Comunicatii de date in retele cu fibre optice - Ierarhii de multiplexare in telecomunicati

1. Retele pentru acces si retele pentru transport de date
2. Ierarhii de multiplexare in telecomunicatii
        - Sistemul de transmisie T-1
        - Sistemul de transmisie SONET
3. Retele de calculatoare
        - LAN
        - MAN
        - WAN
4. Protocoale si standarde de comunicatie
        - Asynchronous Transfer Mode
        - Ethernet
        - Fiber Distributed Data Inteface
        - Internet Protocol
5. Televiziunea prin cablu

1. Retele pentru acces si retele pentru transport de date

In prezent, o retea de acces este bazata pe conexiunea cu o pereche de fire rasucite, din cupru. Majoritatea telefoanelor se leaga la reteaua de transport printr-o pereche de fire rasucite. Conexiune a de la telefon la un concentrator local sau la o centrala locala, se numeste bucla locala sau bucla abonat.

Buclele locale au fost initial proiectate pentru transmiterea de voce sub forma de semnale analogice de joasa frecventa. Lungimea liniilor este limitata deoarece atenuarea pe aceste linii este proportionala cu frecventa semnalului transmis. Companiile telefonice aloca o latime de banda de 4 KHz pentru un canal de voce. Din aceasta cauza, buclele locale sunt limitate ca lungime.

Pentru cerintele actuale in telecomunicatii, latimea de banda a unei bucle locale reprezinta o limitare. Calculatoarele de acasa se conecteaza la Internet prin bucla locala (linia telefonica), folosind un modem pentru conversia semnalelor digitale, din calculator, in semnale analogice, care sunt transmise pe perechea de fire rasucite. Daca s-ar folosi direct o conexiune prin fibra optica, transferul oricarui tip de informatii ar dura numai 1 ms.

In prezent, bucla locala reprezinta o gatuire in retelele de telecomucatii. Retelele de transport, bazate pe fibra optica, pot transmite o cantitate foarte mare de informatii la viteze foarte mari (T biti/s). O solutie ar fi folosirea fibrei optice si pentru buclele locale, dar acest ideal nu este realizabil in viitorul apropiat. Folosind tehnici complexe de modulatie si codificare, s-a ajuns la posibilitatea transmiterii unui semnal digital de banda larga folosind perechea de fire rasucite. Acestea includ serviciul ISDN cu o rata de transfer de 144 kbiti/s si versiunea superioara, B-ISDN cu o rata de 620 Mbiti/s. O solutie alternativa la problema gatuirii, este folosirea retelei CATV (televiziune prin cablu) sau a retelei de telefonie celulara pentru transportul de date, aceasta avand o latime de banda destul de mare.

Retelele de transport aduna semnalele de la concentratoare locale sau centrale si trebuie sa le transmita la viteze foarte mari. Transportul se face numai in format digital. Tipul lor difera atat dupa localizare, submarine sau terestre, cat si dupa tehnologia folosita. Folosind fibre optice ca suport fizic pentru transmisia de date, aceste retele de transport au o rata de transfer de ordinul T biti/s. Terminalele, concentratoarele si centralele se leaga la reteaua de transport printr-o ierarhie de multiplexare.

2. Ierarhii de multiplexare in telecomunicati

Sistemul de transmisie T-1 este primul nivel de multiplexare a unui canal de voce. Acesta foloseste o multiplexare in timp (TDM=Time Division Multiplexing) si cuprinde mai multe etape. Un semnal vocal analogic este digitizat folosind tehnica modulatiei in cod (PCM=Pulse-Code Modulation). Prin aceasta metoda, semnalul analogic este transformat intr-un sir de biti, in trei pasi consecutivi: esantionare, cuantizare si codificare. Spectrul vocii umane este cuprins intre 300 si 3400 Hz. Se mai adauga si niste intervale de garda, si astfel se obtine o latime de banda de 4 KHz pentru fiecare canal de voce. Acest semnal este apoi esantionat la o frecventa de 8 KHz (vezi teorema esantionarii) rezultand o lungime a cadrului PCM (in sistem T1) de 125 s.

Pentru codificare, fiecarui esantion ii corespunde un grup de 8 biti. Acest sistem multiplexeaza 24 canale de voce, adica 24 esantioane sau sloturi de timp, de la canale diferite, sunt asezate in acelasi cadru PCM. Un cadru contine 8 biti X 24 canale = 192 biti de informatie + un bit de delimitare intre cadre, rezultand 193 biti/cadru. Intr-o secunda sunt trasmise 8000 de cadre. Se poate calcula rata de transfer a sistemului T1: 193 biti/cadru X 8000 cadre/s = 1,544 Mbiti/s.

