transmissão digital em pares simétricos na rede de acesso · transmissão digital em pares...

© Adolfo Cartaxo e João Pires Sistemas e Redes de Telecomunicações (07/08), Cap. 3 22

Transmissão digital em pares simétricos na rede de acesso

Acesso em banda base Acesso com modulação digital

Acesso RDIS, HDSL Acesso com modems de banda de voz, ADSL, VDSL

Códigos de linhaBipolar (AMI), 2B1Q

Modulações digitaisFSK, PSK, QAM, DMT


Critérios de Nyquist para sistemas em banda base

BT

Ds

s 21≤=Primeiro critério de Nyquist

Códigos de linha unipolar / polar (multi-nível), bipolar (AMI) ...

Para transmitir uma taxa de Ds símbolos por segundo é necessária uma largura de banda de, pelo menos, Bmin=1/(2Ts)=Ds/2

Taxa de sinalização de Nyquist Taxa máxima de sinalização

(símbolos/segundo) conseguida através de um sistema passa-baixas de largura de banda B

sem IIS é igual a 2B

Para um sistema sem IIS e com factor de excesso de banda β

(fracção de banda usada em excesso relativamente à banda mínima, Bmin, necessária segundo o 1º critério de Nyquist),

a largura de banda usada é

B=Bmin (1+β)

A largura de banda necessária num sistema real

é superior àindicada pelo 1º

critério de Nyquist.

IIS: interferência inter-simbólica


Critérios de Nyquist para sistemas modulados

BT

Ds

s ≤=1

Primeiro critério de Nyquist

Modulações ASK, PSK, QAM (sem modulação de frequência)

Para transmitir uma taxa de Ds símbolos por segundo é necessária uma largura de banda de, pelo menos, Bmin=1/Ts=Ds

Taxa de sinalização de Nyquist Taxa máxima de sinalização

(símbolos/segundo) conseguida através de um sistema passa-banda de largura de banda B

sem IIS é igual a B

Para um sistema sem IIS e com factor de excesso de banda β

(fracção de banda usada em excesso relativamente à banda mínima, Bmin, necessária segundo o 1º critério de Nyquist),

a largura de banda usada é

B=Bmin (1+β)

A largura de banda necessária num sistema real

é superior àindicada pelo 1º

critério de Nyquist.

IIS: interferência inter-simbólica


Modems de banda de voz

Para Db > 2400 bit/sutiliza-se igualação

adaptativa na recepção (desmodulação)

Assinante AAssinante A Assinante BAssinante B

MOdulatorDEModulator MOdulator

DEModulatorMODEM MODEM

Par simétrico

Rede

telefónica

Rede Rede

teleftelefóónicanicaPar

simétrico

Canal telefónico (voz) analógico: banda passante entre 300 e 3400 Hz

FSK+DDF Db = 0.3 kbit/sPSK+DDF 1.2 kbit/s ≤ Db ≤ 2.4 kbit/s

QAM+CE Db ≥ 9.6 kbit/s


Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

• Estrutura do modulador M-QAM ( )

• Constelações

2→L

2→L Filtro

Filtro

×

×

∼

90º

∑ConversorSérie-Paralelo

Db/2

Db/2Db

Portadora

{ }( ) ( )

( ) Re ( )e

= ( ) cos ( )sin

j til

l

l i l il l

s t c t

a t t b t t

ω

ω ω

= ∑

−∑ ∑

b(t)

0001

0000

0011

0010

0100

0101

0111

01101110

1111

1101

11001000

1001

1011

1010

a(t)

a(t)

b(t)

00

0111

10

4-QAM16-QAM

)(ts

ML =1 2

12 2

baud2log log

b bs

D DDL M

= =

2 Hz log2

(min)2 L

DDB bsFI ==

3

3 2

2

2 log(min)

log bit/s/Hz

b

FI

D LB

M

ε = =

=

( ) ( ) j ( )l l lc t a t b t= +

bl (t)

al (t)


Acesso digital sobre pares simétricos

• As soluções que usam o par simétrico para suportar acesso digital são derivações da tecnologia de lacete digital de assinante ou DSL (Digital Subscriber Loop).

