Antes de ser manipulada por equipamentos telefônicos ou de transmissão a voz precisa ser convertida em bits. Como isso ocorre?
Centrais telefônicas eletrônicas, telefones celulares, modernos PABX e sistemas de transmissão trabalham, atualmente, com sinais digitais binários (ou seja: assim como computadores, só trabalham com dois símbolos, zero e um). Contudo, a voz humana é analógica antes de ser manipulada por esses equipamentos, deve ser digitalizada. Compreender como ocorre essa digitalização é fundamental para entender a importância de sistemas de SDH.
No início deste século, os cientistas desconfiavam de que não era preciso transmitir a voz o tempo todo para que fosse compreendida. Enviar pequenas amostras do sinal elétrico análogo à voz, tomadas a intervalos regulares, seria o bastante para recuperar o sinal original, depois. Do outro lado da linha, um circuito eletrônico transformaria as amostras num sinal analógico muito semelhante ao original.
Harry Nyquist, engenheiro americano que trabalhava no Bell System nos anos 20, descobriu que a voz, quando transmitida por sistemas telefônicos, deveria ser amostrada 8 mil vezes por segundo. Esse ritmo de amostragem seria suficiente para que o sinal fosse recomposto do outro lado.
Falam homens, falam máquinas
Cada pequena parcela amostrada é comparada com 256 patamares predefinidos. Cada um desses patamares eqüivale a um código de 8 bits. Se a amplitude da amostra estiver mais próxima do patamar 80, recebe o código de 8 bits desse patamar, e assim por diante. Este processo é conhecido como modulação por associação de códigos a pulsos, cuja sigla é PCM (de Pulse Code Modulation). (Fig. 1)
Como são feitas 8 mil amostras por segundo, cada qual "rotulada" com 8 bits, o resultado da digitalização da voz humana, em aplicações telefônicas, é uma sucessão de 64 mil bits por segundo, ou 64 kbps. Esse sinal é o "tijolinho" básico dos sistemas de telecomunicações.
Na outra ponta, do lado do receptor, ocorre o processo inverso. O sinal de 64 kbps do canal de voz é decomposto em 8 mil códigos de 8 bits. Um conversor lê cada código e produz, em sua saída, um pulso na amplitude correspondente. E outro circuito transforma os 8 mil pulsos num sinal analógico contínuo, semelhante ao sinal original.
O importante é entender que na entrada do conversor analógico-digital há uma onda elétrica cujas variações de amplitude são análogas às variações de amplitude da voz de quem está falando ao telefone. E na sua saída há uma torrente de bits que se sucedem ao ritmo de 64 mil por segundo. Este sinal digital é chamado de canal PCM. (Fig. 2)
Por que toda essa bagunça? Porque computadores manejam sinais digitais muito facilmente (e, hoje, quase todos os equipamentos usados em telecomunicações, como centrais telefônicas e ERBs, são computadorizados); a transmissão de sinais digitais é mais imune a ruído (afinal, há só dois símbolos); e qualquer tipo de sinal de entrada pode ser transformado em sinal digital. Isto significa que os mesmos equipamentos projetados para voz digitalizada podem manejar qualquer outro sinal digital - dados de computadores, emails, videoconferência etc. (Fig. 3)
SYN (JUNTO) + KRONOS (TEMPO)
Os primeiros sistemas de transmissão, assíncronos, nasceram com a telegrafia. Hoje, sistemas síncronos são uma necessidade tecnológica diante das crescentes velocidades de transmissão.
Há duas formas básicas pelas quais máquinas se comunicam, trocam dados ou transmitem bits: a assíncrona e a síncrona.
O modo de transmissão assíncrono foi inicialmente desenvolvido para a telegrafia. Consiste em enviar a informação precedida por um símbolo de inicio e de marcar o fim da informação com um símbolo de fim. O intervalo entre uma informação e outra é imprevisível - por isso o termo assíncrono, que significa, em tradução livre, intermitente. Este tipo de transmissão foi criado para enviar caracteres conforme fossem teclados por operadores de telex.
O sinal que marca o inicio e o fim do caracter ou símbolo pode ser um bit ou um conjunto de bits. Como todo caracter precisa vir acompanhado de sinais de sincronismo, o modo assíncrono de transmissão também é conhecido como "sincronismo de caracter". Mas por que é preciso haver sinal de inicio ou de fim? Observe a figura 4.
Ininterrupto
Decodificar a mensagem só é possível se o receptor puder contar os bits que chegam e compará-los com uma seqüência de bits gerada internamente, conhecida como relógio. O sinal de inicio (um bit ou byte) serve para que o receptor alinhe o sinal que chega com o relógio interno, além de marcar onde começa a mensagem. O sinal de fim indica que o caracter já foi completamente transmitido, permitindo ao receptor avaliar se recebeu todos os bits que deveria ter recebido. E o processo recomeça com o próximo caracter.
