CURSO TÉCNICO EM TELECOMUNICAÇÕES SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES Prof. Manoel Henrique Bezerra Junior PRONATEC

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1 Ministério da Educação - MEC Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica (SETEC) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará CURSO TÉCNICO EM TELECOMUNICAÇÕES SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES Prof. Manoel Henrique Bezerra Junior PRONATEC

2 CRÉDITOS Presidente Dilma Vana Rousseff Ministro da Educação Aloizio Mercadante Oliva Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica Marco Antônio de Oliveira Reitor do IFCE Virgílio Augusto Sales Araripe Pró-Reitor de Extensão Zandra Maria Ribeiro Mendes Dumaresq Pró-Reitor de Ensino Reuber Saraiva Santiago Pró-Reitor de Administração Tassio Francisco Lofti Matos Coordenador Geral Jose Wally Mendonça Menezes Coordenador Adjunto Armênia Chaves Fernandes Elaboração do conteúdo Luiz Fernando Teixeira Pinto Romulo Oliveira Albuquerque Equipe Técnica Carlos Henrique da Silva Sousa David Moraes de Andrade Coordenador Adjunto Campus Juliana Silva Liberato Supervisor(es) Curso(s) Odilon Monteiro da Silva Neto Orientador(es) Curso(s) Renata Maria Paiva 2

3 O QUE É O PRONATEC? Criado no dia 26 de Outubro de 2011 com a sanção da Lei nº /2011 pela Presidenta Dilma Rousseff, o Programa Nacional de Acesso ao Ensino Técnico e Emprego (Pronatec) tem como objetivo principal expandir, interiorizar e democratizar a oferta de cursos de Educação Profissional e Tecnológica (EPT) para a população brasileira. Para tanto, prevê uma série de subprogramas, projetos e ações de assistência técnica e financeira que juntos oferecerão oito milhões de vagas a brasileiros de diferentes perfis nos próximos quatro anos. Os destaques do Pronatec são: Criação da Bolsa-Formação; Criação do FIES Técnico; Consolidação da Rede e-tec Brasil; Fomento às redes estaduais de EPT por intermédio do Brasil Profissionalizado; Expansão da Rede Federal de Educação Profissional Tecnológica (EPT). A principal novidade do Pronatec é a criação da Bolsa-Formação, que permitirá a oferta de vagas em cursos técnicos e de Formação Inicial e Continuada (FIC), também conhecidos como cursos de qualificação. Oferecidos gratuitamente a trabalhadores, estudantes e pessoas em vulnerabilidade social, esses cursos presenciais serão realizados pela Rede Federal de Educação Profissional, Científica e Tecnológica, por escolas estaduais de EPT e por unidades de serviços nacionais de aprendizagem como o SENAC e o SENAI. Objetivos Expandir, interiorizar e democratizar a oferta de cursos de Educação Profissional Técnica de nível médio e de cursos e programas de formação inicial e continuada de trabalhadores; Fomentar e apoiar a expansão da rede física de atendimento da Educação Profissional e Tecnológica; Contribuir para a melhoria da qualidade do Ensino Médio Público, por meio da Educação Profissional; Ampliar as oportunidades educacionais dos trabalhadores por meio do incremento da formação profissional. Ações Ampliação de vagas e expansão da Rede Federal de Educação Profissional e Tecnológica; Fomento à ampliação de vagas e à expansão das redes estaduais de Educação Profissional; Incentivo à ampliação de vagas e à expansão da rede física de atendimento dos Serviços Nacionais de Aprendizagem; Oferta de Bolsa-Formação, nas modalidades: Bolsa-Formação Estudante; Bolsa-Formação Trabalhador. Atendimento a beneficiários do Seguro-Desemprego; 3

4 [SUMÁRIO] Apresentação da Disciplina Aula 01 Introdução às Telecomunicações Aula 02 Sistemas de Telecomunicações Aula 03 Conceitos Importantes de Telecomunicações Aula 04 Conceitos de Redes de Telecomunicações Aula 05 Serviços em Telecomunicações I Aula 06 Serviços em Telecomunicações II Aula 07 Serviços em Telecomunicações III Aula 08 Serviços em Telecomunicações IV Aula 09 Serviços em Telecomunicações V Aula 10 Meios de Transmissão I Aula 11 Meios de Transmissão II Aula 12 Meios de Transmissão III Aula 13 Meios de Transmissão IV Aula 14 Conceitos de Multiplexação Aula 15 Conceitos de Modulação Glossário Técnico Referências Bibliográficas

