A CAMADA FÍSICA (Capítulo 2) Sinais: Nada mais são do que ondas que se propagam através de algum meio físico. Os mesmos podem se dividir em:

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1 1) Informação e Sinal: 1.1) Conceitos: A CAMADA FÍSICA (Capítulo 2) Comunicação: É o ato de transmitir informações. A exemplo tem-se a conversação. Sinais: Nada mais são do que ondas que se propagam através de algum meio físico. Os mesmos podem se dividir em: Analógico: São sinais que variam continuamente com o tempo. Tem po Digital: São caracterizados pela presença de pulsos nos quais a amplitude é fixa. T Tem po

2 Outro exemplo: T Regra: Para se codificar n bits em um mesmo nível de amplitude, são necessários 2 n níveis diferentes. Baud: É definido como o número de intervalos de sinalização por segundo de um sinal digital. 1 Baud = log 2 L bps Sinalização: Refere-se aos sinais (níveis de voltagem por exemplo) usados para a transmissão da informação. Taxa de Sinalização: Refere-se ao número de vezes por segundo em que o sinal altera o seu valor.

3 O processo de comunicação envolve a transmissão da informação de um ponto a outro através de uma sucessão de processos, a saber: 1. A geração de uma idéia, padrão ou imagem na origem. 2. A descrição dessa idéia, com uma certa medida de precisão, por um conjunto de símbolos. 3. A codificação desses símbolos em uma forma propícia à transmissão em um meio físico disponível. 4. A transmissão desses símbolos codificados ao destino. 5. A decodificação e reprodução dos símbolos. 6. A recriação da idéia transmitida com uma possível degradação de qualidade pelo destinatário. 2) Banda Passante: 2.1) Análise de Fourier: No século XIX Jean Baptista Fourier, Matemático Francês, provou que qualquer sinal periódico, expresso como uma função do tempo (g(t)), com período T 0, pode ser expresso por: g 1 ( t) = 2 c Em que: + a sen(2 pnft ) + n n= 1 n= 1 b n cos(2 pnft f = 1/T 0 é a freqüência fundamental do sinal, ) a b n n 2 = = T 2 T T 0 T 0 g g ( t)sen(2 ( t)cos(2 pnft pnft ) ) dt dt,, e

4 c = 2 T T 0 g ( t) dt. Cada componente do somatório é dito um hamônico. 2.2) Sinais Limitados pela Largura de Banda Suponha a transmissão do caractere ASCII b ( em binário). A análise de Fourier desse sinal produz os seguintes coeficientes: a n b n πn 3πn 6π 7π = [cos( ) cos( ) + cos( ) cos( πn nn 3πn πn 7π 6π = [sen( ) sen( ) + sen( ) sen( )] πn nn )] c = 3/8 A Figura 2.1 mostra os sinais resultantes da análise de Fourier. No lado superior direito da Figura 2.1 é apresentado o seguinte valor: 2 2 n b n a + para os dois primeiros termos (hamônicos) da série.

5 rms amplitude Time T (a) Harmonic number 1 1 harmonic 0 (b) harmonics 0 (c) harmonics 0 (d) harmonics 0 Time Harmonic number (e) Figura 2.1 (a) Um sinal binário e suas amplitudes de média quadrática Fourier. (b) (e) Aproximações sucessivas do sinal original.

6 Dada uma taxa de bits de b bits/s 8/b é o tempo requerido para transmitir 8 bits, A freqüência do primeiro harmônico é b/8 Hz. Para um canal com qualidade de voz (3 KHz) tem-se que o número máximo de harmônicos permitidos é 3.000/b/8 = /b. BPS T (msec) First harmonic (Hz) # Harmonics sent Figura 2.2 Relação entre as taxas de dados e as hamônicas. Banda passante: Refere-se ao intervalo de freqüências (Hz) que compõem o sinal. Largura de Banda: Refere-se ao tamanho da banda passante (Hz), ou seja, a diferença entre a maior e a menor freqüência que compõem o sinal. 2.3) Taxa de Transmissão Máxima de um Canal 1928, H. Nyquist Taxa de transmissão máxima para um canal de banda passante limitada e sem ruído. 1948, Claude Shannon Estendeu o teorema de Nyquist para um canal sujeito ao ruído térmico (ruído Gaussiano).

