Capitulo 8 Multiplexing e Transmissão de dados para longas distâncias Redes de Comunicações Capitulo 8 Multiplexing e Transmissão de dados para longas distâncias

Introdução Porque as técnicas utilizadas para comunicação local não funcionam bem para grandes distâncias?

Introdução Portadora senoidal. Para enviar dados, o sistema de transmissão modifica levemente o sinal da portadora.

Introdução A técnica que altera o sinal da portadora para enviar dados é chamado de modulação. Esta técnica foi utilizada originalmente para fazer transmissões de tvs e rádios. É utilizada tanto para fios de cobre, fibras, ondas de rádio ou microondas.

Introdução A idéia básica é que os receptores sintonizem na portadora e extraiam dela as pequenas variações (modulações) ocorridas. O rádio, por exemplo, descarta a portadora e toca somente o áudio que estava presente na modulação.

Técnicas de modulação Técnicas de modulação: Modulação por amplitude (AM); Modulação por Frequência (FM).

Modulação AM Codificação em AM de sinais de bits. Ineficiente, teorema de Nyquist diz que podemos codificar mais bits durante um ciclo.

Modulação por deslocamento de fase Uma técnica moderna é feita com deslocamento de fase: phase shift modulation. Utiliza mudanças bruscas na fase do sinal para codificar os dados.

Modulação por deslocamento de fase Cada deslocamento é escolhido de modo que represente uma potência de dois valores possíveis. Ex: um sistema de dados com três bits precisa de oito deslocamentos diferentes; A taxa máxima que pode ser transmitido usando deslocamento por fase é: 2Blog22T ou 2BT.

Modem Modem é um hardware capaz de modular e demodular dados. O processo de modulação codifica os dados digitais (bits) no sinal da portadora; O processo de Demodulação faz a leitura do sinal da portadora e extrai as informações e as codifica em bits novamente.

Modem de longa distância Esquema para longas distâncias:

Sistema telefônico Não é possível para você instalar fios necessários para uma comunicação para longas distâncias, por exemplo: de uma cidade para outra (custo, leis, etc). Aluguel de linha serial das telefônicas: Considerar vantagens e desvantagens.

Rádio e luz Outros meios de transmissão utilizam métodos de modulação: Transmissões em ondas de rádio (Wireless Networks); Fibras de vidro. As tecnologias usadas podem ser diferentes, mas os princípios são os mesmos.

Modem Dial-Up É diferente do modem de 4 fios: Usa apenas um par de fios; Tem circuitos que simulam o levantar do telefone do gancho, discagem de um número e o desligamento; Simulam também o atendimento a uma ligação; Trabalha na frequência do áudio ( portadora); Usam tons diferentes (FULL DUPLEX) ou coordenação para não falarem ao mesmo tempo (HALF DUPLEX).

Funcionamento Funcionamento: Modo espera; Modo de chamada; Negociação sobre parâmetros (portadora, protocolos, etc); Os computadores não sabem como é feita a transmissão.

Multiplexação da portadora As redes de computadores utilizam os mesmo princípio utilizados pelas estações de rádio e tv. O mesmo princípio também é usado em transmissão em fios e fibras de vidro:

Multiplexação

Multiplexação por Divisão de Frequência FDM – Frequency Division Multiplexing Aproveitamento da Largura de Banda que sobra do meio para criar em canais Cada sinal é modulado em portadoras com frequencias diferentes As portadoras são separados para não interferirem uma as outras Ex: Broadcasting de rádio Canal alocado mesmo sem dados a serem transmitidos

Diagrama FDM

Sistema FDM

Três sinais de Vozes FDM

Sistema de Portadora Analógica Inventado pela AT&T (USA) Esquema hierarquica FDM (Padrão) Grupos (Group) 12 canais de voz (4kHz cada) = 48kHz faixa 60kHz to 108kHz Super grupos (Supergroup) 60 canais Portadora de FDM de 5 grupos de sinais entre 420kHz e 612 kHz Grupos Mestres (MasterGroups) 10 supergroups