Patru canale T1 combinate, formeaza un canal T2, obtinandu-se o rata de 6,312 Mbiti/s (se adauga si cativa biti de informatie de transport). La nivelul unu canal T3, se combina 7 canale T2 si se obtine o rata de 44,736 Mbiti/s. Sistemul de transport T este folosit in America de Nord si Japonia, in timp ce in Europa este folosit sistemul E. Un canal E1 multiplexeaza 30 canale de voce + 2 canale de semnalizare si lucreaza la o rata de 32 esantioane/cadru X 8000 cadre/s = 2,048 Mbiti/s. Cele doua sisteme difera prin tensiunile folosite, forma impulsului, impedanta liniilor, cadrare, facand astfel dificila interconectarea la retelele cu fibra optica.

Sistemul de transmisie SONET (retea optica sincrona) este un standard american folosit in transmisiile digitale de date prin mediu optic. Echivalentul sau international este SDH (Synchronous Digital Hierarchy).

SONET este un sistem TDM care asigura o transmisie sincrona, adica un cadru incepe la un anumit moment, raportat la aceeasi referinta pentru toata reteaua. Sincronizarea tactului emitatoarelor si receptoarelor este un aspect foarte important. Semnalele electrice in SONET se numesc semnale de transport sincrone (STS). La nivelul 1 de multiplexare, canalul STS-1 transimte cu o rata de 51,84 Mbiti/s. Nivelul urmator se numeste STS-3 si transporta 155,52 Mbiti/s (3 canale STS-1). Nivelele superioare sunt multiplii de STS-1.

La interconectare cu alte sisteme, canalele de viteza mica sunt multiplexate in cadre virtuale, iar canalele de viteza mai mare, sunt segmentate in mai multe canale STS-1. Sistemele SDH (Synchronous Digital Hierarchy) sunt larg raspandite in Europa.

Un cadru STS contine 9 randuri si 90 coloane de octeti (8 biti), in total 810 octeti sau 6480 biti. Durata unui cadru este de 125 s, de unde rezulta rata de 51,84 Mbiti/s a unui semnal STS-1. In cadrul STS exista 3 coloane de informatie pentru rutare intre nodurile retelei si 87 de coloane de informatie utila, care include si informatie pentru comunicatia punct la punct.

Flexibilitatea este avantajul major al acestui tip de retea, deoarece poate transporta atat semnale sincrone cat si asincrone. Acest standard este astazi cel mai folosit in retelele de transport pentru telecomunicatii.

3. Retele de calculatoare

O retea de calculatoare este proiectata pentru transmisia semnalelor digitale, ceea ce implica o latime de banda mai mare decat la cele analogice. In functie de suprafata pe care se extind, exista trei tipuri:

• LAN (Local Area Network)  conecteaza calculatoare, imprimante, modem-uri sau alte resurse situate pe o arie restrinsa (camera, cladire, campus). Toate componentele retelei isi pot accesa resursele intre ele. De exemplu, mai multe calculatoare pot lucra cu aceeasi imprimanta sau pot face schimb de informatii intre ele. In prezent, retelele LAN folosesc tot mai mult fibra optica, ca mediu fizic de legatura. Retelele LAN sunt standardizate pe mai multe tipuri. Familia Ethernet, se bazeaza pe topologia BUS, foloseste coduri Manchester si protocolul CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), in timp ce familia TOKEN-RING foloseste o topologie INEL, cod Manchester diferential si un protocol bazat pe transportul unui jeton (TOKEN). Retelelel LAN sunt caracterizate prin distante scurte de transmisie (zeci de kilometrii) si rate medii de transfer (sute de Mbiti /s). Pentru performante mai mari, se impune inlocuirea firelor de cupru cu fibra optica si hardware suplimentar pentru interconectare.
• MAN (Metropolitan Area Network) deserveste o regiune geografica. O retea MAN leaga mai multe puncte ale regiunii, ceea ce implica interconectarea a mai multor retele LAN. Latimea de banda este de minim 200 Mbiti/s. Topologia folosita este de tip DUBLU-INEL pentru a asigura o fiabilitate mai buna. Fiecare nod al unei retele MAN poate fi conectat simultan cu mai multe retele LAN sau alte retele MAN.
• WAN (Wide Area Network) este o retea nationala sau globala, care poate include retele MAN sau LAN, interconectate si prin intermediul retelei publice de telefonie fixa (PSTN).