5 APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA As telecomunicações constituem o ramo da engenharia elétrica que trata do projeto, da implantação e da manutenção dos sistemas de comunicação e tem por objetivo principal atender à necessidade do ser inteligente de se comunicar a distância. É comum omitir o prefixo tele e utilizar somente comunicações. Através dos sistemas de comunicações os assinantes, usuários ou correspondentes trocam informações operando equipamentos terminais, elétricos ou eletrônicos, tecnicamente compatíveis com o sistema. As informações fluem pelos canais de comunicações fio, rádio ou fibra óptica, na forma de sinais elétricos ou eletromagnéticos. Em princípio, as informações, quando recebidas pelos respectivos destinatários, são interpretadas e geram respostas ou, pelo menos, a confirmação do recebimento. Por este motivo sempre é utilizado o termo telecomunicações no plural. Esta apostila visa aprimorar e fortalecer os conceitos, técnicas e estruturas básicas das telecomunicações, que sustentam o grande desenvolvimento mundial. Desta forma, o bom uso desta apostila proporcionará um melhor desenvolvimento do aluno durante o restante de todo o curso, já que ela contem grande parte dos conteúdos que embasarão todo o percurso deste curso. 5

6 AULA 1 Introdução às telecomunicações Objetivos Proporcionar uma visão inicial das Telecomunicações Apresentar a Evolução Histórica das Telecomunicações Abordar a estrutura básica da regulamentação em Telecomunicações TÓPICO 1 Evolução das Telecomunicações Objetivos do tópico: Abordar a evolução histórica das comunicações. Apresentar as principais descobertas da área. Citar os principais nomes relacionados a essas descobertas. A rede de telecomunicações que nos dias de hoje cobre o globo terrestre é sem dúvida a mais complexa, extensa e cara de todas as criações tecnológicas, e porventura a mais útil de todas, na medida em que constitui o sistema nervoso essencial para o desenvolvimento social e econômico da civilização. As telecomunicações são uma ciência exata cujo desenvolvimento dependeu fortemente das descobertas científicas e dos avanços na matemática que tiverem lugar na Europa durante o século XIX. Foram as descobertas na área do eletromagnetismo, que criaram as condições para o aparecimento do primeiro sistema de telecomunicações baseado na eletricidade: o telégrafo. O telégrafo foi patenteado no Reino Unido por Cooke e Wheatstone, em No entanto, o sistema por eles desenvolvido requeria cinco condutores metálicos, não sendo por isso muito prática a sua implementação. Foi a criação, por Morse, do código que tem o seu nome, que veio dar o grande impulso à expansão do telégrafo. O primeiro sistema experimental orientado por Morse teve lugar nos Estados Unidos em Este sistema era claramente um sistema de transmissão digital, na medida em que a informação era transmitida usando pulsos de corrente. Tinham-se dois tipos de pulsos, um estreito (ponto) e outro mais longo (traço) e as diferentes letras eram codificadas através de combinações desses pulsos. O sucesso do telégrafo foi tal que logo em 1866 foi instalado um cabo submarino transatlântico ligando o Reino Unido aos Estados Unidos. Em 1875, Portugal e o Brasil também ficaram ligados através de um outro cabo. Em 1875, a rede de cabos de telégrafo já cobria todo o globo incluindo o Extremo Oriente e a Austrália. Outro ponto singular na grande caminhada das telecomunicações foi a invenção do telefone. Embora a história da invenção do telefone seja um tanto nebulosa, com vários inventores a requererem para si os louros dessa invenção, a primeira demonstração com sucesso de transmissão eletrônica de voz inteligível foi realizada por Alexander Graham Bell em 1876, consagrada no histórico apelo de Bell para o seu assistente: "Mr. Watson, come here, I want to see you". Interessantes são também as palavras proféticas por ele 6