O modo assíncrono não se presta a transmissões velozes, que implicam bits mais estreitos, isto é, que duram menos tempo. Quanto menos tempo dura um bit, maior a possibilidade de distorção. E qualquer distorção ocorrida durante a transmissão pode impedir que o receptor consiga fazer o sincronismo de seu relógio interno e o caracter transmitido se perderá ou será erroneamente decodificado.
Não há interrupção na transmissão quando se opera no modo síncrono. Na transmissão síncrona, as referências de tempo (relógios) do transmissor e do receptor precisam ser idênticas. Por isso, neste tipo de transmissão precisa haver um mecanismo de controle dos pulsos do relógio.
Referência escorregadia
É comum usar protocolos que reconhecem um byte, único e exclusivo, como referência de sincronismo. Toda vez que o receptor identifica esse byte, realinha os pulsos de seu relógio de referência (fig. 5).
O transmissor envia duas ou três vezes esse byte de sincronismo, depois um byte avisando que a transmissão dos caracteres vai começar, depois os dados (um ou mais bytes de caracteres), depois um byte avisando que a transmissão de caracteres terminou e, por último, um byte que serve para verificar se houve algum erro na transmissão. Enquanto não houver mais caracteres para ser transmitidos, o sistema vai enviando bytes de sincronismo continuamente. A estrutura mostrada na figura 5 é conhecida como quadro (ou bloco, frame, enlace ou feixe) de transmissão síncrona.
Por que é tão necessário transmitir sinais de sincronismo, se na transmissão síncrona os bytes chegam a intervalos regulares? Porque a leitura da torrente de bits que chega do transmissor só é possível se esses bits estiverem alinhados com uma torrente de bits de referência, conhecida como relógio (clock). Com variações de tensão e de temperatura, entre outros fatores, o relógio de referência pode "escorregar", ou seja, ficar desalinhado em relação ao sinal recebido.
ENTRAM EM CENA OS MULTIPLEXADORES
Máquinas intercaladoras de conversas telefônicas são a base das telecomunicações modernas transmitem, num par de fios ordinário, o que dizem 30 pessoas.
Logo os engenheiros perceberam que seria possível projetar sistemas de transmissão mais baratos e eficientes por meio da mesclagem de vários canais PCM e da transmissão síncrona dessa mescla por um único par de fios, o mesmo que antes era ocupado por um só sinal analógico.
O método usado para combinar vários canais de 64 kbps numa única torrente de bits de maior velocidade é conhecido como TDM (Time Division Multiplexing, ou multiplexação por divisão de tempo). O nome é complicado, mas o conceito, muito simples.
Alinham-se 32 canais PCM. Um byte de cada canal é transmitido por vez, num canal de saída de alta velocidade (fig. 6).
O multiplexador TDM lê o primeiro byte de cada um dos 32 canais PCM, todos ao mesmo tempo. Cada um desses bytes dura 125 us (micros-segundo), após o que são armazenados na memória do multiplexador (daqui para diante, só mux).
Da memória do mux, os bytes são enfileirados na saída de alta velocidade: o primeiro byte do canal 1, depois o primeiro byte do canal 2, e assim por diante até o primeiro byte do canal 32, quando o processo recomeça para o segundo byte de cada canal. Só que, na saída, cada byte dura apenas 3,90625us. Em outras palavras, os 32 primeiros bytes de cada um dos 32 canais PCM duram o mesmo tempo (125us) que cada byte da entrada. Ou, em outras palavras ainda, a velocidade da torrente de bits, na saída do mux, é de 2,048 Mbps, ou 32 vezes 64 kbps.
Herança francesa
Desses 32 canais, o primeiro é usado para controle e sincronismo do "seletor rotativo" que, na outra ponta do sistema, desfaz a intercalação ou demultiplexa, e o décimo sétimo é usado para sinalização. Essa é a estrutura de um enlace PCM, também chamado de enlace E1 (porque esse é um padrão europeu) e de "sinal de 2 Mbps": 30 canais de voz, 2 canais para sinalização e sincronismo e freqüência de 2,048 Mbps.
Esta técnica de multiplexação por alternância de bytes é conhecida como sequential byte interleaving, ou intercalação seqüencial de bytes. A figura 6 mostra um seletor rotativo produzindo o entrelaçamento de bytes, sincronizado com outro seletor que, na outra ponta do sistema de transmissão, realiza a demultiplexação. Evidentemente, não há tal tipo de peça mecânica dentro de uma moderna máquina TDM. A função desse seletor é feita por software. O princípio da TDM foi desenvolvido, contudo, por Emile Baudot (1845-1903), engenheiro francês que, com um seletor rotativo mecânico, conseguiu mesclar os sinais produzidos por quatro teleimpressoras Hugues numa única linha de transmissão.
