Sistemas de redes troncales

Transcripción

1 Sistemas de redes troncales Errores de transmisión en sistemas troncales digitales Sistemas de multicanalización por multiplexión temporal Sistemas plesiócronos (PDH) Sistemas síncronos (SDH) PCM: efectos de errores de Tx Cuando se transmite una información digital, a menudo se tiene que se introducen errores en la recepción de los símbolos, debido al efecto del ruido. Evidentemente, el error que se introduce tiene significado diferente según sea la posición del bit errado, dentro del caracter (agrupación de los bits que representan una muestra de voz o de imágen codificada, o una letra de un texto, o el valor obtenido a la salida de un conversor A/D en aplicaciones de telemetría,etc.). Por ejemplo, si se transmiten octetos codificados de señales de voz, si se produce un error en el msb, esto se traduce en un error de signo. En cambio, si es en el lsb, afecta sólo al menor nivel de cuantización. A continuación se analizará el efecto del ruido de canal en la recepción de una señal codificada en PCM con cuantización uniforme. El análisis se basa en poder expresar el valor medio esperado del error, y su varianza, dado que la varianza es una medida de la potencia del error registrado.

2 Representación de los errores de canal en transmisión binaria Los errores de transmisión pueden ser representados mediante un diagrama de transición de símbolos recibidos. En una recepción binaria es posible identificar diferentes transiciones: P T () P C (/) P R () P T () P C (/) P C (/) P C (/) P R () P T ()+ P T ()= P C (/)+ P C (/)= P R ()+ P R ()= P = P RT (,) + P RT (,) = P C (/)P T () + P C (/)P T () Obtención de la probabilidad de error en canal binario simétrico P = P RT (,) + P RT (,) = P C (/)P T () + P C (/)P T () En un canal binario simétrico: P C (/) = P C (/) Entonces P = P C (/), no importando si se transmiten más s que s. Posteriormente se analizará como se pueden obtener los errores de canal en función de la densidad espectral de potencia de ruido y la energía de la señal. Si se envían n bits en sucesión, y la probabilidad de error en recepción es P y si el error de un bit es independiente del precedente o del siguiente, entonces la probabilidad de recibirlos todos ellos correctamente estará dada por: P = (- P ) n ~ - np, si P < -3

3 Cuantización del error de canal Supóngase que se envían n bits codificados, siendo el msb un bit de signo. Evidentemente, el error cometido será diferente según sea la ubicación del o de los bits recibidos con error. Si A máx es la amplitud máxima de la señal recibida, codificada mediante M = n niveles, entonces el error de cuantización ε i cometido por la recepción de un bit errado en la posición i, será de magnitud A máx / n -i-. Así si el error se comete en msb, i = n, ε n = A máx Si el error se comete en el lsb, i =, ε = A máx / n - Ejemplo: n = 3, si el error se comete en el bit +A max (sign) (i = ) lsb, entonces ε = A máx / = A máx /4 -A max (i = ) lsb (i = ) Cuantización del error de canal Si P e es la probabilidad de cometer un error en la recepción de un bit y es independiente de su ubicación, entonces el valor promedio de la muestra decodificada está dado por: n n E[ ε] = + εipe εipe = Si P e es la probabilidad de cometer un error en la recepción de un bit, entonces el error cuadrático medio promedio que resulta debido al error los bits estará dado por E[( ε E[ ε ]) ] = i E[ ε ] = P A e máx sea j = n - i n j 4AmáxPe n ( ) = ( ) n n ε i P e 3( ) 3

4 Error de canal y cuantización En probabilidades se tiene que si dos variables aleatorias son sumadas, el valor medio de la nueva variable aleatoria es igual a la suma de los valores medios. Ahora, si las variables aleatorias son independientes, la varianza de la nueva variable aleatoria también es la suma z = x + y E[ z] = E[ x] + E[ y] x, y indep. Aplicando lo anterior al error de cuantización, combinado al error de canal, resulta que E[ ε E[ ε z z 4A ] = 3( A ] = 3( máx n máx n Pe ( ) ) n A ) + 3( máx n n ( 4P ( ) + ) e z ) x E[( z E[ z]) ] = σ = σ + σ y sea j = n - i Relación S/N para PCM (considerando el ruido de cuantización y de canal) Si se considera que la potencia de señal de un proceso de transmisión de una señal analógica, muestreada y codificada en PCM es PS = d A máx, entonces la relación S/N es PS PN PS PN PCM PCM = A 3 = max n d A n ( + 4P ( ) ) 3( n max ) d n ( + 4P ( ) ) e e 4

5 Consideraciones relativas a la importancia relativa de errores. En la relación obtenida es posible establecer cotas interesantes relacionadas con la cuantificación de los errores derivados de la cuantización y del ruido en el canal. Por ejemplo, se puede evaluar P e para el caso en que la potencia asociada al error de cuantización es preponderante (por ejemplo veces la que se puede asociar al error causada por el ruido de canal) y viceversa. E [ ε z ] = A 3( máx n ) n { + 4 P ( ) } e P r o b a b i l i d a d d e e r r o r d e c a n a l,, E-5 E-7 E-9 E Número de bits Sumario El muestreo de señales analógicas requiere que la frecuencia de muestreo tiene que ser al menos el doble de la frecuencia de corte del filtro pasabajos de entrada. La mayoría de los conversores A/D utilizan el muestreo instantáneo. La duración del ciclo de conversión influye en la distorsión que puede experimentar la señal. El error de cuantización es una fuente de ruido importante, pero manejable por diseño en enlaces digitales. El ruido de canal es otra fuente de imprecisión en la recepción de señales codificadas digitalmente. Hay situaciones en que el efecto predominante en el deterioro de la relación S/N es el ruido de canal, o bien, el ruido de cuantización. El experto en telecomunicaciones debe poder distinguir los efectos y determinar si un sistema está operando adecuadamente. Referencias: L.Couch: Sistemas de Comunicación Digitales y Analógicos, 5ª Ed, Sección 3.3, Ejercicios 3.8 a 3.9 5