• O IDSL ou lacete digital de assinante RDIS suporta o acesso básico, a que correspondem 2B+D canais (2×64 kbit/s + 16 kbit/s), que com a adição de 16 kbit/s (funções de sincronização de trama e manutenção) conduz a 160 kbit/s. O acesso primário corresponde a 30B+D canais e a um débito de 2.048 Mbit/s.

• A tecnologia HDSL permite transmitir sinais E1 sobre pares simétricos, sem a utilização de regeneradores até distâncias de 4 km. Necessita, para isso, de usar três pares simétricos. Cada par simétrico suporta um débito de 784 kbit/s com uma codificação 2B1Q.

IDSL DSL para aplicações em redes ISDN (RDIS)

HDSL DSL de alta velocidade (High-Speed DSL)

ADSL DSL assimétrico (Asymmetric DSL)

VDSL DSL de muito alta velocidade (Very-high-speed DSL)


Configuração de referência do acesso RDIS

• Configuração do acesso básico RDIS

• O lacete digital de assinante inclui o par simétrico e os blocos NT1 e LT. A RDIS oferece acesso básico e acesso primário.

Acesso básico

2×64 kbit/s – canais B para comunicação

1×16 kbit/s – canal D para sinalização

Interface U a 2 fios a 160 kbit/s

Acesso primário

30×64 kbit/s – canais B para comunicação

1×64 kbit/s – canal D para sinalização

Interface U a 4 fios a 2 Mbit/s

Terminaçãode linha (LT)

Terminaçãode rede (NT)

Par simétricoNT1NT2

Instalações de cliente

LT

Central de Comutação Local

RP

Interface U

Interface T


Lacete digital de assinante

• A técnica de duplexagem mais usada é o cancelamento de eco, embora o TCM também possa ser usado.

• A estrutura simplificada do NT1 (modem RDIS)

• O emissor, para além de outros blocos, inclui um codificador 2B1Q.

• O receptor, para além de outros blocos, inclui um descodificador 2B1Q e um igualador adaptativo.

HíbridoCanceladorde ecos

∑

Emissor

Receptor

y(t)

r(t))(ˆ tr-

+ x(t)

Código 2B1Q 00 -301 -110 +311 +1

ecosLacete de assinante

(2 fios)


ADSL (Asymmetric DSL)

• O ADSL é uma tecnologia que permite a transmissão assimétrica. A duplexagem pode ser efectuada por divisão na frequência ou por cancelador de eco.

0 4 25 138 150 1104Frequência (kHz)

Espe

ctro

Transmissão descendente

Transmissão ascendente

Voz (telefonia)

DDF 6 Mbit/s: descendente 640 kbit/s: ascendente

Espe

ctro

Transmissão descendente

Transmissão ascendente

Voz

(telefonia)

0 4 25 138 150 1104Frequência (kHz)

EC8 Mbit/s: descendente 800 kbit/s: ascendente

• Um sistema ADSL consiste em modems ADSL colocados em ambas as extremidades do par simétrico. A técnica de modulação mais usada é a modulação multi-tom discreto ou DMT (discrete multitone).


Acesso em ADSL

Comutadortelefónico

DSLAM

Rede telefónica

Acesso àrede IP

Central local (ATU-C)

Filtro /Splitter

Multiplexador de acesso ADSL (500-1000 linhas ADSL)

ModemADSL

Instalações de assinante (ATU-R)

Filtro /Splitter

Par simétrico

Espectro

f (kHz)40 25 138 150 1104

Banda do POTS

Banda do sentido assinante – central local

Banda do sentido central local - assinante

Serviços: acesso de banda larga àInternet e vídeo-a-pedido (com compressão, Db ~ 2 Mbit/s)Assinantes residenciais


Modem ADSL / Carta de linha DSLAM

Par simétrico

Fonte: J. Bourne, D. Bursteim, DSL, Wiley, 2002


Modulação multi-tom discreto (DMT)

• A sequência binária de entrada é dividida em blocos de b bits os quais são armazenados numa memória.

• Os bits são, então, divididos entre N sub-canais, sendo o número de bits alocados a cada sub-canal dependente da relação sinal-ruído desse canal.