WDM - Wavelength Division Multiplexing Múltiplos transmissores de luz em diferentes frequência Usa como meio a fibra ótica Variação do FDM Cada cor de luz é usada como um canal de dados Proposto em 1997 Bell Labs 100 Emissores Cada canal podendo atuar em 10 Gbps Atinge 1 terabit por segundo (Tbps) Sistemas comerciais de160 canais de 10 Gbps Lab systems (Alcatel) 256 canais em até 39.8 Gbps cada 10.1 Tbps Distância em mais de 100km

WDM Arquitetura comum e geral como as outras FDM Cada laser opera em diferentes frequências Multiplexadores são utilizados para unir os diferentes fontes de dados e serem transmitidos em uma única fibra Amplificadores óticos regeneram o sinal A cada 10 Km Um Demultiplexador separa os vários canais no destino Opera na faixa de 1550 nm de comprimento de onda Foi usado para ter lagura de banda de 200MHz por canal inicialmente Mas agora opera em 50GHz

DWDM- Dense Wavelength Division Multiplexing Padrão não oficial em estudo Implica em mais canais para ambientes mais curtos que o WDM 200GHz ou menos

STDM - Synchronous Time Division Multiplexing A taxa de dados do meio excede a capacidade da taxa de dados do sinal digital a ser transmitido São sinais digitais intercalados no tempo Pode ser mutiplexados apenas um bit ou um bloco de dados Time slots são fixos para cada fonte de dados Os times slots são alocados mesmo para fontes sem dados Forma de time slots não utiliza o canal de forma distribuidamente justa

Time Division Multiplexing

TDM System

Controle de Link do TDM (Link Control) Nenhum cabeçalho ou marcação Protocolo de Controle de Link não é necessário Controle Fluxo A taxa de dados é fixa Se um canal não puder receber os dados, os outros canais devem continuar operando O canal correspondente deve ser parado, liberando o time slot Controle de Erro Erros são detectados em tratados individualmente pelo sistema de canal usado

Data Link Control on TDM

Framing (Enquadrar) Sem flag ou caracteres de SYNC agrupamento de TDM frames Uso de um mecanismo de sincronismos Adição de digitos de framing Um bit de controle é adicionado para cada TDM frame É vista como um canal independente para controle Usa padrão de bit identificáveis Ex: 01010101… Pode comparar a aproximação de padrões de bits em cada canal

Pulse Stuffing Problema – sincronização de fontes de dados Diferentes fontes de clock drifting Diferentes fontes de taxas de dados não relacionam-se pela simples razão numérica Solução – Pulse Stuffing Taxas de dados de saídas maior que a soma dos dados de entrada Dados de bits Stuff extra ou pulsos de sinal extras até casar com a clock local Os pulsos Stuff extras são extraídos do frame depois pelo demultiplexador

TDM para fontes Analógicos e Digitais

Telefonia digital As companhias telefônicas foram os responsáveis por desenvolverem as tecnologias de transmissões de dados de longas distâncias. As rede de dados de computadores utilizam esta infra-estrutura criada para transmitir seus dados.

Telefonia digital A telefonia digital surgiu pela necessidade de melhorar a qualidade do sinal de voz para longas distâncias. O sinal analógico sendo transmitido para longas distâncias necessita de circuitos que amplifiquem o sinal para manter-se. Isto porém, introduz distorções e ruídos na transmissão.

Telefonia digital A conversão para sinais digitais, evita esses problemas mencionados. A versão digital de um sinal áudio analógico é chamado de áudio digital. O processo utilizado para converter um sinal analógico para digital é chamado de digitalização. O hardware necessário para a conversão é chamado de conversor analógico-digital (conversor AD).

Conversor AD O conversor AD faz amostragem periódicas do sinal, convertendo o valor da amplitude do sinal daquele instante.

Conversor AD Os cientistas descobriram que um sistema para transmissão de voz deve ser capaz de reproduzir a frequência de pelo menos até 4000Hz para transmitir uma voz humana. Se tivermos que codificar este sinal, devemos recorrer a teoria de Nyquist para saber qual a largura de banda necessária para fazer a transmissão de dados que utiliza 4000 Hz.