7 proferidas nessa altura: "This is a great day with me and I feel I have at last struck the solution of a great problem-and the day is coming when telephone wires will be laid on the houses, just like water or gas, and friends converse without leaving home". Inventado o telefone tratava-se de resolver o problema da ligação entre os interlocutores envolvidos numa ligação telefônica. A primeira solução consistiu na utilização de centrais telefônicas manuais. No entanto, com o aumento do número de linhas a utilização deste tipo de centrais tornou-se impraticável. Além disso, tinha-se o problema da falta de privacidade: as operadoras podiam ouvir facilmente as conversas entre os interlocutores. Foi exatamente a falta de privacidade das centrais manuais que levou Strowger a inventar a primeira central telefônica de comutação automática, com patente concedida em Essa invenção compreendia dois elementos básicos: 1) Um dispositivo (disco) para ser usado pelo assinante que gerava sequências de pulsos de corrente correspondentes aos dígitos de 0 a 9; 2) Um comutador localizado na central telefônica, no qual um braço rotativo se movimentava passo-a-passo num arco semi-circular com dez contatos, cada um ligado a uma linha de assinante, sendo o movimento controlado pelos pulsos de corrente enviados pelo assinante. As centrais automáticas Strowger tiveram uma grande expansão em todo o mundo e aplicação generalizada até aos anos 70. Embora a primeira central de comutação automática tivesse sido inaugurada em Lisboa (Central Telefônica da Trindade) em 1925, e a digitalização da comutação se tivesse iniciado em 1987, em 1994, ainda existiam, na rede telefônica nacional cerca de linhas servidas por centrais Strowger. No campo da comutação automática será também de referir o papel dos CTT, que desenvolveu tecnologia própria, a qual foi introduzida na sua rede em 1956 (estações tipo ATU 52 e ATU 54) e continuou a usar até ao início da digitalização na década de oitenta. Outro marco importante na história das telecomunicações foi a demonstração por Marconi em 1894 da telegrafia/telefonia sem fios. Até 1910, as ondas rádio foram usadas essencialmente para transmitir sinais telegráficos. Porém, com a invenção em 1907 por De Forest da válvula termo-iônica, tornou-se possível a geração e modulação de portadoras elétricas e a radiotelefonia começou a dar os primeiros passos. Progressos tecnológicos nesta área permitiram estabelecer em 1914 um serviço transatlântico de telegrafia sem fios, e realizar em 1926 a primeira ligação telefônica (1 canal de voz) entre os Estados Unidos e a Inglaterra. Inaugurava-se, assim, a competição entre os serviços de telecomunicações sem fios e os serviços baseados numa transmissão guiada, que tem sido uma constante até aos dias de hoje. Muitas outras inovações vieram contribuir para que as telecomunicações se tornassem, neste início de século, uma das mais poderosas indústrias. No entanto, existe outra invenção que não pode deixar de ser referida: a invenção do PCM (Pulse Code Modulation). Esta foi feita por Alec Reeves em França em Como, porém, a transmissão de um sinal de voz digitalizado requeria uma largura de banda mínima de 32 khz, muito superior aos 3 khz requeridos pelo correspondente sinal analógico, a implementação dos primeiros sistemas experimentais teve de esperar até que nos anos sessenta a tecnologia do estado sólido a permitisse concretizar. Outros dois fatos importantes que contribuíram para modelar as telecomunicações dos dias de hoje foram: a proposta para usar as fibras de vidro (fibras ópticas) como meio de transmissão da informação, feita em 1966 por K. Kao e G. Hockman e o conceito de comutação de pacotes apresentado em meados da década de sessenta por P. Baran. A 7

8 evolução da tecnologia de transmissão óptica permitiu que, por exemplo, nas últimas duas décadas, a capacidade dos sistemas de transmissão aumentasse mais de vezes, atingindo hoje em dias taxas superiores a 1 Tbit/s, e a comutação de pacotes foi responsável pela enorme expansão das redes de dados e pelo consequente êxito da Internet. Não se poderia deixar também de referir a expansão das comunicações móveis que ocorreu particularmente na última década e que foi fortemente impulsionada pela normalização do GSM e também pela contribuição da engenharia de telecomunicações com a concepção e implementação do pré-pago. Toda a infraestrutura de rede inteligente que suporta o plano de controle responsável por esse conceito, que hoje é usado por mais de mais de 80% dos celulares de todo o mundo, foi desenvolvido nos laboratórios da PT Inovação. Depois deste breve percurso por alguns dos fatos mais marcantes da evolução das telecomunicações, será pertinente colocar a questão: o que são as telecomunicações? Para começar, o prefixo tele é derivado do grego e significa "à distância". Poder-se-á, assim, dizer que as telecomunicações compreendem o conjunto dos meios técnicos necessários para transportar e encaminhar tão fielmente quanto possível a informação à distância. Esta definição deverá, no entanto, ser complementada com os seguintes comentários: Os principais meios técnicos são de natureza eletromagnética; A informação a transmitir pode tomar diversas formas, nomeadamente, voz, música, imagem, vídeo, texto, dados, etc.; Os sistemas de telecomunicações devem garantir um elevado grau de fidelidade, garantindo que a informação seja transmitida sem perdas nem alterações; A confiabilidade é outra exigência primordial, já que o usuário espera das telecomunicações um serviço permanente e sem falhas; O transporte da informação à distância é um problema da transmissão, que é um ramo importante das telecomunicações; Outro ramo importante é a comutação, que tem como objetivo o encaminhamento da informação; As redes de telecomunicações de hoje são máquinas de grande complexidade e, por isso, a sua gestão e controle são tarefas de grande importância e claramente individualizadas das funções anteriores. A gestão de rede é responsável, nomeadamente, por garantir elevados graus de confiabilidade (resposta rápida a falhas) e flexibilidade (configuração rápida dos elementos de rede). O controle da rede é realizado através da sinalização e é responsável pela dinâmica da rede e pela sua capacidade de resposta aos pedidos dos usuários. 8

