Telefonia Digital: Comutação Digital MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO

Telefonia Digital: Comutação Digital MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
CEFET-SC
Unidade de São José
Telefonia Digital:
Comutação Digital
Curso técnico em Telecomunicações
Marcos Moecke
São José - SC, 2005
SUMÁRIO
3. COMUTAÇÃO DIGITAL ................................................................... 1
3.1 INTRODUÇÃO ..........................................................................................1
3.2 TIPOS DE COMUTAÇÃO DIGITAL. .........................................................1
3.2.1 COMUTAÇÃO ESPACIAL....................................................................... 2
3.2.2 COMUTADOR TEMPORAL. ................................................................... 4
3.2.3 COMUTADOR TEMPORAL/ESPACIAL. .................................................. 5
3.3 REDES DE COMUTAÇÃO .........................................................................7
3.3.1 ASSOCIAÇÃO DE COMUTADORES T/S.................................................. 8
3.3.2 ESTRUTURA TEMPORAL-ESPACIAL-TEMPORAL (TST) ..................... 8
3.3.3 ESTRUTURA ESPACIAL-TEMPORAL-ESPACIAL (STS) ......................11
3.4 USO DOS COMUTADORES EM TELEFONIA. ..........................................12
BIBLIOGRAFIA. ..............................................................................................14
TELEFONIA DIGITAL
3.
3.1
CEFET-SC
COMUTAÇÃO DIGITAL
Introdução
O melhor uso da técnica digital, em telefonia, ocorre quando tanto a transmissão
como a comutação são digitais, uma vez que, neste caso, são evitadas as
sucessivas etapas de conversão A/D e D/A.
Uma grande vantagem do uso da comutação digital se deve ao uso de circuitos
digitais que resultam em uma grande redução de custo, tamanho e consumo de
energia, e também em uma melhor confiabilidade. O uso de circuitos digitais na
comutação possibilita a formação de uma rede digital na qual qualquer tipo de
informação digital pode ser transportada (Voz, Imagem, Dados, Texto, Música,
etc.).
3.2
Tipos de Comutação Digital.
A interconexão dos sinais de voz na comutação digital é feita através da
redisposição da palavra de código do time slot das linhas multiplexadas no tempo
(LMT). As taxas de multiplexação mais utilizadas na comutação são as de 32
canais (2 Mbps) e de 128 canais (8 Mbps).
Na comutação digital, cada canal de 64 kbps é denominado de porta digital,
podendo cada porta digital ser utilizada para um canal telefônico.
Devido a taxa de amostragem utilizada em telefonia, os ciclos de comutação se
repetem a cada 125µs. Os quadros das LMTs têm duração igual a 125 µs e
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1
TELEFONIA DIGITAL
CEFET-SC
contém apenas as palavras de código PCM referentes aos canais de voz, sem
acréscimo de bits.
Existem dois princípios básicos de comutação digital que são largamente
utilizados:
• Comutação Espacial: As palavras de código apenas mudam de LMT,
sem mudar de time slot.
• Comutação Temporal: As palavras de código mudam de time slot dentro
da mesma LMT.
3 . 2 . 1 Comutação Espacial.
O comutador espacial é um circuito digital que realiza a comutação das palavras
de código das LMT’s de entrada para qualquer LMT de saída sem mudar de time
slot.
QUADRO - 125µs
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 …
…
A
…
tsa ts1 ts2
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 …
C
E
…
…
D A
tsa ts1 ts2
C
…
TDM1
TDM1
B
…
E
B
…
TDM2
…
A
D A
…
TDM2
COMUTADOR
…
C
C
…
...
...
ESPACIAL
B
…
B …
TDMm
TDMn
Figura 3.1 - Princípio de comutação espacial
(b)
m
n
...
...
(a)
abmna.m b.n -
número de time slots de entrada por linha
número de time slots de saída por linha,
número de linhas multiplexadas de entrada,
número de linhas multiplexadas de saída,
número de portas de entrada,
número de portas de saída.
Figura 3.2 - Símbolo do comutador espacial
As características principais do comutador espacial são:
•
Não existe retardo na comutação, uma vez que as palavras de código
não mudam de time slot.
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2
TELEFONIA DIGITAL
•
CEFET-SC
sistema é sem bloqueio desde que o número de portas de saída seja
maior que o número de portas de entrada.
•
As palavras de código dos time slots das LMTE’s podem acessar
qualquer LMTS no mesmo time slot.