6 Ejercicios Problema Un sistema PCM para señales de voz tiene un BER = P e = -4. Suponga que se desea obtener S/N = 3 db en el receptor. La señal se distribuye uniformemente en amplitud. Determine el mínimo número de niveles de cuantización que se requiere para cumplir con lo deseado. También analice el efecto que tiene el ruido de canal sobre el comportamiento del sistema, en particular estudie el caso de que BER = -3. Time Division Multiplexing L.Couch II: Sistemas de Comunicación D&A,5ª Ed., Sección 3.7 a 3.9, inclusive El concepto de multicanalización por multiplexión de canales Estructura de una trama sincrónica, sincronismo y señalización Sincronización de trama por bit, por caracter jerarquías de tramas digitales PDH fundamentos de SDH 6

7 Multicanalización para el transporte eficiente de la información proveniente de múltiples fuentes. Jerarquías de Tx digital plesiócronas y sincrónicas: PDH y SDH Indice de contenidos Sincronismo de Trama/Cuadro Formateo Codif. de Fuente Mux Codif. de Línea Modulac. de portadora Tx Acceso al Medio de Tx Formateo analógico: PCM Métodos más eficientes de codificación digital de información analógica Multicanalización de información digital Determinación de la distribución espectral de frecuencia de las señales digitales Interferencia entre símbolos (ISI) Las redes telefónicas En telefonía tradicional, los abonados se conectan a las centrales de conmutación mediante pares telefónicos. Las centrales telefónicas se conectan entre sí usando pares telefónicos que se agrupan en lo que se denomina multipares telefónicos para satisfacer las necesidades de comunicación entre abonados conectados a diferentes centrales. Este sistema de interconexión se denomina planta externa. Tendido secundario Par telefónico Tendido primario Líneas troncales 7

8 Las redes telefónicas Tradicionalmente, la planta externa representaba un 6 % de las inversiones que tenía que realizar un proveedor de servicios telefónicos. Actualmente este % ha disminuido, debido a que las centrales de conmutación han disminuido en tamaño y costo, con lo cual el lazo de abonado se ha acortado de unos km a máximo 3 km. Tendido secundario Tendido primario Lazo de abonado de par trenzado Líneas troncales Las redes telefónicas: preguntas Tiene sentido proveer multicanalización en el lazo de abonado? Tiene sentido proveer multicanalización en las líneas troncales? Cómo lo haría? Cuáles serían las dificultades asociadas a una multicanalización analógica? Cuáles serían las dificultades asociadas a una multicanalización digital? Lazo de abonado de par trenzado Líneas troncales 8

9 Multicanalización telefónica analógica La creciente demanda por aumentar la capacidad de líneas troncales debida al aumento del número de usuarios y de centrales incentivó el desarrollo de la multicanalización: el poder utilizar el medio físico para transportar más de una conversación telefónica. Inicialmente esto se realizaba utilizando las técnicas FDM, lo cual dio lugar a sistemas carrier analógicos canales telefónicos FDM khz Líneas troncales Multicanalización telefónica analógica El problema de los sistemas de carrier analógicos es que los canales ubicados en las frecuencias más elevadas se veían más afectados por la atenuación que imponían los pares. Atenuación Frecuencia, Hz canales telefónicos FDM khz Líneas troncales 9

10 Multicanalización telefónica sincrónica Los sistemas de Tx digital ofrecen una ventaja comparativa: todos los canales de un sistema de multicanalización se ven afectados idénticamente por la respuesta de frecuencia de los pares telefónicos. Atenuación Frecuencia, Hz canales telefónicos TDM-PCM 768 khz Líneas troncales Ventajas de la multicanalización digital respecto de la analógica Todos los canales multiplexados son afectados de igual forma por las características del enlace. Facilidad de mantención: se evita la sintonización de filtros y frecuencias de demux de la parte analógica. Monitoreo de la calidad del enlace durante operación. Facilidad de integración en gran escala de los circuitos digitales se traduce en una reducción de costos de fabricación y mantención. Capacidad de regenerar la señal Tx. Transparencia en el transporte de información: pueden ser datos o voz, imagen o video codificado.

11 Multicanalización telefónica sincrónica Estas consideraciones impulsaron el desarrollo de sistemas de multicanalización telefónica. Un factor importante en el desarrollo de los sistemas multicanalización digital fue el espaciamiento entre repetidores/regeneradores de señal, debido a la atenuación por trayecto [db/km] y la respuesta de frecuencia de los pares telefónicos utilizados en las líneas troncales. Las líneas troncales, por lo general, son subterráneas, por consideraciones de confiabilidad. Las cámaras de inspección se ubican aproximadamente a cada km de distancia entre sí. canales telefónicos TDM-PCM 8 8 khz = 64 khz km km km km Líneas troncales Multicanalización telefónica sincrónica El desafío de los diseñadores consistió entonces en desarrollar un sistema de multicanalización digital que transportara el mayor número posible de canales telefónicos codificados en PCM. Las restricciones eran: largo del enlace entre repetidores/regeneradores: km respuesta de frecuencias / f Atenuación Frecuencia, Hz n canales telefónicos TDM-PCM n 64 khz km km km km Líneas troncales

12 Multicanalización telefónica sincrónica Adicionalmente, se debían considerar otros aspectos: Señalización de canal: para que un canal telefónico entre las centrales pudiera ser ocupado en una conversación era necesario conocer si estaba libre o estaba siendo ocupado. Particularmente, esto era importante si las tomas de un canal podían ser realizadas desde cualquier extremo. En consecuencia, se debía tener la capacidad de señalar si el canal estaba ocioso, ocupado en conversación u ocupado en transferir los dígitos de selección. Atenuación Frecuencia, Hz n canales telefónicos TDM-PCM algo + n 64 khz km km km km Líneas troncales El carrier T Las empresas de EE.UU. determinaron que podían transmitir a una tasa máxima de,5 Mb/s por los pares telefónicos que tenían disponibles en sus líneas troncales. Esto motivó el desarrollo del carrier T de 4 canales telefónicos. Debido a que los conversores A/D proporcionan el caracter codificado una vez que han finalizado el ciclo de conversión y además, para facilitar el intercambio de información en las centrales se optó por una multiplexión al octeto (Byte) y no al bit. Además, es necesario identificar el comienzo de una trama mediante una bandera (flag bit), para proveer la sincronización de trama. 4 canales telefónicos TDM-PCM 544 khz Líneas troncales