Conversor AD Segundo a teoria, um sinal (informação) pode ser reconstituído se a largura de banda for pelo menos duas vezes maior que a frequência significativa mais alta utilizada. Deste modo, para um sistema com frequência de 4000hz, precisaremos de pelo menos 8000 amostragem por segundo para podermos reconstituir o sinal depois. O conversor AD deve ser capaz de ter uma amostra a cada 125 microssegundos.

O padrão PCM O esquema de amostragem de sinal utilizado para transmissões digitais das companhias telefônicas é chamado de “pulse Code Modulation” - PCM. Ela define que um sinal analógico pode ser amostrado a cada 125 microssegundos com valores de até 255 níveis diferentes.

Comunicação SINCRONA A tecnologia utilizada para transmissões de longas distâncias são baseadas em comunicações SINCRONAS. Características: Nasceram para serem utilizadas apenas para transmissão voz analógicas; São tecnologias baseadas em comutação de circuitos.

Circuitos digitais As redes de computadores também utilizam a redes inventadas pelas companhias telefônicas para fazer as transmissões de dados. As companhias alugam suas conexões por uma taxa mensal para permitir que computadores possam se comunicar entre dois prédios distantes ou até entre cidades.

Circuitos digitais A tecnologia de transmissão digital de voz e de dados utilizado pelos computadores tem características de funcionamentos diferentes. Os padrões são diferentes, portanto há necessidade de utilizar um dispositivo de hardware especiais para que interajam entre si.

Circuitos digitais Conhecido como data Service Unit/Channel Service Unit (DSU/CSU)

Circuitos digitais A porção CSU, trata de terminação da linha e diagnósticos. Contém circuitos para tratar surtos de energia elétrica provocada por raios; Verificar se a outra unidade DSU/CSU está funcionando corretamente; Tem um circuito que limita o envio excessivo de ‘1’s. A porção DSU, traduz os dados do formato digital usado no circuito da concessionária para o formato digital que o computador entende.

Padrões telefônicos Os dispositivos DSU/CSU devem comportar os padrões adotadas pelas companhias telefônicas. Esses padrões definem as diferentes capacidade de transmissão de dados digitais que podem ser usados.

Padrões telefônicos Um canal de voz exige uma linha de 64kbps (8000 amostras de 8bits/s). Uma linha T1, pode comportar 24 canais independente de 64kbps. Um multiplexador é utilizado para multiplexar vários canais numa transmissão, enquanto que na outra ponta é usado um demultiplexador para restaurar os vários canais recebidos na transmissão. É possível multiplexar 28 canais de T1 em um circuito T3.

Padrões DS Padrões DS especificam padrões de multiplexação de múltiplos telefonemas sobre uma única conexão. São denotados através de “DS” seguido de um número igual aos denotadas as linhas “T”.

Circuitos fracionários As linhas T1 podem ser multiplexadas para fornecerem canais menores para os usuários. São canais tais como: 64 Kbps,128 Kbps, 9.6 Kbps, etc. A técnica utilizada para a multiplexação/Demultiplexação é a TDM. Esta divisão permite preços populares para pequenas empresas que não precisam de uma largura de banda muito maior.

Circuitos intermediários MUX INVERSO Como alocar velocidades apenas pouco maiores que T1, porém sem ter usar o próximo, que seria o T3, que tem 28 vezes a capacidade de um T1.

Circuitos de mais alta capacidade Os padrões Synchronous Transport Signal (STS) padronizam velocidades ainda maiores. São utilizados para fazer conexões que interligam um país ou entre países.

O que é o padrão OC Padrões para concessionária óticas: Padrão OC - Optical Carrier. O padrão OC é o termo correto para referir o meio de transmissão usado para o meio ótico. Enquanto que STS define o padrão elétrico usado para fazer a interface na conexão ótica.

