sistemas e redes de telecomunicações
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Sistemas e Redes de
Telecomunicações
Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e
e de Computadores
© João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (05/06) 2
Capítulo 1
Introdução às redes de telecomunicações
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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 GSM1985 - 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 SDH1995 – 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)
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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
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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
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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. Dados (Internet)
Telefónico (voz)
1990 2010
Tráfego
Actualmente o planeamento das infraestruturas de telecomunicações deve ser determinado pelo tráfego de
dados
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Evolução dos débitos no acesso de cobre
Fonte: João Santos e Orlando Quadros, TFC, 2006
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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
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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
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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.
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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.
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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.).
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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.
v1v2
v3
v4
v5
e1
e2
e3e4
e5 e6
e7
1 2
3
4
5
Topologia física Topologia lógica
Fluxo de informação Grafo da
rede
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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
Árvore
Anel
Barramento (Bus)
A
B
C
D
E
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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).
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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.
Rede de Transporte
Rede telefónica
Rede de dados
Rede celular
Circuitos alugados
Rede de cabo
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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.
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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).
ADM
CC
Camada de rede de Transporte
Camada de rede de serviço
CC
CC
CC
ADM
ADM
ADM ADM
A
B
C
D E
a b
c
d
Tecnologias de rede para o transporte:
SDH (Synchronous Digital Hierarchy) , WDM, (Wavelength
Division Multiplexing), OTN (Optical
Transport Network)
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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.
Núcleo100s-1000s kmMalha
Metro10-100 kmAnel
Acesso<10 kmAnel, estrela, etc
Utilizadores
Na rede de núcleo e na rede metropolitana a topologia física é normalmente imposta
pela camada de transporte.
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.
Tecnologias de transmissão no acesso: pares de cobre, cabo coaxial, fibra óptica,
soluções rádio (FWA).
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Rede Telefónica Pública Comutada
• A topologia em estrela é a solução mais simples
CC
Central de comutação tefefónia
Telefone
A topologia mais simples para uma rede telefónica é a topologia em estrela, ligando
uma central de comutação telefónica ao equipamento terminal do utilizador.
Número de centrais de comutação
C
us
to
custo da linha
custo total
nº óptimode centrais
custo da comutação
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.
Para interligar todas as centrais entre si, a solução mais económica é usar uma central
de nível superior: central tandem.
Estrutura hierárquica
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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 de núcleo ou de troncas
Rede internacional
Central internacional
Centros de trânsitosecundário
Centros de trânsitoprimários
Centrais locais
CentralTandem
Rede de acesso ou local
Rede de junção
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
Tra
nsm
iss
ão
a 2
fio
s
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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.
CR
CLRDI
Central analógica
Equipamentode rede. Conversão A/D
CL
CT
CR
CT
CT CL
CT
CLCL CL Central de trânsito digital
Central local digital
Concentrador digital
Telefone analógico
Transmissão digital
Transmissão analógica
Acesso analógico
Passo seguinte: Proporcionar transmissão digital até ao utilizador (RDIS)
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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
NT1
NT1
TA
Telefone analógico Telefone digital
PPCA
Interface U
Interface U
Acesso básico
Acesso prima´rio
Interface SInterface T Central de
comutação
Para manter compatibilidade com os telefones analógicos
usa-se um adaptador TA
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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).
Cabeça de Rede
Repartidorcoaxial
Amplificador de troncacom repartição
Utilizador
Amplificador de linha
Nó de acesso óptico Cabo coaxial
Fibra ÓpticaUtilizador
A rede coaxial apresenta uma topologia em
árvore
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
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Rede deTransporteSecundária
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.
Cabeça de Rede
Cabeça de Rede
Nó deAcesso
Nó deAcesso
Nó de Acesso
Nó de Acesso
Par de fibras ópticas
Rede deTransportePrimária
Fibra óptica
Rede CoaxialNó de acesso
óptico
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.
No nó de acesso acesso o sinal óptico é convertido para um sinal de radiofrequência
(RF) e injectado na rede coaxial
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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.
5 65 88 108 111 550 750 1000 f (MHz)
Via deRetorno
Canais FM
Canais de TV analógicos
Canais digitais
Upgrade futuro
Fibra Óptica ff1
fN
fN
Receptor Óptico
f
Filtro Passa Baixo
Desmodulador (Televisor)
Oscilador local sintonizável
Sinal de radiofrequência
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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.
Camada de rede de Transporte
OTN
IP/MPLS
Camada de rede de serviço Plataforma de acessomultiserviço
Utilizador
ONU
Fibra
Fibra
Cobre
CobreRede BT 21st
Century Network
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