Por que esses enlaces PCM são importantes? Porque as centrais telefônicas são interligadas por meio desses enlaces. As modernas centrais eletrônicas (CPA-T) já fornecem sinais El especialmente para essas interconexões, que são feitas usando pares de fios trançados, cabos coaxiais, fibras ópticas ou rádio microondas. Também os PABX usados em empresas já transmitem ou recebem, da PSTN, através de enlaces El.
Observe-se que um enlace TDM tem estrutura semelhante à de um quadro de transmissão síncrona. Não é à toa: eles são realmente transmitidos por máquinas síncronas.
OS PEQUENOS El
Assim como enlaces El reúnem 30 assinantes, logo surgiram padrões para intercalar dezenas de enlaces El num único canal
Antigas centrais telefônicas eletromecânicas eram interligadas por meio de circuitos eletrônicos analógicos com 2 ou 4 fios. A técnica de digitalização da voz (usando PCM) e a de construção de enlaces com 30 canais de voz simultâneos (o enlace El) representaram uma revolução nas telecomunicações.
Contudo, conforme a procura por serviços telefônicos foi crescendo, ficou claro que o padrão El seria insuficiente para escoar todo o tráfego entre as grandes centrais telefônicas. Para evitar um número excessivo de enlaces El entre as centrais, cuja manutenção seria cara e complexa, foi preciso criar multiplexadores que intercalassem vários enlaces El num único cabo coaxial ou fibra óptica.
Na Europa (e no Brasil), adotou-se o padrão que intercalava quatro enlaces El, produzindo um sinal de 8,448 Mbps (conhecido como canal de 8 Mbps). O processo é semelhante ao da multiplexação de 30 canais PCM. Contudo, neste nível de multiplexação há intercalação de bits (em vez de intercalação de bytes), ou seja, quando aparece o primeiro bit de cada um dos quatro enlaces El, o mux lê esses quatro bits e os transfere para a saída. Por isso, a velocidade do sinal de saída é quatro vezes maior. (Fig. 7)
Quatro em um
Criou-se, então, uma hierarquia de multiplexadores. Os que reúnem 30 canais PCM num enlace El são chamados de TDM de primeira ordem. Os que reúnem quatro enlaces El numa torrente de 8,448 Mbps, onde há 120 canais de voz, são chamados de TDM de segunda ordem. Cada TDM, a partir dos de primeira ordem, multiplexam (ou intercalam) quatro entradas. A figura 7 mostra as velocidades e o número de canais até a hierarquia de quinta ordem, no sistema europeu e no americano, que é um pouco diferente.
Com a concatenação de vários TDMs de ordens diferentes, é possível reunir, por exemplo, todas as ligações telefônicas de uma cidade, destinadas a outra cidade, numa única fibra óptica. (Fig. 8)
PLESÍOS (QUASE) + KRONOS (TEMPO)
Limitações técnicas impediram que os primeiros grandes multiplexadores fossem realmente síncronos. Surgiram os plesiócronos, ou "quase" síncronos.
Concatenar máquinas TDM, como se vê na figura 8, parece ser, a princípio, muito simples. Na prática, há algumas complicações. Uma máquina que multiplexa enlaces El está, freqüentemente, trabalhando com sinais gerados por equipamentos diferentes. Cada um deles fornece um sinal de saída cujo ritmo pode ser ligeiramente diferente de 2,048 Mbps um pouco mais rápido ou um pouco mais lento. E, para que tudo dê certo na hora da demultiplexação, é essencial que todos os bits de entrada estejam sincronizados.
Antes de realizar a intercalação dos enlaces El é preciso, portanto, obrigar todos os enlaces a funcionar no mesmíssimo ritmo de sucessão de bits. Isto é feito pela adição de bits sem informação, chamados de "bits vazios" ou "bits de justificação". Eles são identificados depois, na hora da demultiplexação, e descartados, para manter o sinal original.
Este processo é conhecido como operação plesiócrona. Vem do grego plesíos, próximo, quase; e kronos, tempo. Numa tradução livre, plesiócrona é a máquina quase síncrona. O funcionamento de um multiplexador plesiócrono está esquematizado na figura 9.
Os problemas de sincronização ocorrem em todos os níveis de hierarquia TDM, de forma que em todos os estágios há módulos plesiócronos para adicionar bits de justificação. Por esse motivo, adotou-se o nome de Hierarquia Digital Plesiócrona (PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy) para essa linha de multiplexadores TDM.
Condições banais
Com a redução dos custos de circuitos integrados (chips) e os avanços alcançados na transmissão por fibras ópticas, as redes de PDH ficaram baratas o bastante para se multiplicar por todo o mundo, distribuindo milhões de canais PCM (conversas ao telefone) entre as centrais telefônicas.
De certa forma, a própria popularização das redes de PDH trouxe consigo seu fim. Taxas de transmissão altas, baratas e disponíveis fizeram surgir e proliferar novos serviços, que não o telefônico, projetados especialmente para o mundo empresarial. Freqüentemente, a capacidade de competição das empresas dependia da qualidade destes novos serviços. As operadoras públicas de telefonia viram-se obrigadas a garantir que seus serviços funcionariam sem interrupções, que as velocidades de transmissão iriam aumentar e que novas conexões seriam rápida e facilmente obtidas.