7 TEOREMA DE NYQUIST: Nyquist provou que, um sinal transmitido em um canal com largura de banda W Hz, a sua reconstrução no receptor pode ser feita com uma freqüência de amostragem de no máximo 2W vezes por segundo. Como 1 baud = log 2 L bps, em que L é o número de níveis discretos usados, tem-se: = 2W log L bps C 2 LEI DE SHANNON: A capacidade máxima de um canal (C) cuja largura de banda é W Hz, e cuja razão sinal-ruído é S/N, é dada por: C = W + S log 2 (1 / N ) 2.4) Fontes de Distorção de Sinais em Transmissão RUÍDOS São um dos maiores limitantes do desempenho de sistemas de comunicação. É medido pela razão entre as potências do sinal (S) e do ruído (N). Ao invés da razão S/N propriamente dita, é comum usar a seguinte expressão: 10log10 ( S / N) que é denominada decibel (db).

8 S/N db Ruído térmico: É provocado pela agitação dos eletrons ( e fotons) nos condutores. Está presente em todos os meios de transmissão. É uniformemente distribuído em todas as freqüências do espectro (ruído branco) e é uma função da temperatura. Ruído de intermodulação: Existe somente quando há multiplexação na freqüência. Ocorre geralmente por defeito no equipamento de transmissão. Crosstalk: É provocado por uma interferência indesejável entre condutores próximos que induzem sinal entre si. Ruído impulsivo: É o único sem previsão de ocorrência e de duração. É não contínuo e consiste em pulsos irregulares e com grandes amplitudes. São provocados por diversas fontes, incluindo disturbions elétricos externos, falhas no equipamento, etc. ATENUAÇÃO: Refere-se à queda na potência do sinal, com a distância percorrida pelo mesmo. É decorrente das perdas de energia por calor e por radiação. É de fácil solução uma vez que se usam repetidores para o caso da transmissão digital e restituidores para o caso da transmissão analógica.

9 ECOS: Ocorrem em decorrência da mudança de impedância (propriedades físicas) do meio de transmissão. Seu efeito é similar ao dos ruídos. Sua anulação é no caso das transmissões digitais feita pelo uso de terminadores e transceptores de alta impedância em redes em barramento e para o caso da transmissão analógica, pelo uso de canceladores de ecos. Sinal analógico original Ruído e atenuação Amplificador Sinal analógico resultante Sinal digital original Ruído e atenuação Repetidor Sinal digital resultante

10 2.5) MODULAÇÃO: É o processo pelo qual se altera uma onda portadora de sinal, denominado sinal modulador, pela variação de um de seus parâmetros (amplitude, freqüência ou fase). Técnicas de modulação: Existem três técnicas básicas de modulação: - Modulação por amplitude (AM), - Modulação por freqüêencia (FM), e - Modulação por fase (PM). No caso específico do sinal modulador ser um sinal digital, essas técnicas tomam as seguintes denominações: - Modulação por chaveamento de amplitude (ASK), - Modulação por chaveamento de freqüência (FSK), e - Modulação por chaveamento de fase (FSK). O processo inverso é denominado de demodulação. Equipamentos que fazem uso desta técnica são chamados de MODEMs (MOduladores e DEModuladores). T1 R1 T2 R2 M odulador F iltro M odulador F iltro F iltro Dem odulador F iltro Dem odulador f 1 f 2 Como funciona um MODEM.

11 (a) (b) (c) (d) Phase changes Figura 2.18 (a) Um sinal binário. (b) Modulação por amplitude. (c) Modulação por freqüência. (d) Modulação por fase. Comparação entre estas três técnicas: Termo de comparação Melhor Médio Pior Custo A F P Tolerância ao ruído P F A Tolerância à distorção de Amplitude F P A Tolerância à distorção por retardo F A P Tolerância a alterações de freqüência A P F

12 MODEMs: Usam sinalização em corrente alternada, por ser a em corrente contínua sujeita às distorções de sinal cansadas pelas diversas fontes. Um tom contínuo na na faixa de a Hz, denominado de onda portadora senoidal, é introduzido de forma a possibilitar a modulação de uma de suas propriedades. Modems mais avançados usam uma combinação de técnicas de modulação para transmitir vários bits por baud (a) Figura 2.19 (a) Modulaçãode 3 bits por baud. (b) Modulação de 4 bits por baud. Tais figuras são ditas padrões de constelação. Alguns padrões de modem no mercado: V.32 Transmite a bps e usa o padrão de constelação da Figura 2.19(b). V.32 bis Transmite a bps em um canal de bauds usando 6 bits por baud. Seu padrão de constelação tem 64 pontos. (b)

13 V 34 Transmite a bps. Algums modens tem 128 (2 7 ) pontos no padrão de constelação. O sétimo bit é de paridade e tal codificação é denominada de codificação em treliça. Existem técnicas bem mais sofisticadas. DIBIT DIGITAL x ANALÓGICO T