Um exemplo de comutador espacial pode ser construído através de portas E
dispostas nos pontos de cruzamento (CROSSPOINT) das LMT’s. As portas E
são controladas por uma memória que define, para cada time slot, qual das
portas deve ser habilitada.
A memória de controle é lida de maneira cíclica em 125µs, de modo a repetir a
comutação nas próximas palavras de código. O conteúdo das memórias de
controle é determinado pelo órgão de controle (CPA) de acordo com a
necessidade de cada conexão, e indica para cada time slot qual porta E deve ser
habilitada. O número de posições de memória de controle é determinado pelo
número de portas de saída, sendo que existe um banco de memória de controle
para cada LMTS.
ts1 ts2 ts3 ts1 ts2
ts1 ts2 ts3 ts1 ts2
A B C A B
B E
TDM1
B
TDM1
ts1 ts2 ts3 ts1 ts2
D
1
1
D
ts1 ts2 ts3 ts1 ts2
TDM2
A F C A F
ts1 ts2 ts3 ts1 ts2
F E
2
2
TDM2
F
TDM3
linhas TDM de
saída
linhas TDM de
entrada
3
ts1
ts2
ts3
1
3
3
ts1
ts2
ts3
1
3
1
pontos de
comutação
memórias de
controle
Figura 3.3 - Comutador espacial com portas E.
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3 . 2 . 2 Comutador Temporal.
O comutador temporal é um circuito digital que realiza a comutação das palavras
de código dos time slots da LMTE para qualquer time slot da LMTS.
QUADRO - 125µs
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 …
…
A B C D
…
tsa ts1 ts2
G A B …
COMUTADOR
TDM entrada
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 …
…
D G C
B …
TEMPORAL
tsb ts1 ts2
A D G …
TDM saída
Figura 3.4 - Princípio de comutação temporal
(a)
(b)
a
b
a - número de time slots (portas) de entrada,
b - número de time slots (portas) de saída
Figura 3.5 - Símbolo do comutador temporal
As características principais do comutador temporal são:
• A comutação ocorre pela redisposição dos time slot dentro da LMT.
• sistema é sem bloqueio desde que o número de portas de saída seja
maior que o número de portas de entrada.
• A acessibilidade é plena, pois as palavras de código dos time slots da
LMTE podem acessar qualquer time slot da LMTS.
• É necessário um circuito de memória que armazene o conteúdo do time
slot até que este seja lido para o time slot de saída desejado, provocando
um atraso variável na comutação. O valor do atraso sempre será inferior
a 125 µs.
Os comutadores temporais podem ser construídos segundo dois princípios:
• Escrita cíclica: A escrita das palavras PCM, na memória de dados, é
cíclica, e a leitura feita de acordo com a necessidade de comutação.
Neste caso, o conteúdo da memória de controle indica a posição da
memória de dados que deve ser lida em cada um dos time slots da
LMTS. Existe uma posição de memória de dados para cada porta de
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CEFET-SC
entrada e uma posição de memória de controle para cada porta de saída.
Quando a escrita é ciclica o conteúdo da memória de controle indica o
time slot da entrada e o endereço indica o time slot de saída (por
exemplo ts2 5
indica que o conteúdo do time slot de entrada 5 irá para
o time slot 2 na saída)
• Leitura cíclica: A escrita das palavras PCM, na memória de dados, é feita
de acordo com a necessidade de comutação, e a leitura é cíclica. Neste
caso, o conteúdo da memória de controle indica a posição da memória
de dados em que as palavras PCM da LMTE devem ser escritas. Existe
uma posição de memória de dados para cada porta de saída e uma
posição de memória de controle para cada porta de entrada. Quando a
leitura é ciclica o endereço da memória de controle indica o time slot da
entrada e o conteúdo indica o time slot de saída (por exemplo ts2
5
indica que o conteúdo do time slot de entrada 2 irá para o time slot 5 na
saída)
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 ts6 ts1 ts2 …
A B C
D E A B
1
2
3
4
5
6
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 ts6 ts7 ts1 ts2
A
B
C
A D
C
B E A D
D
E
linha TDM de entrada
memória de
dados
ts1
ts2
ts3
ts4
ts5
ts6
ts7
1
5
3
linha TDM de saída
memórias de
controle
2
6
Figura 3.6 - Comutador temporal de escrita cíclica.
3 . 2 . 3 Comutador Temporal/Espacial.
O comutador temporal é um circuito digital que realiza a comutação das palavras
de código dos time slots da LMTE para qualquer time slot de qualquer LMTS,
realizando portanto simultaneamente a comutação temporal e espacial.