9 TÓPICO 2 Regulamentação de Telecomunicações Objetivos do tópico: Descrever os principais mecanismos de regulamentação das telecomunicações. Definir as principais estruturas relacionadas a essas regulamentações. Devido ao caráter internacional das telecomunicações é fundamental a regulamentação, acima de tudo, em certos aspectos mais relevantes tais como: Aspectos técnicos: definição da qualidade de serviço e dos parâmetros que a influenciam; especificação das interfaces, nomeadamente, dos sinais usados na transmissão e sinalização, etc. Planificação geral da rede: estrutura da rede internacional, plano de transmissão, distribuição dos números telefônicos, etc. Problemas de exploração e gestão: definição dos preços das chamadas internacionais, análise do tráfego, etc. No plano das redes nacionais a regulamentação também é importante de modo a: Garantir a compatibilidade dos sistemas provenientes de fabricantes diferentes; Assegurar a mesma qualidade de serviço mínima a todos os usuários; Respeitar as convenções internacionais. O principal organismo de regulamentação na área das telecomunicações é a International Telecommunication Union (ITU). Este organismo é uma agência da ONU e atua fundamentalmente através dos seguintes orgãos: ITU Telecommunication Sector (ITU-T), que corresponde ao antigo "Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique" (CCITT). As suas funções incluem o estudo de questões técnicas, métodos de operação e tarifas para as comunicações telefônicas e de dados. ITU Radiocommunications Sector (ITU-R), que corresponde ao antigo "Comité Consultatif International des Radiocommunications" (CCIR). Estuda todas as questões técnicas e operacionais relacionadas com radiocomunicações, incluindo ligações ponto-a-ponto, serviços móveis e radiodifusão. Associado ao ITU-R está o International Frequency Registration Board (IFRB), que regula a atribuição das bandas de frequências aos diferentes serviços. Tanto a ITU-T como a ITU-R são compostos de delegados dos governos, operadores de telecomunicações e organizações industriais. Ambos têm um elevado número de grupos de estudo. Os seus trabalhos tomam a forma de recomendações, que são ratificadas por assembleias plenárias, que ocorrem de quatro em quatro anos. Os resultados dessas sessões plenárias são publicados numa série de volumes, que proporcionam recomendações e informação atualizada para todos os interessados na área das telecomunicações. Além da ITU, existe um conjunto de outros organismos também com atividade na área das telecomunicações. Refira-se, por exemplo, a International Standards Organization (ISO). Este organismo tem índole mundial e atividade de regulamentação em diferentes 9

10 áreas, incluindo as tecnologias de informação. Recorde-se que, o modelo OSI (Open Systems Interconnect), o conhecido protocolo de sete camadas que regula as comunicações entre computadores, foi definido por esta organização. O ANSI (American National Standards Institute) que é o corpo americano da ISO também tem produzido inúmeras contribuições de relevo. Foi esta agência a responsável pela norma ASCII (American Standard Code for Information Interchange), usada por muitos computadores para armazenar informação. Outro organismo digno de realce é o ETSI (European Telecommunication Standards Institute), o qual foi criado em 1988 para desenvolver as normas necessárias à criação de uma rede de telecomunicações européia. Esta instituição tem tido um papel importante no desenvolvimento das normas para as redes móveis e em particular da norma GSM (Global Systems for Mobile Communications). O IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) é uma associação profissional do tipo da Ordem dos Engenheiros, que também tem contribuído com inúmeras normas para o progresso das telecomunicações. Por exemplo, as normas que delinearem a Ethernet (IEEE 802.3) e as normas que têm projetado o seu desenvolvimento foram concebidas por esta associação. Atualmente, também existem inúmeros consórcios de fabricantes e operadores dirigidos a determinadas áreas específicas, com o objetivo de desenvolverem normas de equipamentos ou serviços em curtos espaços de tempo. Veja, por exemplo, o Fórum DSL (www. dslforum.org) ou o Fórum ATM (www. ATMforum.org). 10

11 AULA 2 Sistemas de Telecomunicações Objetivos Apresentar o conceito de sistemas de Telecomunicações Descrever os principais elementos desses sistemas. Analisar as principais contaminações sofridas por esses sistemas. TÓPICO 1 Elementos de Sistemas Telecomunicações Objetivos do tópico: Introduzir o conceito de telecomunicações. Descrever o funcionamento de cada elemento de um sistema de telecomunicações Derivada de um radical grego "tele" que significa distância e uma terminação latina "communicatio" que significa comunicação, assim nós podemos conceituar sistemas de telecomunicações como aquele sistema que permite efetuar a comunicação à distância. É interessante acrescentar ainda que a palavra "comunicação" deriva do radical latino "communis" cujo significado é comum. Logo a comunicação será o processo através do qual transferimos a informação de um ponto a outro, de modo a partilhá-las entre ambos. Segundo a LGT - Lei Geral de Telecomunicações temos: Telecomunicação é a transmissão, emissão ou recepção, por fio, radioeletricidade, meios ópticos ou qualquer outro processo eletromagnético, de símbolos, caracteres, sinais, escritos, imagens, sons ou informações de qualquer natureza. Então o sistema que nos interessa pode ser visto de forma simplificada conforme a figura que se segue: 11

