1. Meios de Transmissão

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1 1. Meios de Transmissão Para transmitir um fluxo bruto de bits de uma máquina para outra vários meios físicos podem ser usados, cada um com suas características em termos de largura de banda, retardo, custo e facilidade de instalação e manutenção. Os meios físicos são agrupados em meios guiados, como fios de cobre e fibras óticas, e em meios nãoguiados, como as ondas de rádio. 1.1 Par Trançado Um par trançado consiste em dois fios de cobre encapados, enrolados em espiral. O trançado dos fios tem a finalidade de reduzir a interferência elétrica entre o par de fios. Os pares trançados podem percorrer diversos quilômetros sem amplificação, mas quando se trata de distâncias mais longas, existe a necessidade de repetidores. Quando muitos pares trançados percorrem paralelamente uma distância muito grande, eles são envolvidos por uma capa protetora. Se não estivessem trançados, esses pares provocariam muitas interferências. Os pares trançados podem ser usados nas transmissões analógicas ou digitais. A largura de banda depende da espessura do fio e da distância percorrida. Devido ao custo e ao desempenho obtidos, os pares trançados são usados em larga escala. A perda de energia no par trançado aumenta com o aumento da distância. Essa perda de energia pode se dar por radiação ou por calor. A principal desvantagem do par trançado é a sua susceptibilidade à interferência e ao ruído. Esses efeitos podem ser minimizados através de blindagem adequada. Existem diversos tipos de cabeamento de pares trançados, alguns dos quais são importantes para as redes de computadores. Os pares trançados categoria 3 consistem em dois fios encapados cuidadosamente trançados. Em geral, quatro pares desse tipo são agrupados dentro de uma capa plástica protetora, onde são mantidos oito fios. Em 1988, foram lançados os pares trançados categoria 5. Eles eram parecidos com os pares categoria 3, mas tinham mais nós por centímetro e o material isolante era de Teflon, o que resultou em menos linhas cruzadas e em um sinal de melhor qualidade nas transmissões de longa distância. Esse tipo de fiação costuma ser chamado de UTP (Unshielded Twisted Pair - Par Trançado sem Blindagem). Os cabos UTP obedecem a 6 categorias: Cat Descrição 1 Telefonia. 2 Redes até 4 Mbps. Tipicamente utilizado em redes em anel de baixa velocidade. 3 Redes até 16 Mbps. Tipicamente utilizado em redes Ethernet 10Base-T. 4 Redes até 20 Mbps. Tipicamente utilizado em redes em anel de 16 Mbps. 5 Redes até 100 Mbps (2 pares) e 1Gbps (4 pares). Tipicamente utilizado em redes Ethernet 100BaseTX. Suporta freqüências até 125 MHz. 6 Cabo capaz de transportar sinais com freqüências até 250 MHz. 1

2 1.2 Cabo Coaxial de Banda Básica O cabo coaxial é um meio de transmissão muito comum. Como é mais protegido do que os pares trançados, ele pode percorrer distâncias maiores em velocidades mais altas. Dois tipos de cabo coaxial são largamente utilizados. Um tipo, o cabo de 50 ohm, é comumente usado nas transmissões digitais. O outro tipo, o cabo de 75 ohm, é usado com freqüência nas transmissões analógicas. Um cabo coaxial consiste em um fio esticado na parte central (condutor interno), envolvido por um material isolante (dielétrico). O isolante é protegido por um condutor cilíndrico, geralmente uma malha sólida entrelaçada (condutor externo). O condutor externo é coberto por uma camada plástica protetora (isolante). Existe uma grande variedade de cabos coaxiais, cada um com características específicas com relação à faixa de freqüência, atenuação, imunidade a ruídos e interferência, etc. Os cabos de melhor qualidade são mais caros e difíceis de manusear. Sua construção e blindagem proporcionam uma boa combinação de alta largura de banda e imunidade a ruídos. Nos cabos de 1 Km pode se chegar a uma taxa de dados de 1 Gbps a 2 Gbps. 1.3 Cabo Coaxial de Banda Larga O outro tipo de sistema de cabo coaxial utiliza transmissões analógicas no cabeamento de televisão a cabo (transmissão em banda larga). Como as redes de banda larga utilizam a tecnologia de televisão a cabo, os cabos podem ser usados até uma freqüência de 