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QUADRO - 125µs
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 …
…
A
…
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 …
…
A
…
tsa ts1 ts2
…
D A
tsb ts1 ts2
A …
TDM1
TDM1
E G …
B
TDM2
B …
G E F B
…
G E …
TDM2
COMUTADOR
C
F
…
…
C
ESPACIAL
TDM m
...
...
TEMPORAL
D
…
C D
…
TDM n
Figura 3.7 - Princípio de comutação temporal/espacial
(b)
m
a
b
n
...
...
(a)
abmna.m b.n -
número de time slots das TDM de entrada,
número de time slots das TDM de saída,
número de linhas TDM de entrada,
número de linhas TDM de saída,
número de portas de entrada,
número de portas de saída.
Figura 3.8 - Símbolo do comutador temporal/espacial
As características principais do comutador T/S são:
• A comutação ocorre pela redisposição dos time slots dentro das LMT’s e
entre LMT’s.
• sistema é sem bloqueio desde que o número de portas de saída seja
maior que o número de portas de entrada.
• A acessibilidade é plena, pois as palavras de código dos time slots da
LMTE podem acessar qualquer time slot de qualquer LMTS.
• Da mesma forma que no comutador temporal, é necessário um circuito
de memória, provocando um atraso variável na comutação. O valor do
atraso sempre será inferior a 125 µs.
• A taxa de bits interna é igual a taxa de bits externa multiplicada pelo
número de entradas (ou saídas).
Os comutadores temporal/espacial (T/S1) são basicamente constituídos de 3
módulos: um multiplexador digital das LMTE’s, um comutador temporal de alta
velocidade e um demultiplexador para formar as LMTS’s. Os multiplexadores
1
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T/S - Time/Space
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TELEFONIA DIGITAL
CEFET-SC
digitais combinam as LMT’s pela intercalação de palavras de código, sem
acrescentar nenhum bit.
Os comutadores T/S também podem ser construídos segundo dois princípios:
escrita cíclica ou leitura cíclica.
No caso dos comutadores T/S de escrita cíclica, o total de portas de entrada (Pe)
que podem ser comutados é limitado pelo tempo de acesso das memória de
dados (td) (Pe < 125µs/2td) onde o fator 2 se deve à realização de duas
operações na memória de dados (escrita e leitura) a cada 125µs. O total de
portas de saída (Ps) é limitado pelo tempo de acesso das memórias de controle
(tc) (Ps < 125µs/tc). No caso de comutadores T/S de leitura cíclica, temos Pe <
125µs/tc e Ps < 125µs/2td.
ts1 ts2 ts3 ts1 ts2
A B
ts1 ts2 ts3 ts4 ts1
A B
ts1 ts2 ts3 ts1 ts2
C D E C D
B G D F B
B
C
G
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 ts6 ts7 ts8 ts9 ts1 ts2
A C
B D F
E G A C
D E F A BC
D
E
F
A
ts1 ts2 ts3 ts1 ts2
F G
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 ts6 ts7 ts8 ts1 ts2 …
B C G
F
8 ts1
2 ts2
ts3
1 ts4
linhas TDM
de entrada
memórias de
controle
ts1 ts2 ts3 ts4 ts1
C
E A C
linhas TDM
de saída
memória de
dados
5 ts5
7 ts6
ts7
6 ts8
3 ts9
Figura 3.9 - Comutador temporal/espacial de leitura cíclica.
Na prática, a multiplexação e demultiplexação geralmente são feitas diretamente
durante a escrita e leitura na memória de dados.
3.3
Redes de comutação
Em centrais de grande porte, é comum a utilização de redes de comutação,
formadas a partir de estágios temporais e espaciais.
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O uso de associações
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CEFET-SC
pode ser feita de forma a resultar em redes sem bloqueio, ou em redes com
bloqueio.
3 . 3 . 1 Associação de comutadores T/S
Uma rede sem bloqueio pode ser construída pela associação em paralelo de
circuitos comutadores T/S. Para aumentar a quantidade de LMTS’s, associa-se
as entradas em paralelo.
b
n
(a)
...
⇔
(b)
(a)
b
n
a
m
b
2n
...
a
m
(b)
...
...
a
m
...
(b)
(a)
Figura 3.10 - Associação em paralelo das entradas.
Para se aumentar a quantidade de LMTE’s, associa-se em paralelo as saídas.
Neste caso, é necessário que as saídas sejam normalmente de alta impedância
(3-state).