12 A Figura acima mostra os elementos funcionais de um sistema de comunicação completo. Por conveniência, foi dividido em subsistemas distintos, embora em sistemas reais a separação não seja tão óbvia. Indicamos também alguns dos fatores indesejáveis que inevitavelmente entram no conjunto. Elementos Funcionais Com exceção dos transdutores, há três partes essenciais em um sistema de comunicação elétrica, a saber: o transmissor, o canal de transmissão e o receptor. Cada um desempenha uma função característica. Transmissor. O transmissor acopla a mensagem ao canal na forma de um sinal transmitido. Para fins de transmissão efetiva e eficiente, algumas operações de processamento de sinal devem ser desempenhadas. A mais comum e importante destas operações é a modulação, processo projetado para combinar o sinal transmitido com as propriedades do canal, através do uso de uma onda portadora. Mais adiante será descrito com detalhes esse processo, o que consumirá quatro capítulos. Canal de Transmissão. O meio ou canal de transmissão é a ligação elétrica entre o transmissor e o receptor, cobrindo a distância desde a fonte até o destino. Pode corresponder a um par de fios, um cabo coaxial, uma onda de rádio ou até mesmo um feixe de laser. Porém, independente do tipo, todos os meios de transmissão elétrica são caracterizados pela atenuação, decréscimo progressivo da potência do sinal com o aumento da distância. A quantidade de atenuação pode ser muito grande ou pequena. Normalmente é grande e, portanto, um fator a ser considerado. Receptor. A função do receptor é extrair o sinal desejado do canal e fornecê-lo ao transdutor de saída. Visto que os sinais recebidos são quase sempre muito débeis como resultado da atenuação da transmissão, o receptor deve possuir vários estágios de amplificação. Entretanto, a operação principal desempenhada pelo receptor é a demodulação (ou detecção), o inverso do processo de modulação do transmissor, o que restaura a forma original do sinal. TÓPICO 2 Contaminações em Telecomunicações Objetivos do tópico: Indicar as principais contaminações que atingem às telecomunicações. Descrever a forma de atuação de cada uma delas. Apresentar formas de combate à ação dessas contaminações. Contaminações. Ao longo da transmissão de um sinal ocorrem alguns efeitos indesejáveis. Um deles é a atenuação, que reduz a intensidade do sinal; mais sérios, 12

13 entretanto, são a distorção, a interferência e o ruído, que aparecem como alterações da forma do sinal. Embora estas combinações sejam introduzidas através de todo o sistema, é prática comum e conveniente considerá-las entrando apenas no canal, tratando o transmissor e o receptor como ideais. Grosseiramente falando, qualquer perturbação indesejável do sinal pode ser classificada como um ruído, sendo muitas vezes difícil distinguir as várias causas em um sinal contaminado. Entretanto, há boas razões e base adequada para separar os três efeitos seguintes. Distorção. A distorção é uma alteração do sinal devida a uma resposta imperfeita do sistema ao próprio sinal. Diferentemente do ruído e da interferência, a distorção desaparece quando o sinal é anulado. Projetos de sistemas convenientes ou redes de compensação podem reduzir a distorção. Teoricamente, é possível sua compensação perfeita. Praticamente, deve ser aceita alguma distorção, embora seu valor possa ser mantido dentro de limites toleráveis em todos os casos, salvo raríssimas exceções. Interferência. A interferência é a contaminação por sinais estranhos, normalmente feitos pelo homem, de forma similar ao sinal desejado. O problema é muito comum em transmissões comerciais, onde dois ou mais sinais podem ser captados ao mesmo tempo pelo receptor. A solução para o problema de interferência é óbvia: eliminar, de um modo ou outro, o sinal interferente ou sua fonte. Novamente, a solução perfeita é possível na teoria, mas não o é sempre na prática. Ruído. Finalmente, deixando o pior caso para o fim, consideraremos o ruído. Por ruído interpretamos os sinais elétricos aleatórios ou imprevisíveis provenientes de causas naturais, tanto externos como internos ao sistema. Quando estas variações aleatórias são adicionadas a um sinal que contém informação, esta informação pode ser parcialmente mascarada ou totalmente eliminada. É claro que o mesmo pode ser dito em relação à interferência e à distorção; o que distingue o ruído é que ele nunca pode ser completamente eliminado, mesmo na teoria. Como veremos, um ruído não eliminável constitui um dos problemas básicos de comunicação elétrica. 13