14 2.6) MULTIPLEXAÇÃO: É uma técnica de transmissão de sinal que permite combinar vários canais lógicos em um mesmo canal físico. Duas são as técnicas de multiplexação: - FDM (Frequency Division Multiplexing) Multiplexação por divisão de freqüência. - TDM (Time Division Multiplexing) Multiplexação por divisão de tempo Um exemplo clássico e fácil de visualizar o uso desta técnica é o sistema de rádio AM, que usa a técnica FDM para alocação do canal para cada estação de rádio. Por sua vez, cada estação de rádio usa a técnica TDM para alternar música e propaganda ) FDM (Frequency Division Multiplexing) 1 Channel 1 Attenuation factor 1 Channel 2 Channel 2 Channel 1 Channel Channel 3 Frequency (khz) 1 (c) Frequency (Hz) Frequency (khz) (a) (b) Figura 2.24 Multiplexação por divisão de freqüência. (a) Larguras de banda originais. (b) As larguras de banda aumentaram de freqüência. (c) O Canal multiplexado.

15 BÁSICA ) SISTEMAS EM BANDA LARGA E EM BANDA As técnicas de transmissão estão diretamente relacionadas com as técnicas de multiplexação. Duas técnicas de transmissão são mais usadas: - Sinalização em banda básica (baseband). - Sinalização em banda larga (broadband). Exemplos de FDM: T Recebe Estação Estação Estação Estação Transm ite Rede de banda larga de cabo duplo. T Estação Estação Estação Estação Conversos de Freqüência Freqüência 2 - Recepção Freqüência 1 - Transmissão Rede de banda larga de cabo único.

16 Estação Estação Estação Estação Modem F 0 Modem F 1 Modem F 0 Modem F 1 F 0 F 1 F n Exemplo de dois canais ponto a ponto dedicados. Estação Estação Estação Estação Modem F F 0 n Modem F F 0 n Modem F F 0 n Modem F F 0 n F 0 F 1 F n Exemplo de canais chaveados, o canal F1 está sendo usado.

17 Estação Estação Estação Estação Modem F F 0 n Modem F F 0 n Modem F F 0 n Modem F F 0 n F 0 F 1 F n Canal multiponto F 0. Um último exemplo de uso da FDM são os canais de voz multiplexados na banda de 60 a 180 KHz em 12 canais de Hz (3.000 Hz + 2 bandas de 500 Hz) a qual se denomina grupo. Cinco grupos (60 canais de voz) podem ser combinados em um super grupo. A próxima unidade é o grupo principal que combina 5 super grupos (CCITT) ou 10 super grupos (Bell System). Outros padrões suportam até canais de voz.

18 2.6.2) WDM (Wavelength Division Multiplexing) É uma variação da FDM, porém para o caso da transmissão da LUZ na fibra óptica. Fiber 1 spectrum Fiber 2 spectrum Spectrum on the shared fiber Power Power Power λ λ λ Fiber1 Prism or diffraction grating Fiber3 Fiber2 Shared fiber Figura 2.25 Multiplexação por divisão de comprimento de onda. Fiber4 A grande vantagem do uso da WDM está na confiabilidade da técnica, uma vez que as grades de difração são elementos passivos e altamente confiáveis. Uma vez que a banda passante de uma fibra é de aproximadamente GHz, existe um grande potencial para multiplexar vários canais para transporte por longas distâncias.

19 2.6.3) TDM (Time Division Multiplexing) Apropriado para dados digitais, ou seja, aqueles gerados por um computador. Ele se beneficia do fato de que a capacidade do meio de transmissão, em muitos casos, excede a a taxa média de geração de bits das estações conectadas ao meio físico. A TDM pode ser classificada em Síncrona e Assíncrona ) TDM SÍNCRONO:

20 Os canais podem ser: CANAL DEDICADO: A alocação do mesmo é fixa durante todo o tempo e é estabelecido antes do funcionamento da rede. CANAL CHAVEADO: A alocação e desalocação do mesmo é dinâmica com o tempo de funcionamento da rede. B T C Frame =, T a =, e t C Canal = C Frame a O esquema até aqui apresentado é dito TDM de slot único (Single- Slot TDM). Para o caso do TDM de slot múltiplo (Multi-Slot TDM), tem-se a seguinte divisão: B m É a taxa de transmissão da m-ésima fonte ( m [ 1, M ] ) Seja b i uma taxa de transmissão qualquer C N =, b i t = T N Logo se: Problema: b j < b i um único slot será ocupado. bj > b i mais de um slot será ocupado. bm <<< b i Desperdício de banda passante. bm >>> b i Há a alocação de vários canais por fonte, o que dificulta o gerenciamento da alocação dos canais. TDM síncrono com canais chaveados = chaveamento de circuito