13 The T carrier Local exchange It will make speech connection only once the call has been set up: the trunk line has been selected, the dialed digits have been transferred to the destination exchange, the receiving terminal has been alerted of an incoming call and the called user has taken the cradle off the hook. wires Hybrid and A/D conversion normally named COMBO PCM encoder PCM encoder T Channel Multiplexer and framing circuitry 4 wires PCM decoder Channel Demultiplexer & synchronization circuit How is the physical layout of an T carrier in the network? Let us have a look at the local exchange. We make wire/4wire signal adaptation We then encode the analog signal into PCM insert it into the reserved channel of T carrier We provide line signaling so that the other end, the local exchange that is receiving the information, knows what information is being sent at any time. The T carrier Local exchange Local exchange wires Hybrid and A/D conversion normally named COMBO PCM encoder PCM T Channel encoder Multiplexer and framing circuitry 4 wires Repeater/ Regenerator Hybrid and A/D conversion normally named COMBO PCM encoder Channel Demultiplexer & PCM synchronization decoder circuit wires PCM decoder Channel Demultiplexer & synchronization circuit Repeater/ Regenerator T Channel Multiplexer and framing circuitry PCM encoder If we look at the upper connection of the T carrier block diagram description of the adjacent figure, we will recognize PCM encoding circuitry, followed by a E frame multiplexer At the receiving end we will have a frame demultiplexer and PCM decoder to recover the analog signal, followed by a hybrid circuit that makes the 4 to wire conversion. At he repeater/regenerator, we will have a system that extracts synchronization information for signal restoration. There is no need to analyze the frame structure at the repeater. 3

14 Trama del carrier T Bit sincronismo de trama La estructura de la trama del carrier T usado en EE.UU., Japón y Canadá es orientada al Byte, de 4 octetos + bit de sincronización de trama, conformando 93 b, que se transmiten en 5 µs (= /(8 khz)) Ch Ch Ch3 Ch4 Ch3 Ch4 Ch Ch 8 b: msb...lsb 93 b en 5 µs,544 Mb/s F F F F3 F4 F5 SF: supertrama: 6 tramas = 75 µs En la trama F se roba el bit menos significativo (lsb) del carácter de información para transmitir información de señalización. La supertrama se señaliza fijando el bit de sincronismo de trama en en F,F,...F5. Las jerarquías digitales PDH de EE.UU., Canadá y Japón 4 DS canal DS (64 kb/s) Carrier T 4 DS canal DS (544 kb/s) Carrier T 7 DS canal DS3 (44736 kb/s) Carrier DS-3 6 DS3 Carrier DS kb/s canal DS (63 kb/s) Las jerarquías norteamericanas no siguen un orden lógico digital Nótese que kb/s = 676 kb/s < 63 kb/s 4

15 Estructura de una Trama DS- J.Bellamy: Digital Telephony, nd Ed., Wiley 99 La duración de una trama D es de 4 94 b/ (63 kb/s) = 86 µs > 5 µs Multicanalización digital: preguntas Si se pudiera transmitir a una tasa cercana a Mb/s y se mantuviera la tasa por canal en 64kb/s, es posible concebir un sistema que se acomode mejor a la lógica binaria? Ch Ch Ch3 Ch4 Ch3 Ch4 Ch Ch 8 b: msb...lsb 93 b en 5 µs,544 Mb/s F F F F3 F4 F5 SF: supertrama: 6 tramas = 65 µs Proponga un esquema alternativo que permita señalizar, al menos que un canal pueda estar ocioso, ocupado con información de control o con información de usuario 5

16 El carrier E Las empresas de Europa determinaron que podían transmitir a una tasa máxima de Mb/s por los pares telefónicos que tenían disponibles en sus líneas troncales. Esto motivó el desarrollo del carrier E de 3 canales telefónicos. Debido a que los conversores A/D proporcionan el caracter codificado una vez que han finalizado el ciclo de conversión y además, para facilitar el intercambio de información en las centrales se optó por una multiplexión al octeto (Byte) y no al bit. 3(+) canales telefónicos TDM-PCM 48 khz Líneas troncales Trama del carrier E CCITT de Europa y el resto del mundo MULTITRAMA 496 BIT, ms N de TRAMA La sincronización de trama la provee un octeto de sincronismo. La sincronización de supertrama se realiza en la ranura 6 de la trama La señalización de canal se realiza ocupando de 4 bits del octeto 6 de las tramas a 5, agrupando la señalización de canales a la vez por trama para completar el octeto. Así en la trama se ocupan los bits y para señalizar las condiciones de línea del canal (CH) N de INTERVALO de TIEMPO N de BIT TRAMAS PARES N de BIT TRAMAS IMPARES TRAMA (3 * 8 = 56 bits, 5 us) ALINEAMIENTO DE TRAMA/INTERVALO DE TIEMPO (8 bits, 3.9 us) A 5 CANAL DE DATOS 64 Kbits (opcional) CANALES TELEFONICO (CH-CH5) 6 SEÑAL DE ALINEAMIENTO DE TRAMA X 5 Y SEÑAL DE BLUCLE REMOTO DE Mbps (:OFF;:ON) A MORMALMEMTE ES, PERO CAMBIA A PARA INFORMAR AL EXTREMO REMOTO ACERCA DE ALARMAS Figura N Estructura de trama de.48 Mbit/s N de BIT N de BIT TRAMA TRAMA TRAMA 3 TRAMA 4 TRAMA 5 TRAMA 6 TRAMA 7 TRAMA 8 TRAMA 9 TRAMA TRAMA TRAMA TRAMA 3 TRAMA 4 TRAMA 5 a b c 3 d 4 a 5 b c 6 7 A SEÑAL DE ALINEAMIENTO DE MULTITRAMA CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH3 CH4 CANALES TELEFONICO (CH6-CH3) CH7 CH8 CH9 CH CH CH CH3 CH4 CH5 CH6 CH7 CH8 CH9 CH3 CH5 CH3 d ns NORMALMENTE ES, CAMBIA A PARA INFORMAR A LA ESTACIÓN OPUESTA DE ALARMAS LOCALES 6