4. Protocoale si standarde folosite in retele de comunicatie

O retea de comunicatie are nevoie de hardware si software, adica entitati fizice si logice. Comunicarea intr-o retea nu ar fi posibila daca nu ar exista reguli specifice, numite protocoale sau sisteme de transmisie. In continuare vor fi prezentate cateva standarde si protocolale mai des folosite:

• ATM (Asynchronous Transfer Mode) Modul de transfer asincron

Este un sistem de transmisie orientat pe conexiune, care transporta pachete sau celule in retea. Inainte de inceputul transmisiei datelor propriuzise, trebuie stabilita o cale (conexiune) in retea pentru celula respectiva. Transmisia este asincrona, adica momentul de inceput al transmisiei unei celule nu ste predeterminat.
Un pachet ATM este o celula cu lungime fixa de 53 octeti, din care 48 sunt date utile si 5 octeti anet sau coada.
Avantajele sistemului ATM:

• Poate transporta orice tip de informatie
• Suporta comutatia de circuit sau de pachet. In comutatia de pachet, comutatia e activata doar cand se transmite celula; in acest fel, latimea de banda a retelei este folosita eficient, dar limiteaza viteza comutatiilor. In comutatia de pachet, celulele se transmit incontinuu pe o linie stabilita.
• Suporta transmisia la orice scara, in retele LAN, MAN sau WAN, fara transformarea semnalului
• Garanteaza calitatea serviciilor: capacitatea de transport, latime de banda, intarzieri si controlul erorilor

Ethernet este foarte folosit in retele LAN si are o rata de transfer de 10Mb/s folosind o pereche de fire rasucite (cablu UPT) si/sau fibre optice. Au fost dezvoltate si versiuni mai performante: Fast Ethernet cu 100Mb/s si Gigabit Ethernet care transmite cu 1Gb/s. In figura urmatoare este prezentata configuratia de baza a unei retele Ethernet:

- Configuratia de baza a unei retele Ethernet -

Standardul Ethernet foloseste protocolul CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Acest protocol descrie functionarea a trei elemente principale ale unui sistem Ethernet: mediul fizic care transporta semnalul, regulile de acces la mediul fizic si cadrul Ethernet, care reprezinta un set de biti care transporta semnalul. Ethernet poate fi folosit si in retele MAN, WAN, si permite interfatarea cu retele SONET si ATM.

- Ierarhii de retele Ethernet -

• Fiber Distributed Data Inteface (FDDI)

Se foloseste in retele LAN,MAN,WAN de trafic inten, avand o rata de transfer de 100Mb/s. FDDI foloseste o topologie DUBLU INEL pe doua sensuri de rotatie, ilustrata in figura urmatoare:

O statie de acces este conectata la ambele cai ale inelului: prin portul A se conecteaza la calea primara, iar prin portul B la calea secundara. Informatia circula prin intermediul unui jeton (TOKEN) care este generat de statia principala. Cand o statie doreste sa transmita date, preia TOKEN-ul si transmite un cadru FDDI, dupa care repune TOKEN-ul in inel.

• Internet Protocol (IP)

Este cel mai folosit. Impreuna cu alte protocoale, furnizeaza toate functiile necesare transmisiei de date. Este folosit cel mai des impreuna cu protocolul TCP (Transmission Control Protocol) si din aceasta cauza mai este numit TCP/IP.

Unitatea de baza cu care lucreaza IP se numeste datagrama. Mesajul este impartit in pachete care sunt transmise in retea ca unitati independente. Pachetele au lungime variabila, pot fi trimise pe rute diferite si pot sa nu ajunga in ordine.

Avantajul major al acestui protocol este simplitatea; poate lucra cu aproape toate sistemele de transmisie. Poate transmite si voce, ceea ce reduce costul convorbirilor telefonice la distanta. Dezavantajul principal este ca nu garanteaza calitatea serviciilor.

5. Televiziunea prin cablu

CATV (Community Antenna Television) este un sistem de televiziune in care semnalul (de tip analogic) este trasmis prin cablu catre un abonat individual.

Semnalul care este distribuit prin sistemul CATV, provine de la un satelit, o antena cu microunde sau de la o magistrala cu fibre optice. Acesta este procesat, apoi cu ajutorul unui emitator este retransmis prin fibra optica. Este folosit un amplificator pentru a mari puterea semnalului optic si un distribuitor pentru transmisia pe mai multe fibre. Unitatea de procesare, emitatorul si distribuitorul constituie centrul de control al unui sistem CATV. Un segment de transport al unui sistem CATV este bazat in intregime pe fibra optica. Pentru o singura fibra, semnalul trece printr-un HUB secundar si apoi in nodul receptor optic. Distanta la care se transmite in mod normal este de ordinul zecilor de kilometrii. Optional, pentru a combate atenuarea, se pot folosi amplificatoare in lungul fibrei optice. Topologia unui segment de transport poate fi stea sau inel. Segmentul de distributie incepe cu un nod receptor optic si se termina la intrarea in televizorul abonatului. Nodul receptor optic converteste semnalele optice in semnale electrice si le trimite mai departe pe cablul coaxial. Cablul coaxial impune o limitare a latimii de banda la 160 Mbiti/s.

Pentru a face posibila si transmisia de date in ambele directii in sistemul CATV, este necesara inlocuirea infrastucturii CATV cu una de tip full-duplex.

  2003-2004 Radu Igret . Toate drepturile rezervate