(b)
(a)
.
.
.
m
a
b
(a)
.
.
.
n
(b)
m
a
b
.
.
.
(a)
⇔
.
.
.
(b)
2m
a
b
n
.
.
.
n
Figura 3.11 - Associação em paralelo das saídas.
3 . 3 . 2 Estrutura Temporal-Espacial-Temporal (TST)
Nesta estrutura, múltiplos estágios temporais são utilizados como estágios de
entrada e saída de um comutador espacial central.
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(b)
a
(b)
b
(a)
b
m
...
a
n
b
a
...
(a)
b
a
Figura 3.12 - Estrutura Temporal-Espacial-Temporal
Esta estrutura pode apresentar bloqueio interno, sendo que o número de time
slots internos é o fator que mais influencia no bloqueio. Se o número de time
slots internos (b) é o dobro do número de time slots de entrada/saída (a) menos
1, então a rede será sem bloqueio (b ≥ 2a - 1).
Um bom grau de serviço (baixa probabilidade de bloqueio) é obtida se o número
de time slots de entrada do primeiro estágio for significativamente menor que o
número de time slot de saída deste estágio.
Na comutação digital, ao contrário da comutação analógica, a composição dos
estágios é feita através da seguinte seqüência: expansão do tráfego (1o estágio),
distribuição (2o estágio) e concentração (3o estágio). O estágio de distribuição
tem o número total de time slots de saída igual ao número total de time slots de
entrada. O estágio de concentração é o espelho do estágio de expansão.
A operação de uma estrutura TST consiste em encontrar um time slot vazio no
estágio espacial que possibilite a conecção do estágio temporal de entrada com
o estágio temporal de saída desejado.
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CEFET-SC
Bloqueio
ts1 ts2 ts3 ts1 …
ABCA
3
ts1 ts2 ts3 ts4 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts4 ts1 …
ABC
AB
AB
4
ts1 ts2 ts3 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts4 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts4 ts1 …
DE
DE
4
ts1 ts2 ts3 ts1 …
AB
4
DE F
3
AB
ts1 ts2 ts3 ts1 …
3
ts1 ts2 ts3 ts1 …
DE
4
3
ts1 ts2 ts3 ts4 ts1 …
3
ts1 ts2 ts3 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts4 ts1 …
C
3
C
4
D
3
4
C
3
Figura 3.13 - Rede TST com bloqueio (2a - 1 > b).
ts1 ts2 ts3 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts1 …
ABCA
AB
AB
HABH
3
CA
5
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 ts1 …
DE F D
D
EF
D
ts1 ts2 ts3 ts1 …
EF C
F ECF
5 3
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 ts1 …
GHI G
3
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 ts1 …
5
ts1 ts2 ts3 ts1 …
G I H
3
A
5
ts1 ts2 ts3 ts1 …
3
H
3
3
ts1 ts2 ts3 ts4 ts5 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts1 …
DG I
GI DG
5
D
5
3
Figura 3.14 - Rede TST sem bloqueio (2a - 1 = b).
Ao fazermos uma comparação da estrutura TST sem bloqueio com a estrutura
TS, podemos afirmar que:
• O fator velocidade pode ser predominante na escolha da estrutura TST,
uma vez que para um grande número de portas de entrada o tempo de
acesso da memória de dados pode ser muito rápido para a tecnologia
existente.
• A realização da rede TS exige comutadores que possuam memórias de
dados com tempo de acesso menor que na estrutura TST.
• Em redes de comutação de grande porte, o estágio de distribuição
espacial pode ser implementado pela associação de vários comutadores
espaciais.
• Na estrutura TST, pode-se reduzir o grau de serviço (permitindo
bloqueio), visando uma reduçãode custo.
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(32)
CEFET-SC
(63)
32
63
(63)
32
EC
64
EC - Escrita cíclica ou
LC - Leitura cíclica
(32)
63
LC
(32)
⇔
64
(32)
32
64
32
32
63
63
32
EC
64
EC ou LC
LC
Figura 3.15 - Comparação das estruturas TS e TST.
3 . 3 . 3 Estrutura Espacial-Temporal-Espacial (STS)
Nesta estrutura Espacial-Temporal-Espacial, os estágios temporais estão
conectados às LMT’s dos estágios espaciais de entrada e saída. Os estágios
temporais são simétricos, tendo a função de possibilitar a mudança de time slot
durante a conexão.
O primeiro estágio espacial faz a expansão do tráfego enquanto o 3o estágio faz
a concentração de tráfego (k > n).