• Os bits alocados a cada sub-canal vão, em seguida, modular uma portadora usando QAM (quadrature amplitude modulation).

Conversor S/P

&

memória

QAM

f1

Filtro

QAM

f2

QAM

fN

Filtro

Filtro∑

Db

frequênciaf1 f2 f3 f4 fN

Ampl

itude

Como a banda atribuída a cada sub-canal éreduzida, o atraso de grupo e a atenuação são aproximadamente constantes nessa banda.

a distorção e a IIS são reduzidas, tornando desnecessário o uso de igualador.


DMT (2)

Efeito da interferência no espectro de um sinal DMT

Efeito das perturbações de transmissão no número de bits por sub-canal

0.2 1.1 f (MHz)

Potê

ncia

tran

smiti

da

por s

ub-c

anal

0.2 1.1 f (MHz)

Núm

ero

de b

its p

or

sub-

cana

l

Potê

ncia

no

rece

ptor

0.2 1.1 f (MHz)

diafonia

Interferência de rádios

Fonte: J. Bourne, D. Bursteim, DSL,

Wiley, 2002


Organização da trama ADSL

• A sequência de bits é organizada em tramas constituídas por M bits. Cada trama é constituída por N sub-blocos {B1, B2, ..., BN}, tal que B1+B2+ ... +BN=M.

• O número de bits de cada sub-bloco está relacionado com a dimensão da constelação do sub-canal correspondente ao sub-bloco.

b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 b10 b11 b12 b13 b14 b15 b166

b17 b18 b19 b20 b216

4 0 5 3 1 2

Trama, Td = 250 μs

Os sub-blocos são ordenados de acordo com a dimensão da constelação correspondente.

Os sub-blocos de menores dimensões são os que aparecem em primeiro lugar.

Na presença de constelações com idêntica dimensão aparecem primeiros os sub-blocos correspondentes às portadoras de menor índice.

Índice da sub-

portadora

Sistema com 6 sub-canais e trama com 22 bits

Duração da trama = 250 μs

Débito de símbolo = 4 kbaud


Very high-speed DSL (VDSL)

• O VDSL pode ser simétrico ou assimétrico.

1.5 km1.6 Mbit/s13 Mbit/s

0.3 km6.4 Mbit/s54 Mbit/s1 km3.2 Mbit/s26 Mbit/s

AlcanceDébito (Ascendente)

Débito (Descendente)

1.5 km6.5 Mbit/s6.5 Mbit/s

0.3 km25 Mbit/s25 Mbit/s1 km13 Mbit/s13 Mbit/s

AlcanceDébito (Ascendente)

Débito (Descendente)

0 .12 0.3 0.7 1 10 30

Sentido ascendente

Voz (telefonia)

Sentido descendente

fmin fmax

RDISEs

pect

ro

Frequência (MHz)

Assimétrico Simétrico

Plano de frequências para o VDSL com duplexagem DDF

A duplexagem CE não pode ser usada nos sistemas simétricos, porque com a tecnologia actual os canceladores de

eco não funcionam para bandas superiores a 1 MHz.


VDSL

• O VDSL divide-se em VDSL de longo alcance (≤1.5 km) e VDSL de curto alcance (≤0.3 km). O VDSL de longo alcance suporta um débito descendente máximo de 14.5 Mbit/s e um débito ascendente de cerca de 2 Mbit/s. Os débitos máximos para o VDSL de curto alcance são 58 Mbit/s e 6 Mbit/s.

• O VDSL de longo alcance aparece associado às soluções em fibra FTTCab, enquanto o VDSL de curto alcance aparece associado às soluções FTTC / FTTB.

Nó de Acesso Assinante

OLT ONU NTDistância <1.5 km

VDSL de longo alcance

FTTCabFibra óptica

OLT ONU NTVDSL de curto

alcanceFTTC/FTTB

Fibra ópticad < 0.3 km

O VDSL não é uma tecnologia de acesso

autónoma


ADSL (débito / distância)

VDSLADSL2+ADSL2

Distância (km)

Déb

ito b

inár

io d

esce

nden

te (M

bit/s

)

ADSL


Arquitecturas em fibra

• Na arquitectura FTTH (Fibre To The Home), a fibra óptica vai até às instalações do assinante e, deste modo, a ONU realiza as funções da NT (Network Termination).