14 AULA 3 Conceitos Importantes de Telecomunicações Objetivos Introduzir conceitos importantes para as telecomunicações e os seus significados Apresentar alguns modelos de classificação de circuitos. TÓPICO 1 Tipos de Circuitos Objetivos do tópico: Classificar os circuitos de acordo com os vários parâmetros utilizados. Quanto à utilização podemos encontrar circuitos de uso privado e de uso público. Os primeiros são definidos como todo aquele que serve exclusivamente a um determinado número de terminais de característica essencialmente particular. Por exemplo circuitos que ligam a Bolsa de Valores com as diversas Corretoras. Os de uso público são os destinados aos usuários que utilizam terminais pertencentes a uma concessionária de serviços públicos de telecomunicações. Por exemplo, circuitos da rede nacional de telefonia. 2. Circuitos quanto a Topologia. Do ponto e vista de topologia, o circuito mais simples é o que liga diretamente dois nós terminais, sendo referido como circuito ponto - a - ponto. 14

15 Vamos analisar agora a necessidade de um terminal se comunicar comdois outros terminais. Por exemplo, observe que ao utilizar linhas físicas na figura 6 e na figura 7 será preciso um nó intermediário, sendo então passível de ocorrer duas possibilidades: distribuição e comutação. Observemos as duas figuras e embora pareçam iguais, é possível de se ter duas lógicas operando. Assim, enquanto B opera como um nó intermediário de distribuição o sinal de A alcança C e D, ambos simultaneamente; F por sua vez ao funcionar como um nó intermediário de comutação, o sinal chegará a G ou H, mas não em ambos simultaneamente. Em geral neste segundo caso pode ser denominado centro de comutação ou central de comutação. No primeiro caso, a fonte A pode enviar o sinal simultaneamente para os terminais C e para D, logo o nó intermediário estará distribuindo (alguns usam o termo derivando) o sinal. O circuito referido denomina-se circuito multiponto. Agora se no nó intermediário se toma uma decisão, de modo que o sinal vindo de E possa ser enviado ou para o terminal B ou para o terminal C, o nó intermediário estará operando como um nó de comutação. Neste caso a ligação se efetua, naquele momento, apenas entre dois nós terminais e, por isso, é referido como circuito ponto - a - ponto comutado, ou simplesmente como, circuito comutado. O circuito multiponto pode ser montado com o uso de rádio, o exemplo típico sendo os esquemas de rádiodifusão. Como a energia irradiada afeta todo o espaço, temos um esquema de distribuição. É possível ainda especificar um pouco mais definindo Multiponto Série, quando um único circuito interliga permanentemente, diversos terminais e Multiponto Paralelo, quando vários circuitos interligam permanentemente entre si, diversos terminais. Conforme figuras que se seguem: Multipontos: 15

16 3. Circuitos quanto à Transmissão: Aqui teremos as seguintes possibilidades; quando um circuito transmite exclusivamente para um outro terminal, será denominado como circuito de transmissão direta. Quando um terminal transmitir simultaneamente para diversos terminais teremos a transmissão por difusão (Neste caso o terminal transmissor é chamado de centro emissor). Aqui podemos encontrar ainda a difusão centralizada, tipo estação de TV; a difusão descentralizada como a que acontece na rádio comunicação; a transmissão por concentração, como a telefonia rural e a transmissão por comando, quando existe uma disciplina para transmissão dos terminais. 3. Circuitos quanto ao modo de Operação: Quando ao modo de operação o circuito pode ser visto como Simplex (1), quando a informação é transmitida em um único sentido; Duplex (2), quando se transmite nos dois sentidos, simultaneamente e Half- duplex (Semiduplex) (3) quando se transmite nos dois sentidos não simultaneamente. 4. Circuitos quanto à Abrangência Geográfica: Neste podemos enquadrá-los quando a interligação ocorrer dentro de uma mesma área como circuitos urbanos; entre diferentes áreas, circuitos interurbanos e por fim denominá-los interestaduais e internacionais conforme o alcance. 5. Quanto ao tipo de transmissão: Quando o sinal transmitido é submetido a uma base de tempo (clock) de referência na origem e recuperado no destino, a partir da base de tempo de referência do mesmo, que trabalha sincronizadamente com a sua origem, ele é denominado circuito síncrono. A outra possibilidade, circuito assíncrono, corresponde a não existência desse sincronismo, sendo aplicados sinais delimitadores de início e fim de informação nas porções transmitidas. Por fim vamos enfatizar visualizando na figura abaixo a união dos conceitos de canal e circuito: 16