17 Las jerarquías digitales PDH del CCITT 3 DS canal B (64 kb/s) Carrier E 4 E Carrier E E canal E3 (34368 kb/s) Carrier E3 4 DS3 Carrier E kb/s canal E (48 kb/s) 4 canal E (8448 kb/s) Las jerarquías CCITT siguen un orden lógico digital Nótese que 4 48 kb/s = 89 kb/s < 8448 kb/s Las jerarquías CCITT CEPT (E) Nótese que tampoco en una trama E caben 4 tramas E. Otro problema de la multiplexión de las jeraquías superiores PDH, en general, es que realizan una multiplexión al bit y no al byte. Esto hace necesario que cada vez que se desean extraer algunos canales de una trama E en forma local, se tenga que demultiplexar la trama superior. 7

18 Resumen parcial: jerarquías plesiócronas del mundo Ejercicios Problema Suponga que se desea realizar un sistema de acceso para comunicaciones residenciales basado en la multiplexión temporal de 4 canales PCM de 64 kb/s. Adapte el modelo del carrier E (de 3 canales de 64 kb/s) para el transporte de los 4 canales y la señalización de canal respectiva (ocioso, ocupado con datos de control y ocupadp con datos de usuario) y represente en un esquemático la trama y supertrama para este caso. Determine la tasa de transmisión y duración de una supertrama para el caso descrito en la pregunta anterior 8

19 Cap. 3: Time Division Multiplexing y Sincronización L.Couch II: Sistemas de Comunicación A&D Aspectos de la sincronización del receptor Sincronización de Redes Una central telefónica tiene su propio reloj Cuando se conecta a otra central, el enlace se controla desde uno de los extremos Los relojes de ambas centrales no siempre coinciden. En esta sección se analizará como establecer un sincronismo de la red completa para prevenir deslizamientos y, reducirlos, en caso de que ocurran CS 9

20 Sincronización de Redes Para sincronizar una red se usa una de las sig. técnicas: plesiocronía justificación globalizada sincronización mutua relojes maestro-esclavo sincronización maestro/esclavo paquetización En redes plesiócronas todos los nodos tienen relojes muy estables, manteniendo el número de deslizamientos muy bajo. El defecto de esta solución simple es su alto costo CS Sincronización J.Bellamy: Digital Telephony, nd Ed.., Wiley 99, pp En la tecnología digital la información relevante ocurre considerando intervalos de tiempo discretos. Un bit tiene una duración de tiempo T b. No siempre se transmite un bit. A veces se transmiten varios bit utilizando un símbolo para ello. La duración de un símbolo define el intervalo de señalización T s. Por lo general T s > T b, R b = /T b > R s = / T s. Los problemas de sincronismo aparecen cuando dos sitemas digitales - c/u de ellos con su propio reloj - intercambian mensajes. La sincronización debe ser completa. Abarca los siguientes aspectos: Sincronismo a la frecuencia portadora (cuando existe) Sincronismo al período de señalización Sincronismo de trama Sincronismo de canal

21 Sincronización a la frecuencia portadora para poder demodular la señal de RF Sincronización al intervalo de señalización para recuperar el símbolo Sincronización de canal que permite extraer el canal de interés Sincronización de trama para poder recuperar los canales Sincronización Existen diversas jerarquías en la sincronización de una Tx de una portadora de RF modulada digitalmente con una señal que resulta de la multiplexión de varias fuentes de información en el Rx: Recuperación de Sincronismo de Trama/Cuadro Formateo Inverso Decodif. de Fuente Mux Recuperación de Sincronismo Detector M-ario Ecualiz. de canal Amplific. de FI y selectividad Rx Sincronización a la frecuencia portadora y al intervalo de señalización Ambas tienen por objeto permitir recuperar el símbolo transmitido con el menor error posible. En el capítulo 7 se analizará con mayor detención el efecto de la falta de sincronización sobre el desempeño del enlace. En la práctica, la sincronización al intervalo de señalización se logra mediante el uso de PLL. En el contexto de la multiplexión nos interesa analizar las otras formas de sincronización.

22 Sincronización a la trama y al canal Fuentes de inestabilidad de frecuencia: Relojes Tx y Rx nominalmente de igual frecuencia, pero con pequeñas derivas causadas por efectos de temperatura, humedad u otra causa. Ruido inducido Efectos de variación en los largos de los cables por efectos de temperatura. Acumulación de derivaciones en la frecuencia causados por una cadena de repetidores/regeneradores. Efectos doppler en el caso de terminales móviles Caracterización de las fluctuaciones de la información de sincronismo Las fluctuaciones en el sincronismo de la recepción de datos causan problemas asociados a la pérdida de bits, de tramas y de canal. Sin embargo, desde un punto de vista de la soluciones se distinguen tipo de fluctuaciones: wander (bordonear, vagar) son las fluctuaciones de la tasa de señalización recibida de frecuencia menor a Hz jitter (nerviosismo) son la fluctuaciones de la tasa de señalizacion de frecuencia superior a Hz.

