Redes de Computadores

Transcrição

1 2. Camada Física DIN/CTC/UEM 2008

2 Sinal Periódico Sinal periódico: repete-se no tempo, isto é g(t) = g(t + T ) onde T (dado em segundos [s]) é o período do sinal g(t) O número de ciclos (ou períodos) por segundo é a freqüência f do sinal (dada em Hertz [Hz]) f = 1 T Amplitude é a intensidade do sinal Amplitude intantânea: amplitude em algum tempo t Amplitudes máxima e mínima: máximo e mínimo valores alcançados pelo sinal

3 Sinal Analógico Pode assumir qualquer valor numérico real Em geral é contínuo no tempo, isto é, está definido para qualquer tempo t Mantém relação direta com a grandeza expressa Exemplo: tensão elétrica de um microfone proporcional à pressão causada pela voz

4 Sinal Digital Pode assumir apenas um conjunto definido de valores Em geral é discreto no tempo, isto é, está definido apenas para alguns instantes de tempo t i, i = 0, 1,... Em geral existe uma fonte analógica cujo sinal é convertido para formato digital Conversor analógico-digital (Analog-to-Digital Converter, ADC) Conversor digital-analógico (Digital-to-Analog Converter, DAC)

5 Digitalização Técnica de conversão analógico-digital

6 Exemplo de Digitalização

7 Taxa de Bits e Taxa de Símbolos Taxa de bits (bit rate) A cada segundo são produzidas N amostras Cada amostra é digitalizada em B bits Portanto: taxa de bits = N B Taxa de símbolos (baud rate) Cada símbolo representa b bits Portanto: taxa de símbolos = N B b

8 Informação no Formato Digital Vantagens da manipulação em formato digital: Economia: avanços em circuitos digitais Segurança: mais fácil de codificar Vantagens da transmissão em formato digital Integridade dos dados: maior imunidade ao ruído Utilização do canal: facilidade de multiplexação de várias fontes

9 Domínios do Tempo e da Freqüência Domínio do tempo: variável independente é o tempo Domínio da freqüência: variáveis independentes são a freqüência e a fase Onda fundamental: senóide domínio do tempo: domínio da freqüência: s(t) = A sin(2πft) S(f ) = A δ(f ) onde δ(.) é a função impulso

10 Decomposição de Ondas Periódicas Qualquer sinal periódico de freqüência f pode ser expresso como uma somatória (muitas vezes infinita) de ondas senoidais As ondas senoidais possuem freqüências múltiplas da freqüência do sinal e são conhecidas como harmônicas: freqüência f é a primeira harmônica ou fundamental freqüência 2 f é a segunda harmônica e assim por diante Cada onda senoidal representa uma componente no domínio da freqüência domínio do tempo: domínio da freqüência:

11 Decomposição de Ondas Periódicas domínio do tempo: domínio da freqüência: Quanto mais harmônicos são considerados na soma, mais o sinal resultante assemelha-se ao sinal original Se o valor médio da onda periódica é diferente de zero, esse valor é representado com uma componente com freqüência nula (f = 0)

12 Espectro de Sinais Não Periódicos Quando o sinal não é periódico, o espectro deixa de ser formado por freqüências discretas e passa a ser contínuo A largura de banda do sinal (bandwidth analógica) é delimitada pelas duas freqüências (f 1 e f 2 na figura abaixo) onde a potência do sinal é metade da potência máxima domínio do tempo: domínio da freqüência:

13 O Problema da Multiplexação Como dividir o canal entre todos os usuários?

14 FDM Frequency Division Multiplex

15 TDM Time Division Multiplex

16 Combinação FDM e TDM

17 CDM - Direct Sequence Code Division Multiplex, Direct Sequence

18 Exemplo CDM - Direct Sequence 4 usuários (A, B, C e D), cada um com o seu código de espalhamento Códigos são ortogonais (isto é, A B = A C =... = C D = 0) Envio de informação através do envio do código de espalhamento Por exemplo, usuário C envia código C para enviar bit 1 e código C para enviar bit 0 No canal ocorre a soma dos sinais enviados (S 1 a S 6 na figura) Para decodificação, o receptor deve fazer o multiplicação entre o sinal recebido e o código de espalhamento desejado (na figura, o código C)