Sistema de Transporte Digital TDM Hierárquico USA/Canada/Japão usam um único padrão ITU-T usa um similar (mas diferente) sistema O sistema dos US é baseado em formato DS-1 Multiplexado em 24 canais cada frame tem 8 bits por canal mais um framing bit São 193 bits por frame

Sistema de Transporte Digital (2) Para cada voz contida em um canal é digitalizado em dados (PCM, 8000 amostragem por segundos) Taxa de dados 8000x193 = 1.544Mbps Cinco dos seis frames tem 8 bit PCM samples O sexto frame contém um PCM de 7 bit, mais um bit de sinalização A forma sinalizada de bits stream de cada canal contém informações de controle e roteamento Formato Digital é o mesmo 23 canais de dados 7 bits por frame mais um bit indicador para dados ou controle O canal 24 é utilizado para sincronismo

Dados Mixados DS-1 pode transportar voz e dados mixados Todos os 24 canais são usados Não há bytes de sincronização O DS1 pode ser combinado Ds-2 pode ser formado com 4 DS-1 para atingir 6.312Mbps

Formato de transmissão DS-1

SONET Synchronous Optical NETwork - SONET Define padrões para envio dos dados , mais especificamente define o formato dos quadros e informações adicionais de sincronismo de relógio

SONET Um aluguel de um circuito STS-1 provavelmente usará equipamentos que codifiquem os dados em SONET. Cada quadro SONET STS-1 possui 810 octetos, que são distribuídos em 9 filas de 90 colunas. Um quadro SONET STS-3 possuirá por sua vez, 2430 octetos.

SONET/SDH Synchronous Optical Network (ANSI) Synchronous Digital Hierarchy (ITU-T) Compatíveis Hieraquia de sinal Synchronous Transport Signal nível 1 (STS-1) = Optical Carrier level 1 (OC-1) 51.84Mbps Transporta DS-3 ou grupos de baixas velocidades baseados DS1,DS2, etc Múltiplos STS-1 combinados podem gerar sinais de transporte maiores STS-N ITU-T especifica como a mais baixa taxa 155.52Mbps (STM-1)

SONET Frame Format

SONET STS-1 Overhead Octets

Statistical TDM No S-TDM muitos slots não são utilizados Statistical TDM aloca os time slots dinamicamente baseados na demanda As linhas de entradas são monitoradas para preencherem os frames Taxas de dados na linha menores que taxas agregadas na entrada

Statistical TDM Frame Formats

Desempenho Taxa de dados é menor que a taxa de dados agregados de entrada Pode ter problemas em horários de picos Entrada Bufferizada O tamanho é reduzido para minimizar os atrasos no envio

Buffer e atraso

Loop de Assinante Local É o termo utilizado para se referir à conexão entre o Escritório Central (EC) e a empresa ou residência. É a conexão utilizada para a conexão entre o provedor de rede até seus assinantes. Geralmente é baseada em circuitos analógicos.

Modens Dial-up Apesar dos modens terem melhorado bastante, ainda são limitados pela largura de banda de áudio (voz) e ruídos da linha telefônica. Várias outras tecnologias foram inventadas para permitir serviços de acesso mais rápidos utilizando a linha telefônica comum.

ISDN Integrated Services Digital Networks (ISDN) Foi um dos primeiros esforços para oferecer altas taxas de transmissão de dados em um alinha telefônica comum. Fornece voz e dados digitalizados para assinantes através do cabeamento de loop local convencional (par de cobre do telefone)

ISDN Fornece três canais de digitais de dados, B+B+D. Os dois canais 2B, operam cada um com 64Kbps. Podem transportar áudio, vídeo e dados digitais. O canal D, opera em 16Kbps e serve para trafego de sinais de controle. Controla os tipos de serviços que pode ser solicitado e administra a sessão em uso. Os dois Canais B podem ser unidos para fornecer um canal de 128Kbps.

ISDN Como é possível criar canais com largura de banda disponível de 2B+D?

ISDN Utilizando uma forma de multiplexação por divisão de tempo – TDM A ilusão de vários canais é criada pelo uso da multiplexação.

Tecnologia da Linha Assimétrica Digital de Assinantes O ISDN foi um das primeiras tecnologias que surgiu para permitir altas taxas de transmissões de dado digitais (64-128Kbps). Um das tecnologias mais interessantes é a Digital Subscriber Line – DSL. Existem diversas variantes que forçam a referência a tecnologia como xDSL.