• Na arquitectura FTTC (Fibre To The Curb) ou FTTB (Fibre To TheBuilding), cada ONU serve entre 10 a 100 casas, ou edifício (<300 m do assinante). Neste caso, há uma rede de distribuição adicional entre a ONU e a NT, em cobre (par simétrico, ou par coaxial) ou via rádio.

• Na solução FTTCab (Fibre To The Cabinet), a ONU está mais afastada do assinante (<1.5 km), requerendo também uma rede de distribuição adicional.

• Outra arquitectura alternativa, designada rede óptica passiva ou PON (Passive Optical Network), usa um repartidor óptico passivo para dividir o sinal proveniente da OLT por várias ONUs.


Redes Ópticas Passivas para FTTx

OLTONU

ADSL (< 6 km )

< 8 Mbit/s

FTTEx

ONUADSL / VDSL (< 1 km )

< 26 Mbit/s

FTTCab

ONU VDSL(< 300 m )

< 52 Mbit/s

FTTC

ONT622 Mbit/s descendente155 Mbit/s ascendente

FTTH/B

Central Local

NT

NT

NTConcentrador

PON: Passive Optical Network


Arquitectura APON

• A ligação descendente (nó de acesso-ONU) é feita no comprimento de onda de 1.55 μm e a ascendente (ONU-nó de acesso) no comprimento de onda de 1.3 μm.

• Cada ONU deve operar ao débito binário agregado de todas as ONUs. • As normas das APON especificam um débito descendente de 622 Mbit/s e

um débito ascendente de 155 Mbit/s. • Usando um divisor de 1/32, o débito descendente permite proporcionar a

cada ONU cerca de 20 Mbit/s.

Laser

Laser

Receptor

Laser

Receptor

Laser

Receptor

Divisor / combi-nador

Central LocalUnidade Remota

ONU 1

ONU N

1310/1550 nmmux/demux

1.55 μm

1.3 μm

ONU k

Divisão: 1 / 32-64

155 / 622 Mbit/s

155 Mbit/s

OLTMUX ATM


Ethernet PON (EPON)

• Ethernet PON é uma rede baseada numa PON que transporta tráfego encapsulado em tramas Ethernet (norma IEEE 802.3). Usa um código de linha 8B/10B e opera com os débitos típicos da Ethernet (10/100/1000/10000 Mbit/s).

• No sentido descendente, as tramas Ethernet transmitidas pelo OLT passam através de um divisor 1:N e chegam a cada ONU. Cada ONU extrai as tramas que lhe são destinadas com base no endereço MAC (media-access control).

LaserOLT ONU 2

3 2 1 2 3 2 1 2

ONU 33 2 1 2

ONU 13 2 1 2

Trama Ethernet

1

2

3

2

Cada ONU extrai a trama que lhe édestinada usando o endereço MAC

Divisor

1:N


Ethernet PON (EPON) (2)

• No sentido ascendente, há o problema da contenção. Duas tramas que cheguem simultaneamente ao OLT colidem. Neste caso não se pode aplicar um mecanismo similar ao CSMA/CD (carrier sense multiple access withcollision detection) usado nas LANs, já que cada ONU não vê as outras ONUs.

• Para sincronizar as diferentes ONUs, usa-se um esquema TDMA semelhante ao usado na APON. Assim, a cada ONU é alocado um time-slot, com capacidade para transportar várias tramas Ethernet.

LaserOLT ONU 2

ONU 3

ONU 1

Trama Ethernet

1

2

3

2

Combinador / divisor

3 333 3

2 2

1

1 2 2 33 3

Time-slot

Cada ONU armazena em memória as tramas recebidas dos utilizadores até que o seu time-slot chegue. Nesta altura, envia todas as tramas armazenadas em rajada, à velocidade máxima do canal. Se não houver tramas em número suficiente para encher um time-slot, são enviados caracteres de 10 bits sem informação.

Os esquemas de alocação de time-slots podem ser estáticos ou dinâmicos. Neste último caso, a dimensão do time-slot é ajustada em função da fila de espera na ONU.

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