300 MHz (ou até mesmo 450 MHz) e podem percorrer cerca de 100 km devido à sinalização analógica. Os sistemas de banda larga são divididos em vários canais. Cada canal pode ser usado para sinais de televisão, áudio ou um fluxo de bits, independente da forma como os outros canais são usados. Os vários sinais podem ser misturados em um único cabo. Quando os sistemas de banda larga abrangem uma grande área, são necessários amplificadores analógicos para reforçar o sinal. Esses amplificadores só podem transmitir os sinais em uma direção; portanto, um computador que está enviando um pacote não poderá alcançar os computadores que estiverem vindo na direção contrária, caso haja um amplificador entre eles. Para resolver esse problema, foram desenvolvidos dois tipos de sistemas de banda larga: o sistema de cabo duplo e o sistema de cabo único. Os sistemas de cabo duplo têm dois cabos idênticos paralelos. Para transmitir, um computador emite os dados pelo cabo 1, que está conectado a um dispositivo chamado headend na raíz da árvore de cabos. Em seguida, o headend transfere o sinal para o cabo 2, que refaz o caminho da árvore a fim de realizar a transmissão. Todos os computadores transmitem no cabo 1 e recebem no cabo 2. Nos sistemas de cabo único existem diferentes faixas de freqüência para a comunicação de entrada e de saída em um único cabo. Uma banda de freqüência é usada para comunicação dos computadores com o headend, que em seguida desloca o sinal 2

3 para outra banda e o retransmite. Tecnicamente o cabo de banda larga é inferior ao cabo de banda básica, que tem apenas um canal. No entanto, existe a vantagem de haver muitos cabos desse tipo já instalados. 1.4 Fibra Ótica Um sistema de transmissão ótico tem três componentes: a origem da luz, o meio de transmissão e o detetor. Convencionalmente, um pulso de luz representa um bit 1, e a ausência de luz representa um bit 0. O detetor gera um pulso elétrico quando entra em contato com a luz. Quando é instalada uma fonte de luz em uma extremidade de uma fibra ótica e um detetor na outra, tem-se um sistema de transmissão de dados unidirecional que aceita um sinal elétrico, converte-o e transmite-o por pulsos de luz. Na extremidade de recepção, a saída é reconvertida em um sinal elétrico. Quando um raio de luz passa de um meio para outro, por exemplo, da sílica para o ar, o raio sofre uma refração na fronteira sílica/ar. O volume de refração depende das propriedades dos dois meios físicos. Nos ângulos cuja incidência ultrapasse um determinado valor crítico, a luz é refratada de volta para a sílica sem que nada escape para o ar. Dessa forma, um feixe de luz que incide em um ângulo crítico, ou acima dele, permanece na fibra. Como qualquer feixe de luz que incidir na fronteira acima do ângulo crítico será refletido internamente, muitos feixes ricochetearão formando ângulos diferentes. Como cada raio tem um modo específico, uma fibra com essa propriedade é chamada de fibra multimodo. No entanto, se o diâmetro da fibra for reduzido a alguns comprimentos de onda de luz, a fibra agirá como um guia de onda, e a luz só poderá ser propagada em linha reta, sem ricochetear, produzindo dessa forma uma fibra monomodo. As fibras monomodo são mais caras, mas podem ser usadas em distâncias maiores. As fibras monomodo atualmente disponíveis podem transmitir dados a uma velocidade de muitos Gbps em uma distância de 30 km. As fibras óticas são feitas de vidro, que é produzido a partir da areia. A atenuação da luz através do vidro depende do comprimento de onda da luz. A atenuação do tipo de vidro usado nas fibras é mostrada na figura abaixo em decibéis por quilômetro linear de fibra. A comunicação utiliza três bandas de comprimento de onda. Elas são centralizadas em 0,85, 1,30 e 1,55 micra, respectivamente. As duas últimas têm boas 3