Mas o sistema de PDH foi concebido tendo em mente o serviço mais banal: uma simples conversa ao telefone. Há até uma sigla, em inglês, para esse serviço básico: POTS, de plain old telephone service, ou serviço telefônico antigo e simples. Por isso, a rede de PDH dificultava a criação e a manutenção dos novos serviços destinados às empresas.
Desfazer tudo, refazer tudo
Um dos grandes problemas da rede plesiócrona está ilustrado na figura 10. Suponha-se que uma operadora precise entregar um enlace El para uma empresa, que vai usá-lo em seu PABX. Perto desse cliente passa, por sorte, uma linha de transmissão de PDH a 140 Mbps. A tarefa de retirar um enlace de 2 Mbps dessa linha poderia parecer muito simples, mas na prática é muito laboriosa.
O método de adequar a taxa dos enlaces El, a justificação, por meio da qual se adicionam bits extras à torrente original de bits, torna impossível identificar a exata localização de um enlace El, ou quando começa e quando termina. Para retirar um enlace El de uma estrutura de 140 Mbps, ou para adicioná-lo à estrutura, é necessário primeiro demultiplexar toda a estrutura de quarta ordem em seus 64 enlaces originais.
Um demux transforma o quadro de 140 Mbps em quatro de 34 Mbps; outro demux transforma os 34 Mbps em quatro de 8 Mbps e, por fim, outro demux converte os 8 Mbps em quatro enlaces E 1. Neste ponto, é possível retirar o enlace que deverá ser instalado no cliente, assim como inserir o enlace que vem do cliente. E, para continuar o caminho, é necessário multiplexar tudo novamente.
É óbvio que inserir ou retirar um canal de 2 Mbps não é tarefa simples e barata: foram necessários, três demultiplexadores e três multiplexadores. Sem contar sistemas de energia, mão-de-obra especializada, interrupção temporária do enlace de 140 Mbps, para que os novos equipamentos fossem interligados, e a energia gasta em agendar tudo isso.
Sem espaço
Controle é outro problema associado a grandes quantidades de máquinas multiplexadoras e demultiplexadoras. Um enlace El pode percorrer grande quantidade de rotas, dentro da rede, até chegar a seu destino. A única maneira de garantir que será possível, numa eventualidade, acompanhar essa rota é manter registros atualizados sobre a interconexão de equipamentos. Conforme aumentam as ordens de serviço para inserir ou retirar enlaces El, aumentam as chances de alguém se enganar ou de os registros ficarem desatualizados. Um erro mais grave pode interromper toda a linha de transmissão.
Outra limitação das redes de PDH é a gerência. Como é difícil identificar onde estão os enlaces El nos níveis hierárquicos maiores, também é difícil saber se tudo está correndo bem. E, cada vez mais, especialmente na Europa e nos Estados Unidos, os clientes vinham exigindo a garantia de que a rede iria funcionar o ano todo. Para assinar um contrato assim, só se a operadora pudesse vigiar o desempenho de sua rede de transmissão. Para fazer funcionar um sistema de gerência, seria necessário "espaço" dentro de cada quadro, mas os quadros da PDH não têm bits suficientes para assegurar uma gerência abrangente.
Em resumo, os dois principais problemas da rede de PDH são: a dificuldade de identificar um enlace El especifico numa torrente de bits de alta velocidade e uma estrutura de quadro onde não há espaço para incluir informações para o gerenciamento da rede. Estas limitações não seriam críticas num sistema telefônico que só forneça POTS. Mas, à medida que serviços aprimorados ficam mais populares, a rede de PDH começa mais a atrapalhar que a ajudar.
A seriedade dessa situação fica clara quando se considera que POTS crescem, nos países industrializados, menos de 5% ao ano, ao passo que a procura por alguns novos serviços cresce mais de 50% ao ano o caso da Internet é um bom exemplo. Soma-se a isso o fato de que esses novos serviços representam a maior parte do faturamento dos PTTs. No Brasil, onde ainda há monopólio e algumas regiões ostentam filas incríveis por serviços telefônicos, qualquer serviço tende a crescer rapidamente.
Este contexto levou fabricantes de infra-estrutura de telecomunicações a procurar uma solução, em todo o mundo. E era evidente que ela passaria por uma máquina completamente síncrona.
EM RITMO PERFEITO
A microeletrônica permitiu vislumbrar máquinas perfeitamente síncronas e' com elas, serviços muito mais aprimorados.
Os sistemas síncronos podem ser encarados como o último estágio na hierarquia dos sistemas de transmissão, pois possibilitam a inserção e extração de enlaces sem que seja necessária uma demultiplexação. É simples: numa rede onde haja perfeito sincronismo entre todos os enlaces, é possível saber exatamente a que enlace pertence determinado bit, assim como saber quando começa e termina um enlace.