19 Exemplo CDM - Direct Sequence

20 CDM - Frequency Hopping Code Division Multiplex, Frequency Hopping

21 Conversão de Bits em Sinais Fonte de informação produz bits Em geral bits não são bons para a transmissão de dados É necessário converter bits em um sinal melhor apropriado ao meio (canal) Objetivos: Reduzir a largura de banda do sinal codificado Concentra o espectro do sinal codificado na banda de passagem do meio (canal), diminuindo a atenuação e distorção Elimina componentes de alta freqüência, reduzindo a interferência entre canais próximos fisicamente Eliminar componentes de baixa freqüência (CC) do sinal codificado Permine acoplamento CA, o que garante melhor isolamento elétrico e a possibilidade de tele-alimentação (repetidores, terminais) com transformadores Moldar o espectro do sinal codificado de maneira a ser facilitar a extração de um sinal de relógio para a função de sincronismo

22 Conversão de Bits em Sinais Conversão de bits em sinais digitais Codificador e decodificador digitais Conversão de bits em sinais analógicos Modem (modulador e demodulador)

23 Codificação Unipolar Utiliza presença/ausência de polaridade; por exemplo: Bit 0: ausência de polaridade Bit 1: presença de polaridade Fácil implementação Razoável eficiência espectral Não permite acoplamento CA (sinal contém componente CC e de baixa freqüência) Não permite auto-sincronismo (difícil extrair relógio)

24 Codificação Bipolar Utiliza duas polaridades distintas NRZ (non-return-to-zero) Polaridade permanece a mesma durante o período do bit Exemplos: NRZ-L (NRZ-Level): sinal acompanha mudança do bit NRZ-I (NRZ-Inverted): sinal muda se próximo bit é 1 RZ (return-to-zero) Bits representados por pulsos que ocupam apenas parte (50% em geral) do período do bit Sinal permanece em zero pelo resto do período de duração do bit

25 Codificação NRZ Vantagens e desvantagens similares à codificação unipolar Entretanto, permite acoplamento CA

26 Codificação RZ Pior eficiência espectral que o NRZ Entretanto, permite fácil sincronismo

27 Codificação AMI (Alternate Mark Inversion) Codificação bipolar: Bit 0: ausência de polaridade Bit 1: polaridades alternadas Imune à inversões de polaridades Ausência de componentes de baixa freqüência Boa eficiência espectral Utilizado pelo T1 americano (1,544 Mbps)

28 Codificação Manchester Manchester: transição no meio de cada bit Bit 0: transição descendente Bit 1: transição ascendente Usado pelo IEEE (Ethernet) Manchester Diferencial Bit 0: transição no início do bit Bit 1: ausência de transição no início do bit Usado pelo IEEE (Token Ring) Vantagens Fácil implementação Fácil sincronização Componente CC inexistente Desvantagens O baud rate é o dobro do bit rate Requer maior largura de faixa do que o NRZ

29 Codificação Manchester

30 Outras Codificações B8ZS (Bipolar with 8 Zeros Substitution) Baseado no AMI Seqüência é substituída por se impulso anterior é positivo se impulso anterior é negativo HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros) Baseado no AMI O quarto zero na seqüência 0000 é sempre transmitido como um impulso que viola a regra da alternância O primeiro zero na seqüência 0000 pode ser transmitido como um impulso que mantém a regra de alternância Usado no sistema E1 europeu (2,048 Mbps)

31 Espectro de Potência

32 Modulação Digital Portadora: y(t) = A cos(2πft + φ) onde A é amplitude, f é freqüência e φ é fase Frequency Shift Keying (FSK) Altera a freqüência f Amplitude A e fase φ permanecem fixos Amplitude Shift Keying (ASK) Altera a amplitude A Freqüência f e fase φ permanecem fixos Phase Shift Keying (PSK) Altera a fase φ Amplitude A e freqüência f permanecem fixos