23 Remoción de jitter: uso de memorias elásticas Una memoria en la que se escriben los datos en la medida que llegan, los cuales se leen a la velocidad dada por el reloj del receptor presenta una solución. El tamaño de la memoria es un problema de diseño. Para evitar espacios de alamacenamiento de tamaño infinito, conviene que las memorias sean circulares. Sistema E Reloj de Escritura Memoria Elástica Tx Reloj de lectura Recuperación de Reloj (PLL) Escritura Rx Lectura Remoción de jitter: uso de memorias elásticas Una memoria elástica lo suficientemente grande permite que se puedan remover las inestabilidades de la frecuencia de los datos recibidos. Sin embargo, mientras más gande sea la memoria elástica, más retardo introduce en el procesamiento de la información Sistema E Reloj de Escritura Memoria Elástica Tx Reloj de lectura Recuperación de Reloj (PLL) Escritura Rx Lectura 3

24 Remoción de jitter: uso de memorias elásticas Un deslizamiento ocurre cuando los relojes de escritura y de lectura han diferido por un lapso de tiempo significativo. En estos casos uno de llos sobrepasa al otro. En ambos casos, el resultado es que se leen datos inválidos. Lo mismo ocurre si ambos punteros están demasiado cercanos entre sí y se cruzan repetidas veces producto de la inestabilidad. Sistema E Reloj de Escritura Memoria Elástica Tx Reloj de lectura Recuperación de Reloj (PLL) Escritura Rx Lectura memorias elásticas: deslizamientos (slips) Ejemplo: Determine la precisión que Recuperación deben tener relojes Reloj de independientes para que ocurra de Reloj a más un Escritura (PLL) deslizamiento cada horas, suponiendo que las muestras de voz se toman a una tasa de 8 kmuestras/s Memoria Respuesta: Elástica Rx Se desea Reloj Sistema que se pierda una trama a lo más cada hr de Hay 8 Etramas/s. Si Lectura lectura se pierde uno o más bits en una trama, se produce un deslizamiento de la trama completa Tx Escritura Desliz/trama = /(8E3 * * 36) =,7 E(-9). La inestabilidad puede ser originada por cualquiera de los relojes involucrados, por lo que en cada uno de ellos debe ser inferior a,85e(-9). Estos problemas pueden evitarse si el tamaño de la memoria elástica es de tramas completas. Objetivos de calidad en deslizamientos: Si R es la diferencia entre las tasas de lectura y escritura y se deben descartar N bits cada vez que ocurre un deslizamiento, entonces el tiempo entre de ellos estará dado por T=N/ R 4

25 memorias elásticas: metas AT&T en deslizamientos Sistema E Reloj de Escritura Memoria Elástica Tx Reloj de lectura Recuperación de Reloj (PLL) Escritura Rx Lectura Objetivos de calidad en deslizamientos: La AT&T fijó como meta de desdlizamientos de que ocurra uno a lo más cada 5 horas entre puntos terminales. Como una conexión entre puntos terminales puede involucrar varios enlaces intermedios, la meta a lograr en enlaces individuales es de deslizamiento cada horas Entramado sincrónico digital Para identificar las ranuras de tiempo individuales en una trama elrx utiliza un contador sincronizado al formato de trama Para proveer un formato de trama es necesario agregar información de control a una trama digital. Los mecanismos de sincronización de trama usados son: entramado por adición de un bit (ejemplo: T) entramado por adición de carácter (ejemplo: E) entramado por uso de señalización (ejemplo: interfaz S RDSI-be) Las consideraciones para escoger una de las estrategias son: eficiencia de la trama, efectos que tiene la pérdida de sincronismo sobre la información tiempo de resincronización, efectos de BER en el mantenimiento del sincronismo, requerimientos de resincronización de trama (en voz, importa la duración de la pérdida de sincronismo; en datos, en cambio, la frecuencia con que se pierde sincronismo es relevante)y complejidad de los circuitos asociados 5

26 Entramado sincrónico digital por adición de un bit Los mecanismos de sincronización de trama usados en el entramado por adición de un bit, en el carrier T se basan en chequear bit cada 93, hasta verificar que ocurre la secuencia deseada. Mientras el receptor está sincronizado se realiza este procedimiento. En este caso se respeta la señalización de canal recibida (canal ocioso, canal ocupado con datos de control o infromación). Estado sincronizado: se verifica el bit de sincronismo de trama se respeta la señalización recibida Entramado sincrónico digital por adición de un bit Cuando el receptor detecta un bit de sincronización de trama errado genera una señal de alarma (amarilla). Durante la alarma amarilla se siguen chequeando los bit recibido para verificar que el siguiente bit de sincronismo de trama corresponda al esperado. También se mantiene la señalización de canal de la trama previa recibida correctamente. Estado sincronizado: se verifica el bit de sincronismo de trama se respeta la señalización de canal recibida Estado alarma amarilla : se verifica el bit de sincronismo de trama se mantiene la señalización de canal recibida previamente 6

27 Entramado sincrónico digital por adición de un bit Cuando el receptor detecta nuevamente un bit de sincronización de trama errado durante la señal de alarma amarilla, pasa a alarma roja. Se informa de la pérdida de sincronismo. Durante la alarma roja se pierde toda la información de canal y señalización recibida y se mantiene la señalización de canal de la trama previa recibida correctamente. Estado sincronizado: se verifica el bit de sincronismo de trama se respeta la señalización Estado alarma roja : se registra pérdida sincro. se mantiene la señalización de canal recibida previamente se busca el bit de sincronismo de trama de canal recibida Estado alarma amarilla : se verifica el bit de sincronismo de trama se mantiene la señalización de canal recibida previamente Entramado sincrónico digital por adición de un bit Durante la alarma roja se chequean los bits recibidos para encontrar el patrón de bit de sincronismo de trama deseado. La búsqueda de sincronismo es por comparación de los bits ubicados a en posiciones determinadas por el largo de la trama para encontrar el patrón de sincronismo esperado. Cuando se detecta este patrón, se chequea por lo general 3 veces consecutivas antes de volver al estado sincronizado. Estado sincronizado: se verifica el bit de sincronismo de trama se respeta la señalización Estado alarma roja : se registra pérdida sincro. se mantiene la señalización de canal recibida previamente se busca el bit de sincronismo de trama de canal recibida Estado alarma amarilla : se verifica el bit de sincronismo de trama se mantiene la señalización de canal recibida previamente 7