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line – ADSL Utiliza a linha telefônica comum Fornece serviço assimétrico relativas as taxas de velocidades (Upload e download diferentes); Depende da qualidade do meio para fornecer uma velocidade máxima; Depende da distância da linha; Taxa máxima de downstream de 6,144Mbps e upstream de 640Kbps

ADSL Apesar de altas taxas que a tecnologia ADSL pode permitir, a velocidade depende muito da qualidade da linha telefônica. Desta forma a tecnologia utiliza métodos complexos para otimizar / Adaptar a melhor combinação de técnicas para extrair a melhor velocidade da linha que estiver conectada.

ADSL Conexão típica

ADSL Este serviço é possível, porque os engenheiros descobriram que muitos loops locais permitem a transmissão de sinais de alta frequência. A solução envolver adaptar dependendo das diferentes características de cada loop local: Distância Do cabeamento utilizado Ruídos e interferências

ADSL Quando os modens são ligados, eles examinam quais faixas de frequências ele pode utilizar sem grandes interferências e atenuações. O resultado é que o modem se ajusta a linha e otimiza o uso das frequências que ele pode usar. A modulação utilizada é a Discrete Multi Tone – DMT – Combina técnicas de multiplexação por divisão de frequência e multiplexação inversa.

ADSL O DMT divide a largura de banda em 286 frequências separadas ou subcanais: 255 canais são para downstream; 31 canais são para upstream; 2 canais para informações de controle. Existe um modem virtual para cada canal criado.

Discrete Multitone DMT Múltiplos sinais de transporte em diferentes frequências Alguns bits em cada Canal Cada canal tem 4kHz Cada canal é testado, verificando a relação sinal ruído São ao todo 256 canais de downstream possíveis operando à 4kHz (60kbps) 15.36MHz Na prática, em média alcança 1.5Mbps até 9Mbps

ADSL Cada canal é espaçado em intervalos de 4,1325Khz para evitar interferências entre os canais subjacentes. A ADSL também evita usar a largura de banda menor que 4Khz para não interferir na comunicação de voz.

ADSL A ADSL, verifica qual frequência consegue se comunicar melhor e descarta aquelas que tem muita interferências Também verifica se a qualidade da linha for muito boa, para tenta codificar mais bits por baud. Se a houve ruídos e interferências que prejudiquem a qualidade da transmissão, ele ainda sim utiliza a frequência codificando menos bits por baud.

Alocação de Bits para o DTM

Transmissão DMT

ADSL O resultado final é que A ADSL não garante taxas mínimas de velocidade. As taxas de downstream podem variar de 32Kbps até 6,4Mbps As taxas de upstream podem variar de 32 a 640Kpbs

Asymmetrical Digital Subscriber Line ADSL Link entre assinante e a rede Loop Local Utilização de par trançado Pode transportar espectro largo 1 MHz ou mais

ADSL Design Assimétrico FDM Atinge 5.5km Maior capacidade de downstream que upstream FDM Separa 25kHz para voz Manter o serviço de telefonia tradicional - Plain old telephone service (POTS) Usa cancelamento por ECO ou FDM para criar duas bandas Usa FDM dentro das bandas Atinge 5.5km

Canal de Configuração ADSL

xDSL High data rate DSL Single line DSL Very high data rate DSL

Outras DSL Symmetric Digital Subscriber Line – SDSL Fornece taxas de velocidades iguais para ambas as direções; Tem uma leve vantagem em operar onde a ADSL não consegue.

HDSL O High Rate Digital Subscriber Line – HDSL Fornece velocidades DS1 (1,544Mpbs) Limite restrito de distância para loops locais Exige dois pares de cabo

VDSL A Very-high rate Digital Subscriber Line – VDSL: Taxas de até 54Mbps; Não podem manter uma conexão entre sua casa e Estação Central (EC); Exige pontos intermediários de conexão ( Ex: em cada bairro) com fibras óticas ligando esses pontos a EC.