4 propriedades de atenuação (uma perda inferior a 5% por quilômetro). A banda de 0,85 mícron tem uma atenuação maior, mas nesse comprimento de onda os lasers e os chips podem ser produzidos a partir do mesmo material. As três bandas têm entre 25 e 30 mil GHz de largura. Os pulsos de luz enviados através de uma fibra se expandem à medida que se propagam. Essa expansão é chamada de dispersão modal e seu volume vai depender do comprimento da onda. Uma forma de impedir que a expansão desses pulsos se sobreponha é aumentar a distância entre eles, o que implica na redução da taxa de sinalização. Mas quando os pulsos são produzidos com um formato especial relacionado ao recíproco do co-seno hiperbólico, todos os efeitos da dispersão são cancelados e é possível enviar pulsos por milhares de quilômetros sem que haja uma distorção significativa. Esses pulsos são chamados de solitons. O núcleo é envolvido por uma proteção de vidro cujo índice de refração é inferior ao do núcleo, para manter a luz no núcleo. Em seguida, há um revestimento plástico, que tem a finalidade de proteger a fibra. As fibras costumam ser agrupadas em feixes, protegidos por uma capa externa. As fibras multimodo dividem-se em 2 tipos: multimodo degrau e multimodo com índice gradual. As fibras multimodo degrau foram as primeiras a serem produzidas, e seu funcionamento é baseado na reflexão total. O termo degrau refere-se a uma descontinuidade na mudança do índice de refração entre o núcleo e o revestimento de vidro. As fibras multimodo com índice gradual tem seu índice de refração diminuindo gradualmente, de forma contínua. Os raios de luz vão gradativamente atingindo o ângulo crítico, quando então são refletidos percorrendo o caminho inverso em direção ao núcleo. Como a luz tem maior velocidade nas partes com menor índice de refração, os raios que se afastam viajam a uma velocidade maior, apesar de percorrerem distâncias maiores. Estes fatores se compensam evitando o problema da dispersão modal. As fibras monomodo são produzidas com diâmetros tão pequenos que apenas um modo é transmitido. Nos cabos de fibra multimodo degrau, o núcleo tem cerca de 100 µm de diâmetro, enquanto nos cabos de fibra multimodo com índice gradual o núcleo tem cerca de 50 µm de diâmetro. Os cabos de fibra monomodo tem o núcleo com cerca de 9 µm. As fibras podem ser conectadas de três diferentes formas. Elas podem ter 4

5 conectores em suas extremidades e serem conectadas em soquetes de fibra. Os conectores perdem de 10% a 20% da luz, mas facilitam a reconfiguração dos sistemas. Em uma segunda forma, elas podem ser encaixadas mecanicamente. Nesse caso, as duas extremidades são cuidadosamente colocadas uma perto da outra em uma luva especial e encaixadas em seguida. O alinhamento pode ser melhorado com a passagem de luz através da junção, seguido de pequenos ajustes cuja finalidade é maximizar o sinal. As junções mecânicas resultam em uma perda de 10% da luz. Uma última forma é fundir dois pedaços de fibra de modo a formar uma conexão sólida. Um encaixe por fusão é quase tão bom quanto uma fibra inteira, sofrendo apenas uma pequena atenuação. Nos três tipos de encaixe, podem ocorrer reflexões no ponto de junção, e a energia refletida pode interferir no sinal. Duas fontes de luz podem ser usadas para fazer a sinalização: os diodos emissores de luz (leds) e os lasers semicondutores. Eles têm diferentes propriedades, como mostra a tabela abaixo. Item LED Laser Semicondutor Taxa de dados Baixa Alta Modo Multimodo Multimodo ou monomodo Distância Pequena Longa Vida Útil Longa Curta Sensibilidade à temperatura Insignificante Sensível Custo Baixo Alto A extremidade de recepção de uma fibra ótica consiste em um fotodiodo, que emite um pulso elétrico quando entra em contato com a luz. Um pulso de luz deve conduzir energia suficiente para ser detectado. Com pulsos de potência suficiente, a taxa de erros pode se tornar arbitrariamente pequena. Fibras óticas são imunes a interferências eletromagnéticas e a ruídos. Por não irradiarem luz para fora do cabo, não se verifica linha cruzada, permitindo um isolamento completo entre transmissor e receptor. 