28 Entramado sincrónico digital por adición de un bit El tiempo de resincronización T resinc medio, considerando que la trama es de N bits y se verifica un bit por vez que se verifica el bit de sincronismo veces antes de pasar al estado de sincronizado, está dado por: T resinc = (número medio de bits/trama a ser chequeados) (número de bits chequeados para determinar que el bit considerado es el de sincronización) T s Estado sincronizado: se verifica el bit de sincronismo de trama se respeta la señalización Estado alarma roja : se registra pérdida sincro. se mantiene la señalización de canal recibida previamente se busca el bit de sincronismo de trama de canal recibida Estado alarma amarilla : se verifica el bit de sincronismo de trama se mantiene la señalización de canal recibida previamente T T resinc = resinc = T T T resinc ( N ) ( N + ) ) resinc T 4,5ms = ( N + ) ) = 48,5ms 5µ s N 5µ s Entramado sincrónico digital por adición de un canal El procedimiento es similar al de adición de un bit, excepto de que se dedica un número mayor de bits (típicamente un canal) para la sincronización de trama. El tiempo de resincronización medio se establece considerando que N es el número de bits de una trama L es el número de bits de la trama que se dedican a la sincronización. P = (½) L probabilidad de que un caracter de datos sea igual al de sincronismo Estado sincronizado: se verifica el bit de sincronismo de trama se respeta la señalización Estado alarma roja : se registra pérdida sincro. se mantiene la señalización de canal recibida previamente se busca el bit de sincronismo de trama de canal recibida Estado alarma amarilla : se verifica el bit de sincronismo de trama se mantiene la señalización de canal recibida previamente 8

29 La sincronización de la trama E MULTITRAMA 496 BIT, ms N de TRAMA TRAMA (3 * 8 = 56 bits, 5 us) N de INTERVALO de TIEMPO CANAL DE DATOS 64 Kbits (opcional) CANALES TELEFONICO (CH-CH5) CANALES TELEFONICO (CH6-CH3) N de BIT TRAMAS IMPARES ALINEAMIENTO DE TRAMA/INTERVALO DE TIEMPO (8 bits, 3.9 us) SEÑAL DE ALINEAMIENTO DE TRAMA 7 8 N de BIT N de BIT TRAMA a b c d a b c d A SEÑAL DE ALINEAMIENTO DE MULTITRAMA CH CH6 488 ns NORMALMENTE ES, CAMBIA A PARA INFORMAR A LA ESTACIÓN OPUESTA DE ALARMAS LOCALES N de BIT TRAMAS PARES 3 4 A X 5 Y TRAMA TRAMA 3 TRAMA 4 TRAMA 5 CH CH 3 CH 4 CH 5 CH7 CH8 CH9 CH SEÑAL DE BLUCLE REMOTO DE Mbps (:OFF;:ON) TRAMA 6 TRAMA 7 CH 6 CH 7 CH CH A MORMALMEMTE ES, PERO CAMBIA A PARA INFORMAR AL EXTREMO REMOTO ACERCA DE ALARMAS TRAMA 8 TRAMA 9 TRAMA TRAMA CH 8 CH 9 CH CH CH3 CH4 CH5 CH6 TRAMA CH CH7 Figura N Estructura de trama de.48 Mbit/s TRAMA 3 TRAMA 4 CH3 CH4 CH8 CH9 TRAMA 5 CH5 CH3 Entramado sincrónico digital por adición de un canal El número de tramas que se deben examinar para encontrar la palabra de código está dada por: A = (-P) + P(-P) + P (-P) +... A = (-P)P( + P + 3P + 4P ) = (-P)P( + P + P + P 3 +..) A = (-P)P(/{-P}) = P/( - P) T resinc = (N/)(AN+)(5µs/N) = ( + N/{ L -})(5µs). Para una trama E se tiene que N = 5, L = 7 Estado alarma roja : se registra pérdida sincro. se mantiene la señalización de canal recibida previamente se busca el bit de sincronismo de trama Estado sincronizado: se verifica el bit de sincronismo de trama se respeta la señalización de canal recibida Estado alarma amarilla : T resinc = (5µs) ( + 5/{ 7 -}) T resinc ½ ms. se verifica el bit de sincronismo de trama se mantiene la señalización de canal recibida previamente 9

30 Entramado sincrónico digital por codificación de canal En la interfaz S/T de la RDSI-be se logra establecer la sincronizacion de trama mediante la codificación singular de la trama. En particular, los bits de sincronismo de trama F son siempre positivos, seguidos de un bit L, como se aprecia en la señalización NT a TE de la figura. B: datos a 64kb/s; D: canal de señalización a 6 kb/s; E canal de eco del canal D en sentido TE a NT. NT TE 48 bits en 5 µseg. DL F L B E D A F A N B EDM B EDS B ED L F L Multiplexing asincrónico En esta sección veremos un aspecto relativo a la sincronización cuando afluentes de igual frecuencia nominal pero con ligeras desviaciones temporales de esa frecuencia se multiplexan para constituir una trama de jerarquía superior. Puede ocurrir entonces que unode los afluentes presente una frecuencia superior a la nominal. Para tratar este aspecto, la trama de jerarquía superior posee un bit extra por cada trama, que es utilizado en este caso, señalando esto con bits de control respectivos. Esto se conoce como pulse stuffing (inserción de pulsos) en EE.UU. Y bajo el nombre de justification en el CCITT. 3