(a)
(a)
a
n
k
a
.
.
.
a
(a)
(a)
k
n
a
Figura 3.16 - Estrutura Espacial-Temporal-Espacial
Para se estabelecer uma conexão através da estrutura STS, é necessário em
primeiro lugar, encontrar um estágio temporal que tenha livre o time slot
correspondente ao time slot utilizado no comutador espacial de entrada, e, ao
mesmo tempo, o time slot de saída correspondente ao time slot utilizado no
comutador espacial de saída.
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CEFET-SC
Bloqueio
ts1 ts2 ts3 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts1 …
AB
A
A
A
A
3
ts1 ts2 ts3 ts1 …
2
2
A
3
ts1 ts2 ts3 ts1 …
D
ts1 ts2 ts3 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts1 …
B
2
2
B
3
ts1 ts2 ts3 ts1 …
B
3
Figura 3.17- Rede STS com bloqueio.
ts1 ts2 ts3 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts1 …
ABCA
D
F D
CDAC
F D
3
ts1 ts2 ts3 ts1 …
DE F D
2
3
F
3
ts1 ts2 ts3 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts1 …
AE CA
CE AC
3
3
ts1 ts2 ts3 ts1 …
ts1 ts2 ts3 ts1 …
B
3
B
3
2
ts1 ts2 ts3 ts1 …
F EBF
3
Figura 3.18 - Rede STS sem bloqueio.
3.4
Uso dos comutadores em telefonia.
No uso dos comutadores digitais para circuitos telefônicos, a comutação deve
ocorrer a 4 fios, isto é, no sentido da transmissão (de A para B) e da recepção
(de B para A). Desta forma, para cada ligação, é necessário o estabelecimento
de dois caminhos de comutação.
A escolha deste caminhos pode ser feita através da procura de dois caminhos
separados ("comutação em separado"), ou através de caminhos estabelecidos
de forma simétrica ("comutação em antifase"). No caso da comutação em
separado, é necessária uma memória de controle para cada caminho, enquanto
no uso da comutação em antifase, é necessária apenas uma memória de
controle para cada par de caminhos, uma vez que, com o estabelecimento do
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TELEFONIA DIGITAL
CEFET-SC
caminho de transmissão, o caminho de recepção fica automaticamente
estabelecido.
A comutação em antifase consiste em associar de forma lógica o canal de
transmissão ao canal de recepção. Na estrutura TST, esta comutação é feita
fazendo com que, em cada linha multiplex de 2N time slots do estágio espacial,
os primeiros N time slots sejam utilizados no sentido da transmissão, enquanto
os últimos N time slots no sentido inverso. Deste modo, ao ser estabelecido um
caminho de transmissão através do time slot i, o time slot i+N será utilizado no
sentido inverso.
Para exemplificar uma comutação em antifase, utilizaremos uma estrutura TST
com um estagio inicial de 3 matrizes temporais de leitura cíclica de 4 time slots na
entrada e 6 time slots na saída, um estagio central com uma matriz espacial de 3
linhas de entrada e 3 linhas de saída cada uma com 6 time slots, e no estagio
final 3 matrizes temporais de escrita cíclica de 6 time slots na entrada e 4 time
slots na saída.
Neste caso para estabelecer a comutação do canal de
transmissão, utiliza-se apenas os time slots ts1 , ts2 e ts3 do estagio central,
ficando os time slots ts4 , ts5 e ts6 reservados para o canal de recepção.
ts7
tsi
16
32
MC 0
LC
A
.
.
tsi
7
.
ts7
16
.
.
1
n
tsi+N
.
.
.
tsi+N
32
EC
k
k
tsi+N
ts11
16
MC i
32
LC
B
tsi
16
32
n
11
.
ts11
.
.
.
.
tsi
1
tsi
.
.
.
EC
Figura 3.19 - Comutação em antifase para um circuito telefônico na estrutura TST.
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13
TELEFONIA DIGITAL
CEFET-SC
Bibliografia.
[1] BELLAMY, J.: Digital Telepnony, 2nd ed. Wiley, 1991.
[2] FERRARI, A.M.: Telecomunicações: evolução e revolução, Erica, 1991.
[3] FONTOLLIET: Telecomunication Systems, Artech House, 1986.
[4] KEISER, B.E. & STRANGE, E: Digital Telephony and Network Integration, Van
Nostrand Reinhold, New York, 1985.
[5] www.sj.cefetsc.edu.br/~moecke
V.2005
14
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