21 Estação A B C Para o meio físico D t 1 t 2 Banda desperdiçada Prim eiro ciclo Segundo ciclo ) EXEMPLOS DE TDM SÍNCRONO: PCM (Pulse Code Modulation) É a técnica usada no sistema telefônico para a conversão de sinais de voz (analógicos) em sinais digitais. O equipamento que realiza tal tarefa é denominado CODEC (COder / DECoder). É totalmente baseado no teorema de Nyquist.

22 15 Sinal original Pulso PAM Pulso PCM Sinal PCM Sinal original Modulação delta

23 ) AS PORTADORAS E-1 E T-1: E-1 multiplexa 30 canais de voz (Europa, Brasil). T-1 multiplexa 24 canais de voz (EUA, Japão). Um pulso a cada 125 µs equivale a pulsos por segundo. E-1 tem uma taxa bruta de 2,048 Mbps (= 256*8.000). T-1 tem uma taxa bruta de 1,544 Mbps (= 193*8.000). Por canal tem-se: E bps de dados (= 8*8.000).

24 T bps de dados (=7*8.000) bps de sinalização (=1*8.000) O bit 1 da T-1 segue o seguinte padrão HIERARQUIA DE MULTIPLEXAÇÃO DIGITAL: Nível EUA Europa Japão 1 1,544 Mbps (DS-1) 2,048 Mbps (E-1) 1,544 Mbps 2 6,312 Mbps (DS-2) 8,448 Mbps (E-2) 6,312 Mbps 3 44,736 Mbps (DS-3) 34,368 Mbps (E-3) 32,064 Mbps 4 274,176 Mbps (DS-4) 139,264 Mbps (E-4) 97,728 Mbps Diferentes hierarquias de sinais digitais.

25 ) SONET / SDH: SONET Synchronous Optical Network (Bell Core). SDH Synchronous Digital Network (CCITT). Quatro são os objetivos da SONET: Possibilitar a interligação de diferentes portadoras, tendo para isto que respeitar o comprimento das ondas, a sincronização a estrutura de enquadramento, dentre outros aspectos. Unificação dos sistemas digitais dos EUA, Europa e Japão, todos baseados em canais PCM de 64 Kbps e incompatíveis. Possibilitar uma forma de multiplexar vários canais digitais, dando assim continuidade à hierarquia digital (T-1 / E-1). Oferecer recursos de OAM (Operação, Administração e Manutenção ). Sendo assim, a SONET é um sistema TDM síncrono, controlado por um relógio mestre com precisão de 1 falha a cada 10 9 bits. Um quadro SONET é um bloco de 810 bytes transmitido a cada 125 µs.

26 A taxa de quadros / s é correspondente ao PCM bits (=8*810) transmitidos vezes/s 51,84 Mbps (STS-1) As três primeiras colunas de cada linha são reservadas para informações de gerenciamento, a saber: As três primeiras linhas contém o overhead de sessão. As seis restantes contém o overhead de linha. As 87 colunas restantes retém 50,112 Mbps (=87*9*8*8.000) dos dados do usuário, que são chamados de SPE (Synchronous Payload Envelope). A multiplexação SONET, chamada de tributários, é mostrada na Figura abaixo.

27 A multiplexação é feita byte por byte. A figura abaixo mostra o formato de um frame STS-3c. 270 colunas 9 colunas 261 colunas 9 linhas

28 Abaixo é mostrada a hierarquia de multiplexação SONET e SDH: Abaixo é mostrada a arquitetura SONET.

29 ) TDM ASSÍNCRONO: Procura eliminar o desperdício de banda passante causada pelo TDM SÍNCRONO. Estação A B C Para o meio físico D t 1 t 2 Cabeçalho Capacidade extra disponível ) REDES HÍBRIDAS: Uma rede é denominada híbrida quando possui canais TDM síncrono conjugados com canais TDM assíncrono.