33 Modulação Digital sinal digital ASK Binary FSK Binary PSK

34 Modulação Digital ASK Codifica bits em diferentes amplitudes da portadora Ineficiente e pouco imune ao ruído Até 1200 bps em linhas telefônicas; mais popular com fibra ótica FSK Codifica bits em diferentes freqüências da portadora Mais robusto que ASK PSK Codifica bits em diferentes fases da portadora BPSK utiliza 2 fases (0 o e 180 o por exemplo) para representar bits 0 e 1 QPSK (Quaternary PSK) utiliza 4 fases (0 o, 90 o, 180 o e 270 o por exemplo) para representar os pares de bits 00, 01, 10 e 11

35 Densidade Espectral ASK e PSK f c = freqüência da portadora

36 Quadrature Amplitude Modulation (QAM) Generalização do PSK que combina modulações de fase e amplitude Codifica bits em diferentes amplitudes e fases da portadora Por exemplo, Modem V.29 (9600 bps) usa 16-QAM com oito fases e duas amplitudes totalizando 16 símbolos Cada símbolo carrega 4 bits e portanto a taxa de símbolos (baud rate) é 2400 baud Permite maior eficiência espectral porque consegue colocar mais bits por símbolo.

37 Constelação PSK/QAM Símbolos em modulações PSK e QAM são representados por pares (amplitude, fase), como se fossem números complexos em forma polar Graficamente, símbolos são representados por pontos no plano complexo (a) QPSK (ou 4-PSK) (b) 16-QAM (12 fases e 3 amplitudes) (c) 64-QAM

38 Par Trançado Em geral utilizados para transmissão diferencial Fios são cobertos com isolante (plástico colorido para identificação), com pares de fios trançados para que se mantenham próximos o tempo todo Campo magnético gerado por cada condutor se cancela Ruído induzido em cada condutor é eliminado Utilizados para telefonia (voz e dados) e redes locais Telefone utiliza cabo com 1 ou 2 pares com conector RJ-25 Rede local utiliza cabo com 4 pares com conector RJ-45 Tipos: Unshielded Twisted Pair (UTP) Shielded Twisted Pair (STP)

39 UTP Vantagens: flexível (fácil manuseio) e barato Desvantagens: ruído e interferência elétrica (que limitam o comprimento do segmento de rede) Resumo das características: Velocidade e vazão: 10 a 1000 Mbps Custo: baixo Conector: pequeno Máximo comprimento: 100m (considerado curto) (a) CAT-3 (b) CAT-5

40 UTP Categoria CAT 1 CAT 2 CAT 3 CAT 4 CAT 5 CAT 5e CAT 6 Uso Telefone Dados até 4 Mbps Até 16 MHz, Ethernet 10BASE-T (10 Mbps) Até 20 MHz, Redes em anel até 16 Mbps Até 100 MHz, Fast Ethernet até 100 Mbps Até 100 MHz, Gigabit Ethernet até 1 Gbps Até 200 MHz, Gigabit Ethernet até 1 Gbps

41 STP Semelhante ao UTP, exceto que cada par de fios é embrulhado por blindagem metálica; conjundo de pares também é embrulhado por blindagem metálica Foil Twisted Pair (FTP) tem apenas a blindagem exterior Vantagem: Blindagem reduz ruído (em comparação ao UTP) Desvantagens: Blindagem necessita ser aterrada; blindagem torna cabo mais caro, pesado e rígido ao manuseio Resumo das características: Velocidade e vazão: 10 a 100 Mbps Custo: moderadamente caro Conector: médio a grande Máximo comprimento: 100m (considerado curto)