1.5 Transmissão Sem Fio Por sua natureza, a radiodifusão é adequada tanto para ligações ponto a ponto quanto para ligações multiponto. É uma alternativa viável onde é difícil a instalação de cabos e seu emprego é importante para comunicações entre computadores portáteis em um ambiente de rede local. Também tem muita utilidade em aplicações onde a confiabilidade do meio de transmissão é indispensável. A radiodifusão não é adequada quando transitam pela rede dados sigilosos, uma vez que os dados transmitidos podem ser captados por qualquer antena próxima ou na direção do fluxo. Uma forma de minimizar este problema é através da utilização de algoritmos de criptografia Rádio As ondas de rádio são fáceis de gerar, percorrem longas distâncias e penetram em prédios facilmente. Elas também percorrem todas as direções a partir da origem. Portanto, o transmissor e o receptor não precisam estar alinhados. As propriedades das ondas de rádio dependem da freqüência. Nas freqüências baixas, as ondas de rádio atravessam os obstáculos, mas a potência cai abruptamente à 5

6 medida que a distância aumenta. Nas freqüências altas, as ondas de rádio tendem a viajar em linha reta e a ricochetear nos obstáculos. Em todas as freqüências, as ondas de rádio estão sujeitas à interferência dos motores e outros equipamentos elétricos. Devido à capacidade que as rádios têm de percorrer longas distâncias, a interferência entre os usuários é um problema. Por essa razão, todos os governos exercem um rígido controle sobre os transmissores de rádio Microondas Acima de 100 MHz, as ondas trafegam em linha reta e por essa razão podem ser captadas com mais facilidade. A concentração de toda a energia em um pequeno feixe através de uma antena parabólica oferece um sinal muito mais alto para a relação de ruído, mas as antenas de transmissão e recepção devem ser alinhadas com o máximo de precisão. Além disso, essa direcionalidade permite o alinhamento de vários transmissores, fazendo com que eles se comuniquem com vários receptores sem que haja interferência Ondas Milimétricas e Infravermelhas As ondas milimétricas e infravermelhas sem guia são usadas em larga escala na comunicação de curto alcance. Essas ondas são relativamente direcionais, baratas e fáceis de construir, mas não atravessam objetos sólidos. O fato das ondas infravermelhas não atravessarem paredes pode ser visto como uma qualidade. É por essa razão que um sistema infravermelho instalado em um ambiente fechado não interfere em um sistema semelhante instalado em salas adjacentes. E é por essa razão que os sistemas infravermelhos são mais seguros do que os sistemas de rádio, prevenindo-os contra eventuais espionagens eletrônicas Ondas de Luz Uma aplicação moderna consiste em utilizar ondas de luz para conectar LANs em dois prédios através de raios laser instalados em seus telhados. Pela sua própria natureza, a sinalização ótica coerente que utiliza raios laser é unidirecional. Uma das desvantagens dos feixes de raios laser é que eles não são capazes de penetrar a chuva ou a neblina. Ainda, o calor do sol pode fazer com que emanem correntes de convecção do telhado do prédio, fazendo com que a trajetória do laser seja alterada. 1.6 Rádio Celular Telefones Celulares Analógicos Em 1946, o primeiro sistema para telefones baseados em automóveis foi criado. Ele utilizava um único transmissor no topo de um edifício alto e tinha um único canal, usado para transmissões e recepções. Para conversar, o usuário tinha de apertar um botão que ativava o transmissor e desativava o receptor. Tais sistemas foram instalados em diversas cidades a partir dos anos 50. Na década de 60, o IMTS (Improved Mobile Telephone System) foi instalado. Ele também utilizava um transmissor de alta potência no topo de uma montanha, mas agora tinha duas freqüências, uma para transmissão e outra para recepção. O IMTS suportava 23 canais espalhados pelas freqüências de 150 a 450 MHz. Por causa do pequeno número de canais, os usuários sempre tinham de esperar muito tempo 6