Embora os fabricantes estivessem tentando produzir soluções próprias, desde o começo fizeram grande esforço conjunto para padronizar o máximo possível dos sistemas de transmissão síncronos. A oportunidade de definir padrões foi usada para resolver os problemas da PDH: era preciso incluir espaço, dentro de cada hierarquia, para que o sistema fosse capaz de gerênciar a qualidade da transmissão e de medir o tráfego.
As primeiras pesquisas começaram em 1984, nos Estados Unidos. Desde o começo, os fabricantes americanos reuniram-se em comitês para chegar a uma solução padronizada, que permitisse alguma forma de conexão entre máquinas de fabricantes diferentes. Dois comitês (o T1X1 e o T1M1) acabaram publicando, em 1985, a proposta do Bellcore: o Synchronous Optical Network, ou Sonet. Os documentos padronizavam a interface óptica, o formato do quadro de transmissão e as velocidades de cada sinal. Como muitos fabricantes já estavam adiantados em respostas próprias, houve muita discussão.
O diálogo América - Europa
Como os enlaces PCM usados nos Estados Unidos são diferentes dos enlaces El (pois carregam só 24 canais PCM), a proposta americana causou pouco interesse nos órgãos de padronização europeus. Mas, com a pressão de empresas inglesas, australianas e suecas, o CCITT começou a estudar o assunto em 1986. As empresas queriam que os padrões americanos e europeus não fossem completamente incompatíveis. Seguiram-se reuniões em Brasília (1987) e Seul (1987).
No encontro de Melbourne, em 1988, o CCITT publicou as três primeiras recomendações sobre a SDH, que incluíam concessões ao Sonet. No mesmo ano o comitê T1X1 publicou as recomendações para a Sonet, incluindo modificações exigidas pelo CCITT. Hoje, para efeitos práticos, pode-se considerar o Sonet um subpadrão dentro do padrão da SDH.
RÓTULOS EM PACOTES
Entre milhões e milhões de bits, as máquinas da SDH sabem exatamente a quem pertence um bit solitário.
Definiu-se que a taxa de transmissão básica de sistemas de SDH seria 155,52 Mbps. Essa velocidade foi chamada de STM-1, sigla de módulo de transporte síncrono. A tabela 1 mostra os ritmos das hierarquias de SDH. A estrutura de quadro do STM tem 2.430 bytes, que duram 125 micros-segundos (exatamente o tempo que dura um canal PCM de 64 kbps). Esses bytes estão organizados em 270 colunas por 9 linhas (fig.11).
TABELA 1 |
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| STM-n | ritmo | como é chamado | capacidade |
| STM-1 | 155,52 Mbps | 155 Mbps | |
| STM-4 | 622,08 Mbps | 622 Mbps | 4 x STM-1 |
| STM-16 | 2.488,32 Mbps | 2,5 Gbps | 16 x STM-1 |
| STM-64 | 9.953,28 Mbps | 10 Gbps | 64 x STM-1 |
As primeiras nove colunas são usadas para transmitir informações de controle, gerenciamento e sincronismo. As 261 colunas restantes servem para carregar a informação a ser transmitida; é chamada de payload area, ou área que dá lucro. Este padrão se repete em todas as estruturas hierárquicas superiores. Na figura 11, N pode ser 1, 4, 16 ou 64. No STM-64, por exemplo, o quadro tem 155.520 bytes de comprimento, organizado em 17.280 colunas (bytes) por 9 linhas, sendo que a área de controle ocupa 576 colunas. Também nesse caso, os 155.520 bytes devem ser transmitidos em 125 micros-segundos, ou na freqüência de 9.953,28 Mbps.
(É claro que essa estrutura bidimensional, organizada em colunas e linhas, só é possível dentro da memória dos computadores que controlam essas máquinas. Na fibra óptica, os bits multiplexados sucedem-se um após outro.)
O mesmo feixe STM-N pode carregar, multiplexados, vários tipos de enlaces de entrada: o enlace PCM americano (chamado de T1), de 1,544 Mbps; o enlace El, de 2,048 Mbps; a hierarquia de 2º ordem americana, de 6,312 Mbps; a hierarquia de 3º ordem européia, de 34,368 Mbps; a hierarquia de 3º ordem americana, de 44,736 Mbps; e a hierarquia de 4º ordem européia, de 139,264 Mbps. Dentro do quadro STM-N são intercalados enlaces síncronos, assíncronos e plesiócronos. Rios e afluentes
Esses diferentes sinais de entrada são chamados de tributários, na terminologia da SDH. Um enlace El, por exemplo, é um tributário de 2 Mbps. (Tributário é uma tradução desengonçada da palavra inglesa tributary; a melhor tradução seria afluente. O feixe STM-N seria, portanto, como um rio de águas velozes, ao qual se somam afluentes de diferentes velocidades.) O processo pelo qual um tributário é encaixado dentro da estrutura de quadro STM-N toma nove passos, mostrados na figura 12.