42 Cabo Coaxial Cabo composto por condutor central, isolante, malha de blindagem e capa No passado foi popular em redes locais; hoje utilizado principalmente para sinais de televisão Vantagens: segmentos de rede mais longos; barato (comparado com fibra ótica) Desvantagens: Blindagem necessita ser aterrada; blindagem torna cabo mais caro, pesado e rígido ao manuseio Resumo das características: Velocidade e vazão: 10 a 100 Mbps Custo: barato Conector: médio Máximo comprimento: 500m (considerado médio)

43 Cabo Coaxial

44 Fibra Ótica Utilizada para enlaces longos e de alta capacidade (bandwidth), como backbones e WANs Vantagens: Não sofre nem gera interferência eletromagnética (EMI) e interferência de rádio freqüência (RFI) Oferece muito alta bandwidth, estando hoje a limitação mais nos equipamentos utilizados do que no meio Sinal sofre atenuação muito pequena Mais segura por causa da dificuldade de interceptação Custo mais baixo do que cobre para longas distâncias Fabricação utiliza material abundante (areia) Não necessita aterramento Leve e de fácil instalação Mais resistente do que cobre a fatores ambientais (água, temperatura, etc.)

45 Fibra Ótica Desvantagens: Fibra são mais fáceis de danificar Transmissão ótica é uni-direcional (são necessárias 2 fibras para comunicação bidirecional) Fibra e componentes são mais caros Resumo das características: Velocidade e vazão: mais de 1 Gbps Comercialmente disponível hoje: 10 Gbps (multimodo) e 50 Gbps (monomodo) Custo: caro Conector: pequeno Máximo comprimento: mais de 10 km para monomodo, até 2 km para multimodo

46 Rede Ótica (Exemplo)

47 Rede Ótica (Componentes) Transmissor Converte sinal elétrico em pulsos luminosos Duas fontes: Light Emitting Diode (LED): produz luz infravermelha em 850 ou 1310 nm; utilizado com fibra multimodo Light Amplification by Stimulated Emission Radiation (Laser): produz luz infravermelha de alta intensidade em 1310 ou 1550 nm; utilizado com fibra monomodo Lasers exigem cuidado no manuseio para evitar dano aos olhos Receptor Converte pulsos luminosos em sinal elétrico Componente utilizado: p-intrinsic-n diodes (fotodiodo PIN)

48 Rede Ótica (Componentes) Conector Subscriber Connector (SC): mais utilizado em fibra multimodo Straight Tip (ST): mais utilizado em fibra monomodo Fibra Fibra Monomodo Fibra Multimodo Diâmetro Fina (10 µm ou menos) Mais grossa (50 µm ou mais) Dispersão Pequena Maior Fonte Laser LED ou Laser

49 Rede Ótica (Componentes) Conectores (a) SC (b) ST Media Converter (UTP e fibra ótica)

50 Comunicação Sem Fio Espectro eletromagnético

51 Faixa ISM nos EUA Industrial, Scientific, Medical MHz: transmissor até 1 W forno micro-ondas até 750 W aquecedor industrial até 100 kw radar até 1000 kw 2,4-2,4835 GHz: transmissor até 1 W forno micro-ondas até 900 W 5,725-5,850GHz transmissor até 1 W

52 Faixa ISM no Brasil 6,765-6,795 MHz (faixa de 30 khz) 13,563-13,567 MHz (faixa de 4 khz) 26,957-27,283 MHz (faixa de 326 khz) 40,660-40,700 MHz (faixa de 40 khz) MHz (faixa de 26 MHz) 2,4-2,5 GHz (faixa de 100 MHz) 24-24,25 GHz (faixa de 250 MHz) 61-61,5 GHz (faixa de 500 MHz) GHz (faixa de 1 GHz) GHz (faixa de 2 GHz)

53 Satélites de Comunicação Utilizados para Telefone Televisão Desvantagens: Congestionamento da órbita (satélites GEO) Cada satélite GEO ocupa 2 o da circunferência Alto custo, alto risco, alto atraso, baixa privacidade Vida útil limitada (combustível)

54 Satélites de Comunicação Satélites GEO (Geoestacionários), MEO (Medium Earth Orbit) e LEO (Low Earth Orbit) Sats needed é o número de satélites para cobertura planetária