31 Multiplexión en jerarquías digitales y Relleno de pulsos El multiplexing de las jerarquías superiores es orientada al bi y no al carácter. Los períodos de señalización de los afluentes son nominalmente idénticos A55 A5 A4 A3 A A A B55 B5 B4 B3 B B B C B A D C B A SYN C55 C5 C4 C3 C C C Carrier E D55 D5 D4 D3 D D D canal E: R=48 kb/s 56 bits por trama duración trama 5 µs A pesar de lo anterior, los tiempos de señalización de c/u de los afluentes E pueden diferir ligeramente, lo que obliga incorporar en la trama E bits de relleno. Las jerarquías CCITT CEPT (E) Hay un bit de inserción por cada afluente. De hecho, no es que se haya insertado un bit en la trama. Lo que ocurre es que se está haciendo uso del bit de inserción en esa trama. Hay 3 bits de control que señalizan el hecho que se ha insertado un bit. Los bits de control C i se distribuyen en la trama para mayor seguridad. Ocurre un deslizamiento si de los 3 bits de control llegan errados al Rx. 3

32 Las jerarquías CCITT CEPT (E) P P desl desle n + = p n n+ ( p) p= BER= 3 n 3 4 p= 7 Nótese que la interpretación incorrecta de un bit de justificación produce un deslizamiento en la jerarquía inferior. Si se supone que los errores de bits en una trama se distribuyen aleatoriamente en una trama, entonces la probablidad de que se interprete incorrectamente un bit de justificación, suponiendo que hay (n+) bits de control de bits de justificación y p = BER del canal, está dado por Las jerarquías CCITT CEPT (E) R R Emáx Emín = = 8,448 [ Mb / s ] 6 ( ) 8,448 [ Mb / s ] 5 ( ) =,53[Mb /s] =,46 [Mb/s] Máxima variación nominal 4,3 [kb/s] Ejemplo: Determine la máxima desviación de tasas que puede presentar un afluente E (R nominal = 48 kb/s) a una trama E (R nominal = 8448 kb/s), para que no ocurran deslizamientos. Respuesta: 3

33 Ejercicios Problema Suponga que se desea realizar un sistema de acceso para comunicaciones residenciales basado en la multiplexión temporal de 4 canales PCM de 64 kb/s. Adapte el modelo del carrier E (de 3 canales de 64 kb/s) para el transporte de los 4 canales y la señalización de canal respectiva (ocioso, ocupado con datos de control y ocupadp con datos de usuario) y represente en un esquemático la trama y supertrama para este caso. Determine la tasa de transmisión y duración de una supertrama para el caso descrito en la pregunta anterior Calcule el tiempo medio de resincronización esperado de su sistema, en caso de que ocurra un deslizamiento Introducción a las redes Sonet/SDH Synchronous Digital Hierarchy (SDH) es el equivalente CCITT de Synchronous Optical Network (Sonet) de EE.UU. Es un estándar de transmisión sincrónica que fue desarrollado para enlaces de fibra óptica para Redes de Alta Velocidad. Las jerarquías digitales SDH/Sonet son las siguientes: Designación SDH Designación Sonet Designación Optica Velocidad Mb/s STS- OC- 5,84 STM- STS-3 OC-3 55,5 STM-3 STS-9 OC-9 466,56 Se analiza en detalle en el Seminario de Redes de Alta Velocidad, que es un curso del Magíster de Ingeniería Electrónica, mención Computadores y Telecomunicaciones 33

34 Jerarquías SDH Introducción al estándar SDH Los objetivos perseguidos mediante este estándar fueron: Establecer una familia jerárquica de tramas digitales que facilitara la multiplexión de afluentes de diferente tamaño y de diferente procedencia: tramas E, T, ATM, E, D, etc. Simplificar el mecanismo de extracción de elementos de tramas que son portadas mediante una multiplexión orientada al octeto. Reducir el overhead que está asociado a la transmisión de información por enlaces ruidosos. Incorporar mecanismos de operación, administración y mantenimiento (OAM) Acomodar futuras aplicaciones 34

35 Sonet Overhead layers En la figura se muestra una trayectoria (path) entre equipos terminales, que pasa por puntos intermedios donde se realiza extración e inserción de información (line) y etapas repetidoras /regeneradoras (section). En cada nodo sólo se extrae la información relevante Path Overhead Insertion Line Overhead Insertion Section Overhead Insertion Electrical/ Optical Line Overhead Extraction Section Overhead Extraction Electrical/ Optical Line Overhead Insertion Section Overhead Insertion Electrical/ Optical Line Overhead Extraction Section Overhead Extraction Electrical/ Optical Cross Connect Line Overhead Insertion Section Overhead Insertion Electrical/ Optical Path Overhead Extraction Line Overhead Extraction Section Overhead Extraction Electrical/ Optical Regenerator Section Section Extraction Electrical/ Optical Section Insertion Electrical/ Optical Section Extraction Electrical/ Optical Section Insertion Electrical/ Optical Un sistema cross connect como el que se señala en la figura extrae unidades de información completas (por ejemplo una trama E o T completa) de un afluente para conmutarlo a una salida determinada, sin analizar el contenido de la unidad de información. Capas y Encabezado El Overhead y las funciones de transporte son divididas en tres capas: (Overhead de) Sección de Regenerador o de línea. (Overhead de) Sección de Multiplexación. (Overhead de) Trayecto. 35

36 Fundamentos básicos de una trama STS- Las primeras filas corresponden a la información de control de la sección, que se ubican entre multiplexiones consecutivas, Luego aparecen las filas que se pueden asociar a la información de control relevante para la línea, eso es, entre repetidores/regeneradores. Overhead de sección Overhead de 9 Filas Información de los tributarios 9 columnas Overhead de trayecto línea Fundamentos básicos de una trama STS- Equipo de Terminación de trayecto Equipo de Terminación de línea Repetidor Equipo de Terminación de sección Multiplexor Equipo de Terminación de línea Repetidor Equipo de Terminación de trayecto Trayecto Sección Sección Línea columna Overhead de sección Overhead de línea N o columnas 3 87 Overhead de Información de los tributarios trayecto 36