17 AULA 4 Conceitos de Redes de Telecomunicações Na prática encontramos vários terminais que querem conversar entre si. Em telecomunicações precisamos ainda conceituar Rede. Uma Rede corresponde ao conjunto de facilidades que permite a vários terminais se comunicarem entre si, ou seja: Rede de telecomunicações, segundo a LGT, é o conjunto operacional contínuo de circuitos e equipamentos, incluindo funções de transmissão, comutação, multiplexação ou quaisquer outras indispensáveis à operação de serviço de telecomunicações. A implantação e o funcionamento das redes de telecomunicação objetiva o suporte à prestação de serviços de interesse coletivo, no regime público ou privado. A classificação de uma rede de comunicações pode ser feita de diversas formas. Uma Rede pode ser vista quanto : 1. Ao objetivo do Serviço: Rede Telefônica, Rede Telegráfica, Rede Telex, Rede de Comunicação de Dados, etc. 2. Forma da Rede, topologia: Rede em estrela, Rede em Malha, Rede Mista, Rede Hierárquica. 3. Ao Destino; Rede Pública, Rede Privada. 4. Sistema de Comutação: Rede de Comutação de circuitos, Rede de Comutação Armazenada, Rede de Comutação de Pacotes, Rede de Comutação de Mensagens, etc. 5. Tipo de Sinais Utilizados: Rede Analógica, Rede Digital. Objetivos Definir os principais conceitos relacionados às redes de telecomunicação. Apresentar os principais tipos de topologias destas redes Explicar os seus modos de operação. TÓPICO 1 Topologia de Redes Objetivos do tópico: Introduzir o conceito de topologia de rede. Apresentar as principais categorias de topologia de rede A especificação de como a Rede é tem a ver com os pontos servidos e com a capacidade destes pontos se interligarem entre si. Observe que a capacidade de interligação tem a ver com a possibilidade de transporte de sinais de um ponto a outro. Para melhor visualizar a estrutura de uma rede nós precisaremos do conceito de topologia. 17

18 A Topologia da Rede nos dá uma descrição geométrica (ou geográfica) simplificada de sua composição, onde o que interessa é explicitar as possibilidades de transporte de sinal de um ponto a outro, abstraindo-se a especificação física de seus componentes. Podemos encontrar redes em Estrela, em Malha, em Árvore ou Hierárquica ou ainda Mista. Os elementos básicos da topologia de uma rede são os nós e os enlaces (alguns autores usam arco). Um nó é um ponto onde o sinal entra na rede, sai da rede (nó terminal) ou é direcionado na rede (nó intermediário). O nó misto oferece ambas as possibilidades. O enlace é o caminho que o sinal segue entre dois nós consecutivos. Na figura 1, observamos nós e enlaces de uma Rede de Telecomunicações, numa topologia em Malha. Em seguida observamos na fig.13 a topologia em Árvore ou Hierárquica e na fig. 14 topologia em Estrela: TÓPICO 2 Otimização de Rotas Objetivos do tópico: Introduzir o conceito de rota em redes de telecomunicações. Apresentar técnicas de otimização dessas rotas. Para enviarmos o sinal de um ponto a outro, da fonte ao destinatário, naturalmente buscamos estabelecer enlaces que sigam sempre que possível trechos comuns de caminho de forma a compartilhar a mesma infra- estrutura de recursos, tais como o mesmo duto, prédios de estação, torre, fontes de energia, etc. No entanto, ainda é preciso otimizar o emprego dos meios de transmissão. Existem aqui dois procedimentos clássicos para este desiderato: a multiplexação e a concentração. O primeiro deles, a multiplexação2, permite que um mesmo meio possa ser compartilhado por vários canais. 18

19 Já a concentração é um outro recurso, aplicável apenas para o caso em que a fonte fica ativa durante curtos intervalos de tempo. Por exemplo, em média, um assinante da rede telefônica só usa o telefone alguns minutos por dia, sendo então possível, alocar um canal de uso comum para a fonte apenas quanto ela está ativa, economizando em número de canais. O feixe de canais de uso comum pode ser bem menor que o feixe de canais entrantes. Apenas quando um certo canal fica ativo é preciso efetuar a sua conexão com um dos canais comuns. Podíamos incluir aqui o conceito de Estação de Telecomunicações que, segundo a LGT, consiste no conjunto de equipamentos ou aparelhos, dispositivos e demais meios necessários à realização de telecomunicação, seus acessórios e periféricos e, quando necessário, as instalações que os obrigam e complementam, inclusive terminais portáteis. 19