Os bytes vindos do sinal tributário são empacotados dentro de um contêiner, ou seja, são arranjados segundo critérios padronizados, e assumem um número predefinido de bytes. Cada tipo de tributário tem seu contêiner específico, padronizado pelo CCITT.
A cada contêiner são associados alguns bytes que propiciam o gerenciamento de todo o caminho percorrido pelo contêiner, assim como o controle de conteúdo. Esses bytes seriam como um rótulo, colado na "embalagem" que leva a informação. Seu nome é Path Overhead e o símbolo, POH. O conjunto compõe-se do contêiner, e seu rótulo POH é chamado de "contêiner virtual". Assim que o contêiner virtual está montado, pode ser colocado na área útil do quadro STM-N (payload area).
Caixas dentro de caixas
Cada contêiner virtual é associado a um ponteiro de unidade tributária. Este ponteiro, na verdade uma variável de memória, serve para indicar onde começa o contêiner virtual, num conjunto de contêineres empacotados (multiplexados) juntos. Esse conjunto é chamado de Grupo de Unidades Tributárias. Se, por necessidade, um contêiner virtual muda de posição, o ponteiro é atualizado com a nova posição do contêiner dentro do grupo.
Uma analogia ajuda a compreender a utilidade desse ponteiro. Considere-se uma fila de carros numa rodovia. Cada carro eqüivale a um contêiner virtual. Um guarda tem uma lista onde estão anotados em que ordem os carros estão andando, qual o modelo e cor de cada um e quem estão transportando. Suponha-se que, numa rotatória, alguns carros saiam e outros entrem. A lista, então, deve ser atualizada, para representar a nova fila de carros. Cada item da lista eqüivale a um ponteiro.
O processo se repete: vários Grupos de Unidades Tributárias são novamente multiplexados, ou seja, empacotados em outros grupos. E esses grupos são reunidos num novo contêiner virtual, mais veloz. Esse outro contêiner virtual também tem um rótulo de controle (POH).
Vários desses grandes contêineres virtuais são reunidos (multiplexados) dentro de um grande grupo chamado de Grupo de Unidades Administrativas. Para indicar a posição dos contêineres dentro desse grupo, cada um deles é associado a um ponteiro de unidade administrativa.
Esteiras rolantes
Finalmente, vários Grupos de Unidades Administrativas são intercalados dentro da área útil do quadro STM-N. Um rótulo de quadro é associado à área útil, já totalmente cheia de vários tipos de contêineres virtuais. Esse rótulo é chamado de Section Overhead (SOH) e é dividido em duas partes: multiplexer section overhead (MSOH) e regenerator section overhead (RSOH). O MSOH acompanha a área útil pela fibra óptica, em sua viagem de um multiplexador de SDH a outro. O RSOH acompanha a área útil somente entre dois regeneradores, ou entre um regenerador e um multiplexador, sendo atualizado sempre que o quadro de SDH é regenerado.
Os bytes contidos na área de ponteiros SOH permitem identificar, retirar e inserir novos contêineres virtuais dentro da área útil, sem que seja necessária uma demultiplexação. (Uma analogia: numa esteira rolante sucedem-se caixas coloridas. Uma pessoa pode retirar só as caixas amarelas, por exemplo, sem que a esteira pare. E outra pode pôr, no lugar das amarelas, caixas azuis. Se esta operação funcionasse segundo os princípios da PDH, todas as caixas deveriam ser retiradas da esteira, após o que se trocariam as caixas amarelas, e então todas iriam para a esteira novamente.) Também servem de base para software de gerenciamento, recursos de manutenção e de administração, alinhamento de quadro e análise de erro e desempenho, entre outras funções.
A figura 13 mostra o caminho de todas essas multiplexações. Note-se que os símbolos que significam multiplexador (o trapézio) não se referem a máquinas, mas a funções de software.
BENEFÍCIOS DE UMA REDE SÍNCRONA
Redes de SDH são mais baratas, mais fáceis de usar, mais resistentes a acidentes, mais padronizadas e, em breve, poderão ser controladas pelo usuário.
Simplificação - Uma rede síncrona traz vários benefícios, mas, de longe, o principal deles é a simplificação da rede. Um único multiplexador síncrono substitui uma montanha de multiplexadores plesiócronos. Como se vê na figura 14, uma estação de SDH é mais simples, sua manutenção é mais barata, ela ocupa menos espaço e consome menos energia.
Como é fácil extrair e inserir enlaces PCM da SDH, a operadora pode vender serviços de banda larga mais facilmente, porque não é necessário enviar uma equipe só para rotear um novo enlace. Uma nova rota pode ser estabelecida a partir de um ponto central, pela simples digitação de um comando num terminal de gerência de rede.