37 Marco SONET Cantidad de bits enviados =8x(9x9)=8x8=648 bits. El marco se envía 8 veces por segundo, dando una tasa de datos aproximada de 5,84 Mbps (STS-, señal sincrónica de transporte ). 3 columnas para información extra 87 Columnas 9 filas Marco SONET (5 microseg) Marco SONET (5 microseg) Información extra de sección. Información extra de línea. Información extra de trayectoria. Carga útil. SPE(envoltura de carga útil sincrónica). Tributarias SONET y SDH Señal Container Container Vitual Información de Trayectoria Puntero Unidad Administrativa Información adicional de Cabecera Módulo de transporte Sincrónico 37

38 Velocidades alcanzadas por SONET y SDH SONET SDH Tasa de datos (Mbps) Eléctrico Ópticos Ópticos Bruta SEP De usuario STS- OC- 5,84 5, 49,536 STS-3 OC-3 STM- 55,5 5,336 48,68 STS-9 OC-9 STM-3 466,56 45,8 445,84 STS- OC- STM-4 6,8 6, ,43 STS-8 OC-8 STM-6 933, 9,6 89,648 STS-4 OC-4 STM-8 44,6,688 88,864 STS-36 OC-36 STM- 866,4 84,3 783,96 STS-48 OC-48 STM-6 488,3 45, ,78 STS-9 OC-9 STM ,8 SDH 55,5 Mbps Actualmente las tasas de transmisión usan los niveles STS-, OC-3, OC-, OC-48, OC-9. Juntar SDH y SONET es relativamente simple, sólo es necesario un cierto ajuste de Bytes de desbordamiento. La estructura del cuadro STM-N (módulo de transporte sincrónico) es básicamente N veces la estructura STM-. Marco SDH 55 Mbps Una trama de 55,5 Mbps se denomina STS-(Módulo de transporte sincrónico). SDH utiliza punteros para localizar cargas útiles para extracción e inserción. Por esta razón cargas útiles pueden ser agregadas o sacadas de cargas útiles de mayor tamaño. La información se enmarca en un contenedor virtual. 7 Columnas RSOH AU puntero Carga MSOH 9 38

39 Multiplexión de tributarias SONET para formar una corriente STS-3 de 55.5 Mbps. Las tres corrientes de datos se entrelazan por columnas, y se envían Byte por Byte, de izquierda a derecha. Marco resultante STS-3 de 7x9 Bytes, enviados cada 5 microsegundos, lo que da una tasa de transmisión de datos de 55.5 Mbps. 9 columnas 9 filas 3 9 Trama STS- 7 Columnas 3 9 Trama STS- MUX m STS-3 9 filas 3 9 Trama 3 STS- Encabezado SDH Equivalencias de Overhead SDH/SONET: SDH Overhead de Sección de Regenerador Overhead de Multiplexación SONET Overhead de Sección Overhead de Línea Overhead de Trayecto de Orden Superior (VC-4/VC-3) Overhead de Trayecto de Orden Inferior (VC-/VC-) Overhead de Trayecto STS Overhead de Trayecto VT 39

40 Resumen de la sección: Multiplexing digital Para hacer un uso más eficiente de los recursos físicos disponibles se introduce el multiplexing. En un principio la tecnología impuso el uso de la multiplexón analógica. La conveniencia del multiplexing digital reside en un tratamiento homogéneo de todos los canales, una mayor facilidad para agregar o retirar información, la posibilidad de usar integración en mayor escala y monitoreo en línea. Deslizamientos y metas de calidad de servicio Jerarquías digitales PDH, tolerancias de los afluentes y la justificación (relleno) Introducción a las redes plesiocrónicas (SDH) Ejercicios de la Referencia: 3-49 a 3.54 Sincronización de Redes Una central telefónica tiene su propio reloj Cuando se conecta a otra central, el enlace se controla desde uno de los extremos Los relojes de ambas centrales no siempre coinciden. En esta sección se analizará como establecer un sincronismo de la red completa para prevenir deslizamientos y, reducirlos, en caso de que ocurran CS 4

41 Sincronización de Redes Para sincronizar una red se usa una de las sig. técnicas: plesiocronía justificación globalizada sincronización mutua relojes maestro-esclavo sincronización maestro/esclavo paquetización En redes plesiócronas todos los nodos tienen relojes muy estables, manteniendo el número de deslizamientos muy bajo. El defecto de esta solución simple es su alto costo CS Sincronización de Redes La justificación globalizada implica que todos los afluentes: canales B, tramas E, E, etc. son justificados. El costo de esta solución también lo convierte en una solución impracticable La sincronización mutua consiste en que todos los nodos extraigan los valores medios de la información de sincronismo de sus enlaces entrantes para usarlo como reloj propio y de Tx Su ventaja reside en su robustez a fallas de enlaces y nodos. Su desventaja es la inestabilidad globalizada y transientes CS 4

42 Sincronización de Redes El uso de relojes maestro/esclavos implica que un nodo distribuye la información de sincronismo a todos los demás. La desventaja reside en la confiabilidad requerida para esos enlaces y el maestro Reloj maestro CS Sincronización de Redes La sincronización maestro/esclavo se basa en establecer una jerarquía de distribución de la información de sincronismo. En caso de falla de un enlace clave, los nodos operan temporalmente en base a referencias locales. La AT&T usó este tipo de sincronización en toda su red originalmente, modificándola posteriormente a un sistema mixto con nodos plesióconos en la jerarquía más alta. Enlace sincronizado indirectamente CS 4

43 Sincronización de Redes La paquetización consiste en transmitir toda la información en forma de paquetes de datos. Cada paquete de datos es una unidad independiente de información que se envía en forma asíncrona por la red. Cada unidad de datos por lo general lleva un encabezado en el que va información de control: dirección de destino dirección de fuente tipo de paquete campo de control de errores número de secuencia del paquete Un ejemplo notable: ATM CS Ejercicios Problema De los apuntes de SDH extraiga y explique los siguientes conceptos relevantes de SDH: Limitaciones del PDH Ventajas de SDH sobre PDH Contenedor virtual Bytes B, C, D a D3, H a H4, V a V4 Diferencias entre ADM y Crossconnect 43