7 antes de obter um tom de discagem. Além disso, devido à alta potência do transmissor, os sistemas adjacentes tinham de estar a diversos quilômetros de distância para evitar a interferência AMPS (Advanced Mobile Phone System) No AMPS, uma região geográfica é dividida em células, cada uma utilizando alguns conjuntos de freqüências. A idéia principal que torna o AMPS muito mais capaz do que os sistemas anteriores é o uso de células relativamente pequenas, e a reutilização de freqüências em células próximas (mas não adjacentes). Enquanto um sistema IMTS com um alcance de 100 Km pode ter uma chamada em cada freqüência, um sistema AMPS pode ter 100 células de 10 Km na mesma área e é capaz de estabelecer de 5 a 10 chamadas em cada freqüência, em células amplamente separadas. Além disso, células menores significam menor necessidade de energia, o que possibilita a existência de dispositivos menores e mais baratos. B G F B A E C D G F G F B A E A E C D C D Em uma área em que o número de usuários cresceu a ponto de o sistema se tornar sobrecarregado, a potência é reduzida e as células são divididas em células menores para permitir uma maior reutilização da freqüência. O tamanho que as células devem ter é uma questão complexa. No centro de cada célula há uma estação de base para onde transmitem todos os telefones da célula. A estação de base consiste em um computador e um transmissor/receptor conectados a uma antena. Em um sistema de pequeno porte, todas as estações de base são conectadas a um dispositivo chamado MTSO (Mobile Telephone Switching Office). Em um sistema maior podem ser necessários diversos MTSOs, conectados por um MTSO de segundo nível. A qualquer instante, cada telefone móvel ocupa logicamente uma célula especifica e está sob o controle da estação de base dessa célula. Quando um telefone móvel deixa uma célula, sua estação de base detecta que o sinal do telefone está se enfraquecendo e questiona todas as estações de base vizinhas quanto à quantidade de energia que elas estão obtendo desse sinal. Em seguida, a estação de base faz a transferência para a célula que está obtendo o sinal mais forte, ou seja, a célula em que o telefone está localizado no momento. O telefone é, então, informado de quem é a sua nova estação de base, e se houver uma chamada em andamento, ele será solicitado a alternar para outro canal. O sistema AMPS utiliza 832 canais full-duplex, cada um consistindo em um par de canais simplex. Existem 832 canais de transmissão simplex de 824 a 849 MHz, e 832 canais de recepção simplex de 869 a 894 MHz. Sendo cada um desses canais simplex de 30 KHz. Na faixa de 800MHz, as ondas de rádio trafegam em linha reta. Elas também são absorvidas por árvores e plantas, e ricocheteiam no chão e nos prédios. É possível que o sinal enviado por um telefone móvel alcance a estação de base pelo caminho direto, mas também pode fazê-lo após ricochetear no chão ou em um prédio. Isso pode causar um 7

8 efeito de eco ou distorções no sinal. No AMPS, cada telefone móvel possui um número de série e um número de telefone. Quando é contactado, um telefone varre uma lista pré-programada de canais de controle para encontrar o sinal mais forte. Em seguida, o telefone transmite seu número de série e seu número de telefone. A exemplo de todas as outras informações de controle do AMPS, esse pacote é enviado em formato digital, várias vezes, e com um código de correção de erros, apesar de os próprios canais de voz serem analógicos. Quando ouve a mensagem, a estação de base avisa ao MTSO, que registra a existência de seu novo cliente e também informa sua localização atual ao MTSO do cliente. Durante a operação normal, o telefone móvel acusa um registro uma vez a cada 15 minutos. Para fazer uma chamada, um usuário móvel liga o telefone, digita no teclado o número a ser chamado e pressiona o botão SEND. Em seguida, o telefone envia o número chamado e a sua própria identidade no canal de acesso. Se houver uma colisão, ele tenta mais tarde novamente. Quando obtém a solicitação, a estação de base informa ao MTSO. Se a pessoa que chama for um cliente da empresa do MTSO, o MTSO procurará por um canal inativo para a chamada. As chamadas de entrada funcionam de forma diferente. Todos os telefones inativos ouvem continuamente o canal de paging para detectar as mensagens diretamente. Quando é feita uma chamada para o telefone móvel, um pacote é enviado para o MTSO local da pessoa chamada para que ele seja localizado. Em seguida, é enviado à estação de base em sua célula atual, que se comunica com o canal de paging da seguinte forma: Unidade X, você está aí?. A unidade chamada responde Sim no canal de controle. A seguir, a base diz algo do tipo: Unidade X, chamada para você no canal Y. Nesse momento, a unidade chamada se conecta ao canal Y. Os telefones celulares analógicos são totalmente inseguros. Qualquer pessoa com um receptor de rádio que acesse todas as bandas de freqüência pode se sintonizar e ouvir tudo o que está acontecendo na célula. Outro problema é o roubo on-line. Com o receptor adequado conectado a um computador, um ladrão pode monitorar o canal de controle e registrar o número de série e os números de telefone de todos os telefones móveis alcançados pelo receptor. O ladrão pode, então, selecionar um número e usá-lo para as suas chamadas. 