55 Satélites de Comunicação Bandas utilizadas

56 Iridium 66 satélites LEO, cada um com até 48 células Transmissão entre satélites Voz e dados até 2,4 kbps e Internet até 10 kbps (a) Satélites (b) Células

57 ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Capacidade de transportar bits do par trançado de assinante utilizado pela rede telefônica varia com a distância até a central

58 ADSL 256 canais de 4312,5 Hz cada 1 para voz, 5 de espaçamento, e 250 para dados

59 ADSL Divisão da banda no ADSL

60 ADSL Alguns tipos de ADSL

61 ADSL Instalação do ADSL

62 ADSL Componentes: Splitter (Divisor): Separa o sinal da RPTC (rede telefônica) do sinal de dados Network Interface Device (NID): Faz interface com o par trançado; em geral montado com o Splitter. Modem ADSL: Separa os 250 canais de dados Digital Subscriber Line Access Multiplexor (DSLAM): Monta os 250 canais de dados

63 Sistema Telefônico Móvel 1 a Geração (1G) voz analógica AMPS, TACS, etc. 2 a Geração (2G) voz digital D-AMPS, GSM, CDMA (IS-95), etc. 3 a Geração (3G) voz digital + dados UMTS, CDMA2000, etc.

64 AMPS Advanced Mobile Phone System Área de cobertura dividida em células Permitem re-uso de freqüências Permitem potências menores

65 AMPS Alguns componentes Terminal móvel ou mobile station (MS) Estação Radio Base (ERB) ou Base Station Centro de Comutação ou Mobile Switching Center (MSC) Um pouco do jargão Camping: a MS acampa na célula Handoff (ou handover): a MS muda de célula durante a chamada Paging: enviado pela ERB à MS para busca e alerta de chamadas Cell Info: broadcast pela ERB, informa identificação e características da célula Utiliza TDM-FDM no enlace de rádio com canais de 30 khz 832 canais na faixa de 800 MHz, mais canais adicionados na faixa MHz

66 AMPS Acampamento inicial (Cell Selection) Ao ser ligado, a MS busca uma célula para acampar, em geral a mais forte de uma lista de operadoras preferenciais Mudança de célula (sem chamada) (Cell Reselection) Continuamente a MS verifica a intensidade de todas as células que ela consegue receber Um relatório com esta lista é enviado a ERB A mudança de célula ocorre quando uma célula torna-se melhor do que a atual Mudança de célula (durante uma chamada) (Handoff) MS envia à ERB valores sobre a qualidade da chamada em progresso e as intensidades das células vizinhas Sistema decide quando deve ocorrer handoff e informa MS

67 AMPS Digital (D-AMPS) Sistema americano de 2 a geração especificado pela norma IS-136 Co-existência com o padrão analógico AMPS (mantém mesma estrutura de canais na interface de rádio) Cada canal analógico dividido em 3 canais digitais Requisito de compatibilidade com o AMPS prejudicou os sistema

68 GSM Global System for Mobile Communication, sistema europeu de 2 a geração Utiliza TDM-FDM no enlace de rádio com canais de 200 khz Sistema com maior quantidade de assinantes em termos mundiais Aperfeiçoado para comunicação de dados (dita geração 2.5) General Packet Radio Service (GPRS): até 60 kbps Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE): até 380 kbps

69 GSM Estrutura GSM: combinação de TDM e FDM com quadro TDM com 8 slots e canais separados para uplink e downlink

70 CDMA (IS-95) Sistema americano de 2 a geração especificado pela norma IS-95 Utiliza CDM ao invés de TDM ou FDM, com canal de 1,25 MHz

71 3 a Geração Objetivos Voz, mensagens, multimídia e acesso à Internet Taxas de até 2 Mbps Sistema com acesso mundial UMTS Utiliza W-CDMA com canal de 5 MHz Permite handoff com GSM CDMA-2000 Utiliza W-CDMA com canal de 5 MHz Baseado no IS-95