TA Interface U Telefone analógico Telefone digital © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Redes híbridas fibra-coaxial As redes de distribuição de televisão por cabo CATV ( CAble TV) (rede de cabo) usam uma infraestrura de fibra óptica, para servirem células de 200 a 1000 utilizadores, seguida de uma rede em cabo coaxial. O servidor situado na cabeça da rede distribui para os utilizadores os diferentes sinais de televisão usando multiplexagem por divisão na frequência (FDM). Para o fornecimento de serviços interactivos, é necessário usar amplificadores bidireccionais e um protocolo da acesso múltiplo para evitar colisões entre os sinais de retorno enviados pelos diferentes utilizadores Amplificador de tronca com repartição Cabeça de Rede Utilizador Fibra Óptica A rede coaxial apresenta uma topologia em árvore Repartidor coaxial Utilizador Nó de acesso óptico Cabo coaxial Amplificador de linha © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Rede de transporte da rede híbrida A ligação entre a cabeça da rede e o nó de acesso óptico é realizado pela componente de transporte. Na rede de transporte representada a rede de transporte tem dois níveis. A rede de transporte primária usa a informação digitalizada. No rede de transporte primária a informação é digitalizada (PCM). No nó de acesso a informação é convertida para o domínio analógico (RF) e em seguida para o domínio óptico. Cabeça de Rede Rede de Transporte Primária Par de fibras ópticas No nó de acesso acesso o sinal óptico é convertido para um sinal de radiofrequência (RF) e injectado na rede coaxial Nó de Acesso Nó de Acesso Rede de Transporte Secundária Fibra óptica Nó de acesso óptico Rede Coaxial © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Espectro de radio-frequência O canais de televisão (serviço distributivo) fazem uso da banda directa situada entre 111 e 750 MHz. A parte entre os 550 e 750 MHz é usada para televisão digital e ligação interactiva descendente. O via de retorno é usada para as ligações interactivas ascendentes. Note que os sinais transmitidos são sinais de radiofrequência FDM, logo analógicos. Canais de TV analógicos Canais digitais Upgrade futuro Via de Retorno Canais FM 5 65 88 108 111 550 750 1000 f (MHz) Desmodulador (Televisor) Fibra Óptica f1 fN Receptor Óptico f f Sinal de radiofrequência fN Filtro Passa Baixo Oscilador local sintonizável © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)

Rede BT 21st Century Network Redes do Século XXI As palavras chave vão ser banda larga e convergência. A banda larga irá exigir a aproximação da fibra óptica ao utilizador. A convergência irá reduzir o número de tecnologias de rede usadas tanto na camada de serviço, como na camada de transporte. Plataforma de acesso multiserviço Camada de rede de serviço Cobre IP/MPLS Rede BT 21st Century Network Cobre Fibra OTN ONU Fibra Camada de rede de Transporte Utilizador © João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06)