1.7 Satélite Um satélite de comunicação pode ser considerado como um repetidor de microondas no céu. Ele contém diversos transponders; cada um ouvindo uma parte do espectro, amplificando os sinais de entrada e transmitindo esses sinais em outra freqüência. Os feixes podem ser largos, cobrindo uma fração substancial da superfície terrestre, ou estreitos, cobrindo apenas uma área. O período orbital de um satélite varia de acordo com seu raio orbital. Próximo à superfície terrestre, o período é de cerca de 90 min. Em uma altitude de aproximadamente Km acima do equador, o período do satélite é de 24 horas. Portanto, ele gira na mesma velocidade que a Terra. Um observador examinando um satélite em uma órbita equatorial circular o vê parado em um local fixo no céu, aparentemente imóvel. Um satélite típico possui de 10 a 20 transponders, cada um com uma largura de 8

9 banda de 36 a 50 MHz. Um transponder de 50 Mbps pode ser usado para codificar um único fluxo de dados de 50 Mbps, 800 canais de voz digitais de 64 Kbps ou outras combinações. Dois transponders podem usar polarizações diferentes do sinal, podendo usar a mesma banda de freqüência sem que haja interferência. Os primeiros satélites tinham um feixe espacial que iluminava toda a Terra. Atualmente cada satélite é equipado com diversas antenas e vários transponders. Cada feixe descendente pode ser focalizado em uma pequena área geográfica, permitindo diversas transmissões ascendentes e descendentes simultaneamente. Apesar de os sinais enviados e recebidos por um satélite trafegarem na velocidade da luz (aproximadamente Km/s), a distância de ida e volta introduz um retardo substancial. Dependendo da distância entre o usuário e a estação em terra e da elevação do satélite acima do horizonte, o tempo de trânsito de um ponto a outro fica entre 250 e 300 ms. Outra propriedade importante dos satélites é que eles são basicamente meios de difusão. Enviar uma mensagem para milhares de estações localizadas no diâmetro de um transponder não custa mais caro do que enviar para apenas uma. Para algumas aplicações, essa propriedade é muito útil. Por outro lado, do ponto de vista da segurança e da privacidade, esta propriedade não é das melhores. A criptografia é essencial quando a segurança é necessária Satélites de Baixa Órbita Durante os primeiros 30 anos da era do satélite, os satélites de baixa órbita raramente eram usados para comunicação porque apareciam e desapareciam de vista muito rapidamente. Em 1990, a Motorola deu início a um novo empreendimento e solicitou permissão para lançar 77 satélites de baixa órbita para o projeto Iridium. Mais tarde, o projeto foi revisado no sentido de se usar apenas 66 satélites. A idéia era que assim que um satélite estivesse fora de vista, outro o substituiria. O objetivo básico do Iridium é fornecer um serviço de telecomunicações de amplitude mundial através de dispositivos portáteis que se comunicam diretamente com os satélites Iridium. Há serviços de voz, dados, paging, fax e navegação em qualquer lugar da terra. No Iridium, cada satélite possui um número substancial de feixes pontuais que varrem a Terra à medida que o satélite se move. Portanto, nesse sistema as células e os usuários são móveis, mas as técnicas usadas para o rádio celular são igualmente aplicáveis tanto no caso de a célula deixar o usuário quanto no caso de o usuário deixar a célula. Os satélites devem ser posicionados a uma altitude de 750 Km, em órbitas polares circulares. Cada satélite teria um máximo de 48 feixes pontuais, com um total de células sobre a superfície da Terra. 9