Modem de Cabo As soluções usando Loop Local tem limitações inerentes ao uso de fios telefônicos. As soluções ADSL permitem altas taxas de bits, mas dependem de muitos fatores para alcançar uma boa velocidade de transferência de dados. Alternativa: Uso do cabeamento da TV à cabo.

Transmissão digital usando Cable Modem Uso de TV a cabo para a transferência de dados pode ser realizado pelo uso de dois canais dedicados Um cada direção Cada canal é compartilhado por um número de assinante Um esquema de alocação de capacidade é necessária Statistical TDM

Cable Modem Operation Downstream Upstream Agendamento de entrega de dados em pequenos pacotes A cada usuário assinante é dado uma fração da capacidade de downstream Atinge taxas de 500kbps até 1.5Mbps Upstream Assinantes também compartilham o canal de upstream para enviar dados. Para cada usuário é dado um ou mais time slots Slots dedicados para cada usuários A estação de TV cabo envia de volta o agendamento do timeslot necessário para aquele assinante

Esquema Cable Modem

Modem de Cabo Vantagens: Tem proteção a ruídos; Infra estrutura existente; Facilidade de envio de downstream de alta capacidade; Tem largura de banda ociosa. É possível então utilizar essa largura de banda sobrando para enviar além dos canais de TV, dados digitais.

Modem de Cabo Os dados podem ser enviados através de modens de cabo residentes na central da TV. Um outro modem sintonizado na mesma portadora da central de TV que está na casa do assinante é responsável por receber as informações digitais.

Modem de Cabo Na prática não é possível criar uma portadora (ou canal) para cada assinante. A solução encontrada foi multiplexar no tempo (TDM) o sinal para vários usuários ao mesmo tempo. Em vez de alocar uma portadora para cada assinante existente, a TV a cabo define uma portadora para vários usuário e define também um endereço para cada modem de um assinante.

Modem de Cabo Cada modem escuta a portadora, e fica verificando o endereçamento de cada pacote, caso o endereço seja igual, os pacotes são encaminhados para o computador do usuário. O esquema é muito parecido com a tecnologia de LAN Ethernet com sua rede compartilhada.

Modem de Cabo Os modens podem alcançar até 36Mbps, mas devido a esse esquema de compartilhamento, a cada novo assinante a capacidade efetiva de entrega de dados cai na razão de 1/N. Uma frequência portadora pode ser compartilha com os assinantes de um bairro, por exemplo.

Comunicação Upstream A infra estrutura original de TV à cabo não foi feita para providenciar upstream. Na verdade existem várias barreiras que impedem a comunicação inversa ao downstream. Uma alternativa é combinar um modem dial-up. Outra solução é fazer investimento na infra estrutura atual para que tenha o caminho dual previsto para permitir uma comunicação bidirecional. Justificativa: Vídeo sob demanda, TV interativa, etc.

Coaxial de Fibra Híbrida Hybrid Fiber Coax - HFC - tecnologia híbrida que utiliza fibra ótica e cabo coaxial para a transmissão de dados. Utiliza fibras óticas para os trechos que exige alta capacidade e cabos coaxiais nas partes que as velocidades podem ser menores. Tronco - trecho de alta capacidade que interliga o escritório da TV à cabo aos bairros. Circuito alimentador - refere-se ao trecho que faz conexão do tronco a sua casa.

Coaxial de Fibra Híbrida Característica Usa TDM e FDM; Possui largura de banda de 50 à 450 Mhz para TV analógica; Possui largura de banda de 450 à 750 para comunicação digital downstream; Os dados dos usuários são multiplexados dentro da faixa de um canal (6Mhz). Desvantagem Alto investimento. Vantagens Consegue multiplexar mais grupos de assinantes independentes através da linha de tronco.

Fibra para o Meio-fio Fiber to the Curb – FTTC. É semelhante ao HFC, pois usa fibras para o tronco de alta velocidade. A idéia é trazer a fibra mais perto possível do assinante e conectar ao tronco através de cabos coaxiais e fios adicionais. O primeiro traz o circuito para entregar vídeo interativo e o segundo é usado para transportar voz. Outras Tecnologias: Satélites.