30 LARGA: ) CANAIS MULTIPONTO EM REDES DE BANDA Canais FDM reservados como canais multiponto de acesso síncrono (TDM) Canais multiponto de acesso síncrono numa rede em banda larga. Se o acesso fosse assíncrono (TDM) Canais multiponto de acesso assíncrono numa rede em banda larga ) CARACTERÍSTICAS DO TDM E DO FDM: Na FDM a modulação é necessária para o deslocamento dos sinais originais para outras faixas de freqüência. Nota-se que os sinais digitais são transformados em analógicos, e por isto os sistemas em banda larga estão associados à transmissão analógica Já em sistemas TDM, os sinais são transmitidos em banda básica. A transmissão digital é preferencial sobre a analógica principalmente no que se refere à facilidade de recuperação do sinal na presença de ruído. Além disso é possível implementar-se esquemas de detecção e correção de erros que estudaremos mais adiante.

31 2.7) COMUTAÇÃO: DEFINIÇÃO: Refere-se à alocação dos recursos da rede (Meios de transmissão, repetidores, sistemas intermediários, etc.) para a transmissão pelos diversos dispositivos conectados. Tipos: - Comutação de circuito (sistema telefônico). - Comutação de mensagens. - Comutação de pacotes.

32 2.7.1) Comutação de circuito: Pressupõe a existência de um caminho dedicado de comunicação entre duas estações. Envolve três fases: Estabelecimento do circuito. Transferência de informação. Desconexão do circuito. O caminho dedicado entre a origem e o destino pode ser: Um caminho físico formado por uma sucessão de enlaces físicos. Uma sucessão de canais de freqüência alocados em cada enlace. Uma sucessão de canais de tempo alocados em cada enlace ) Comutação de mensagem: Surgiu como uma estratégia alternativa de comutação. Um exemplo de uso desta estratégia é o telegrama. Nessa estratégia o caminho entre os dois extremos já está estabelecido. Redes que usam tal estratégia são denominadas store-andforward. Os blocos de mensagens não tem limites de tamanho, o que significa que os roteadores devam ter disco para tal finalidade. Tem como limitação para a transmissão de dados, o impacto causado na transmissão de uma única mensagem. Para transmitir uma mensagem, a estação geradora deverá anexar à mesma um cabeçalho contendo o endereço do destinatário.

33 2.7.3) Comutação de pacotes: Surgiu como uma opção para minimizar o impacto causado pela comutação de mensagens. Tendo em vista a imposição de um tamanho máximo para o pacote, há a possibilidade de o mesmo poder ser armazenado temporariamente na memória principal do roteador e não no disco. Outra vantagem é que o primeiro pacote pode ser remetido adiante antes que o segundo pacote chegue por completo ao respectivo nó.

34 2.7.4) Comutação rápida de circuito: Procura tornar mais eficiente a alocação de banda passante em caso de haver ausência de transmissão de dados (voz) por alguns segundos em um canal de comunicação. Em sistemas analógicos tal técnica recebe a denominação TASI (Time Assignment Speech Interpolation) ) Comutação rápida de pacote: São propostas que se baseiam na idéia de diminuir o processamento dos nós de comutação no interior da rede, diminuindo principalmente os controles de erros e de fluxo feitos nos enlaces ) Comutação de circuito X Comutação de pacote: Item Comutação de circuito Comutação de pacotes Caminho de cobre dedicado. Sim Não Largura de banda disponível. Fixa Dinâmica Largura de banda potencialmente Sim Não desperdiçada. Transmissão store-andforward. Não Sim Cada pacote segue a Sim Não mêsma rota. Configuração de chamada. Necessária Desnecessária Quando pode haver comgestionamento. Durante a configuração Em todos os pacotes Tarifação. Por minuto Por pacote.

35 2.7.7) A hierarquia de comutação:

36 2.7.8) Comutadores: ) Comutadores crossbar: É o tipo de comutador mais simples e comum no sistema telefônico atual. Seu potencial de uso é grande. Sua grande limitação reside no aspecto físico das conexões aos diversos aparêlhos ) Comutadores de divisão espacial: Consiste em interconectar comutadores crossbar, com o intuito de eliminar o problema do espaço físico causado pelo uso dos comutadores crossbar individuais.

37 Um Problema: Número de pontos cruzados (número de linhas) ) Número de pontos cruzados: Crossbar: Original: N 2 Simplificado: N(N-1)/2 Divisão espacial: 2KN + K(N/n) 2 Sendo assim, para N = 1.000, n = 50 e K = 10 tem-se: Crossbar: Original: Simplificado: Divisão espacial:

38 ) Comutadores de divisão de tempo: Limitação: A cada 125 µs deve-se armazenar n segmentos lidos no buffer de memória RAM e em seguida lê-los novamente. Se cada acesso à memória custa T µs, tem-se: 125 = 2nT ou seja n = T A exemplo: T = 100 ns n = 625 linhas.