Sobrevivência - Todos os elementos de uma rede de SDH estão constantemente supervisionando o funcionamento da transmissão. As informações que coletam são usadas por software que vigiam a integridade dos dados. Qualquer degradação, violenta ou suave, pode fazer com que o sistema de gerência opte por uma rota de transmissão alternativa. Mesmo que o assinante esteja mantendo uma conversa ao telefone, ou participando de uma teleconferência, pode até não perceber que houve uma falha e uma intervenção automática.
A operadora britânica British Telecom, uma das primeiras a montar uma rede nacional de SDH, assina contratos em que admite que a transmissão pode falhar 30 segundos por ano somando tudo!
Controle por software - Os canais disponíveis dentro da estrutura de quadro da SDH permitem que toda a rede seja controlada por software. Sistemas de gerência de redes podem não só detectar falhas, mas avaliar o desempenho, modificar as configurações, dispor de recursos, controlar a segurança. Muitos problemas poderão ser contornados de uma única sala, sem que seja necessário enviar uma equipe a um site. Até mesmo a atualização do software (upgrade) e sua completa substituição podem ser feitas da sala de gerência.
Velocidades maiores sob encomenda - Todos os assinantes conectados a uma rede síncrona podem facilmente comprar qualquer serviço que esteja disponível na rede. Por exemplo: videoconferência discada, em que o assinante disca para um número apropriado para obter largura de banda suficiente para o estabelecimento de conexões velozes. Usualmente, os enlaces para uma videoconferência precisam ser reservados com dias de antecedência.
Padronização - Como as máquinas de SDH estão razoavelmente padronizadas, é possível interconectar redes de SDH de fabricantes distintos. Também é possível interconectar duas (ou mais) redes de gerência, por meio de interfaces TMN. Ainda há muitas limitações nessas interconexões entre diferentes fabricantes, mas os padrões estão ficando cada dia mais abrangentes.
AS PEÇAS DO JOGO
Como desenhar uma grande rede síncrona de transporte de informações?
Quatro "peças" básicas servem para montar qualquer tipo de rede síncrona: multiplexadores, comutadores digitais (cross-conects), rádio microondas e sistemas submarinos.
Multiplexadores - As redes de PDH tinham de ser construídas pela soma de multiplexadores e de terminais de linha (que servem de interface entre o mux e o sinal vindo do assinante ou da central telefônica). E um multiplexador de PDH só aceitava, como sinal de entrada, a saída de multiplexadores da ordem imediatamente mais baixa. Multiplexadores síncronos também realizam a função de terminais de linha. E aceitam, como entrada, qualquer tipo de tributário de ordem mais baixa, inclusive sinais plesiócronos ou assíncronos. A saída de um mux de SDH pode ser STM-1, STM-4, STM-16 ou STM-64. A figura 15 mostra as diferenças entre mux de PDH e SDH.
Só há uma forma de dispor as saídas ópticas de um mux de PDH: saída principal e saída de reserva. As saídas de um mux de SDH, contudo, podem ser usadas de duas formas: principal e reserva ou leste e oeste. Isto permite montar quatro tipos de configurações de rede: ponto a ponto; estação de inserção e de extração; anel; e hub (centralizador). (Fig. 16)
Na configuração ponto a ponto, dois mux de SDH funcionam como uma rota de alta velocidade entre duas localidades. Este tipo de solução é, em geral, mais barata que a mesma solução implementada com mux de PDH. As duas interfaces ópticas de saída funcionam como principal e reserva.
Projetados como estações de inserção e extração de tributários (estação add&drop), os mux de SDH funcionam como entrepostos, alterando o conteúdo do sinal do STM-N entre duas estações. Estas estações são também conhecidas como ADM (Add and Drop Multiplexer).
Em anel, os mux de SDH usam as duas saídas ópticas para fazer o quadro STM-N circular numa única direção (da direita para a esquerda ou vice-versa). A cada mux de SDH o quadro é alterado, por meio de inserções e extrações de tributários. Em caso de falha na comunicação entre um mux e outro, o quadro STM-N imediatamente começa a circular na direção oposta, sem que o operador ou o software de gerência precisem intervir.
Como hub, um mux de SDH pode receber, em sua entrada, tanto tributários conectados eletricamente quanto tributários ópticos. Um STM- 16, por exemplo, pode ter, em sua entrada, fibras ópticas. Um STM-16, por exemplo, pode ter, em sua entrada, fibras ópticas com quadros STM-4 e STM-1. Esta característica torna desnecessário instalar conversores eletroópticos na entrada do mux.
Além dessas características, um mux de SDH possui, dentro do quadro STM-N, um canal para gerência de rede, pelo qual fornece informações de alarmes e o estado de funcionamento de um tributário de 1,5 Mbps ou 2 Mbps. Vigiando o estado desse tributário, é possível deduzir o desempenho de todo o quadro STM-N.
Comutadores digitais - A maioria das redes síncronas é capaz de estabelecer interconexão entre canais distintos, permitindo que contêineres virtuais sejam enviados de um tributário para outro, ou de um quadro STM-N para outro. Estas conexões são sempre semipermanentes.
Há uma grande diferença entre essa capacidade de comutação (no jargão técnico, cross-conect facility) e a comutação que fazem as centrais telefônicas. A central telefônica estabelece uma conexão temporária que é controlada pelo assinante (que disca, conversa e desliga a conexão). Nas máquinas SDH, a comutação é feita pelo operador da rede, por meio do software de gerência de rede. E, embora o operador possa mudar uma rota quando quiser, uma conexão pode durar anos.
Com avanços técnicos, especialmente os que são obtidos na microeletrônica e no software, está cada vez mais difícil distinguir os dois tipos de comutação. Não demora o dia em que o destino de um tributário possa ser controlado pelo usuário da rede.
Há também uma grande diferença entre a comutação feita em redes de SDH e a feita em redes PDH, por intermédio de crossconects digitais. O cross-conect usado em redes de PDH foi desenhado para substituir os quadros de distribuição. A figura 17 mostra como esses quadros funcionavam: depois que todo o sinal plesiócrono estivesse demultiplexado, um trabalhador alterava a rota de um enlace manualmente, por meio da mudança de um cabo que interligava uma das saídas de um demultiplexador a uma das entradas de outro multiplexador. Esse era um trabalho caro, demorado e sujeito a erros. O cross-conect digital de PDH fazia exatamente essa tarefa.
Embora todo mux de SDH tenha dentro de si um comutador digital, essa função pode ser feita por máquinas especializadas, chamadas de DXC (DXC é acrônimo de digital cross-conect). Em alguns casos especiais, essas máquinas especializadas em rotear contêineres virtuais deixam a rede mais flexível, rápida e segura. Contudo, em geral são bem mais caras. Um DXC de grande capacidade pode custar até US$ 2,5 milhões.
Rádio microondas - Todos os fabricantes possuem mux de SDH cuja saída é rádio microondas. A maioria deles funciona a 155 Mbps, ou STM-l. Embora o ITU-T esteja trabalhando na padronização desses enlaces de rádio, por enquanto só há interfaces aéreas proprietárias - o que significa que transmissor e receptor precisam ser do mesmo fabricante. O propósito desses rádios de SDH é substituir os enlaces microondas de PDH a 140 Mbps, largamente empregados em todo o mundo.
É possível que dessas discussões sobre padronização surja um rádio de SDH de 51,84 Mbps. Serviria para empacotar enlaces plesiócronos de 3º ordem, muito usados para interligar centrais instaladas em áreas pouco povoadas, suburbanas ou rurais. Por enquanto, quando o PTT quer instalar uma rota de SDH entre dois povoados, precisa comprar máquinas STM-1 subequipadas.
Sistemas submarinos - Sistemas submarinos de curta distância podem usar a mesma interface óptica e a mesma estrutura de quadro dos sistemas terrestres. Quando se fala em longas distâncias, contudo, há um problema muito sério: os repetidores submarinos não são capazes de realizar cálculos muito complexos em pouco tempo. E os quadros STM-N exigem que os repetidores façam uma grande quantidade de cálculos. Este problema tem sido contornado de duas maneiras: quadros STM-N diferentes, que exigiriam menos cálculos; ou o empacotamento do quadro STM-N dentro de um quadro maior e mais simples, que exige poucos cálculos por parte dos repetidores. Todos os fabricantes possuem interfaces especiais para sistemas submarinos. Mas, também neste caso, as soluções são proprietárias.
A figura 18 mostra uma grande rede de SDH que combina os vários elementos descritos. Tentar montar uma rede com essa topologia, usando sistemas de PDH, seria quase impossível, pela complexidade e custo.
ANÉIS SEM DEDOS
O maior atrativo da SDH é a topologia em anel, que tira vantagem máxima da capacidade do sistema de extrair ou inserir enlaces.
Para operadoras, redes em anel estão entre as maiores vantagens da SDH. No Brasil (imitando a topologia européia), as centrais telefônicas estão interconectadas com a maioria das centrais das redondezas, assim como com as centrais de nível hierárquico superior (como as centrais tandem ou trânsito, que escoam as ligações interurbanas e internacionais). Esse tipo de rede, embora permita manter rotas alternativas para o caso de falhas, é caro e difícil de manter, tanto pela quantidade de máquinas necessárias quanto pelo desperdício de cabos de fibras ópticas.
Numa rede de SDH típica, as centrais telefônicas são interligadas em anéis. A figura 19 mostra uma comparação entre os dois tipos de topologia.
Uma rede em anel é mais simples, tão segura quanto a de topologia tradicional e pode ser gerenciada em todos os níveis. Além disso, num anel com STM-N é possível misturar o tráfego da rede pública (PSTN), o de circuitos privados de 2 Mbps e o de armários ópticos.
Nota: Artigo retirado da revista RNT nº213A - Maio / 97