20 TÓPICO 3 Operação da Rede Objetivos do tópico: Esclarecer os princípios de operação de uma rede de telecomunicações. Com relação à operação existe uma enorme variedade, não apenas de serviço para serviço, como ainda, dentro de um mesmo serviço pode apresentar várias modalidades. Contudo podemos reconhecer a existência de dois aspectos essenciais: a- o estabelecimento das condições de acesso na rede, de um ponto a outro, na comunicação desejada; b- o controle de fluxo de sinais pela rede, de modo a garantir que os sinais possam ser escoados e não sejam perdidos nem superpostos com outros. No que se refere ao estabelecimento das condições de acesso, é evidente que o acesso só será possível se a topologia garantir conectividade, isto é, se for possível achar um caminho que saindo de um nó terminal chegue até o outro nó terminal, passando por enlaces e nós disponíveis na rede. Entretanto, mesmo que exista um caminho factível na topologia, a conexão só será possível se a ligação for permitida na rede. Há ainda outros dois pontos que devemos considerar. Primeiro, uma vez que a rede terá vários terminais ligados a ela, ou seja é preciso haver uma identificação precisa para individualizar os pontos de origem e destino da comunicação. O esquema usualmente adotado neste sentido é o de adoção de um código numérico ou alfanumérico de identificação. E segundo, é que pode haver mais de um caminho possível na rede e é preciso selecionar um deles para efetuar a conexão. Geralmente se adota um algoritmo de economicidade, buscando, por exemplo, o caminho mais curto disponível. Este procedimento de seleção é referido como encaminhamento ou roteamento pela rede. Supondo o possível acesso, é preciso estar atento para quando existe apenas uma fonte emissora de sinais, ou quando cada fonte possui um canal específico (conseguido por separação no espaço, separação em frequência ou separação no tempo) nestes casos a questão é trivial, porque estas fontes podem enviar seu sinal quando desejarem. Mas um problema surge quando um mesmo canal for compartilhado por mais de uma fonte. Neste caso é necessário estabelecer uma disciplina operacional para que apenas uma fonte use, de cada vez, o canal de uso comum. Há então duas filosofias gerais a serem adotadas neste caso. 20

21 AULA 5 Serviços em Telecomunicações I Objetivos Apresentar os principais tipos de serviços em telecomunicações. Indicar os principais elementos constituintes destes serviços. Descrever o princípio de funcionamento de cada um deles. TÓPICO 1 Rede Telefônica Pública Comutada Objetivos do tópico: Apresentar a estrutura básica da rede telefônica. Descrever o seu processo de funcionamento. Numa rede telefônica convencional o equipamento terminal é essencialmente o telefone. As vias de transmissão incluem o meio de transmissão (cabos de pares trançados, fibra óptica, ondas hertzianas, etc.) e os repetidores. O equipamento de comutação é constituído pelos comutadores digitais localizados nas centrais de comutação telefônica. Estrutura geral A estrutura mais simples que é possível conceber para uma rede telefônica comutada está representada na Figura acima e consiste numa central de comutação telefônica diretamente ligada ao equipamento terminal dos usuários através de uma linha telefônica (central local) de acordo com uma topologia física em estrela. Quando a área coberta pela rede em estrela e o número de usuários por ela servidos cresce, o preço da linha telefônica aumenta. Então, torna-se mais econômico dividir essa rede em várias redes de pequenas dimensões, cada uma delas servida pela sua própria central de comutação telefônica. Nesse caso, o comprimento médio da linha de 21

22 assinante decresce, diminuindo o seu custo total, mas em contrapartida o custo associado à comutação aumenta. Numa área servida por diferentes centrais locais, os usuários de uma central terão certamente necessidade de comunicar com os usuários de outras centrais. É, assim, necessário estabelecer ligações, ou junções, entre as diferentes centrais, formando-se a rede de junção. Se as junções são estabelecidas entre todas as centrais locais, tem-se uma rede de junção com conexão total baseada numa topologia física em malha. Porém, uma rede em malha neste nível da rede pode não ser econômica, sendo preferível em muitos casos ligar as centrais entre si através de um centro de comutação central, designado por central tandem (Figura 1.13). Note-se que, a presença desta central introduz uma estrutura hierárquica na rede. Na prática, junções diretas entre centrais são economicamente justificáveis, quando se tem um grande fluxo de tráfego, ou quando as distâncias são curtas. Inversamente, quando o tráfego é reduzido e as distâncias são grandes é preferível o encaminhamento indireto através de uma central tandem. Os usuários da rede, para além das ligações locais, necessitam de comunicar com outros usuários localizados em diferentes áreas de um país. As diferentes áreas estão ligadas entre si por circuitos de longa distância, que constituem a rede de núcleo, também designada na gíria telefônica por rede de troncos ou de longa distância. Tal, como não é econômico as centrais locais estarem todas ligadas entre si, também não é muitas vezes econômico ter as centrais de longa distância totalmente interligadas. Assim, surgem os centros de trânsito, para encaminhar o tráfego entre as diferentes áreas, fazendo com que uma rede telefônica nacional apresente uma estrutura hierárquica, como se exemplifica na Figura Em termos de topologia, essa rede apresenta uma topologia em árvore não pura, já que, quando se sobe na hierarquia aumenta, o número de ligações entre centrais do mesmo nível hierárquico. Um centro de trânsito primário constitui a interface entre a rede de junção e a rede de núcleo. Cada central local está ligada a um centro primário, seja diretamente, seja através de uma central de junção tandem. Um centro primário constitui a primeira camada da rede de núcleo, sendo o número de camadas adicionais dependente da dimensão do país. A Figura 1.14 mostra uma rede de núcleo constituída por duas camadas. Neste caso, a camada mais elevada é a 22

23 segunda, sendo caracterizada por uma topologia em malha, com cada centro de comutação telefônica ligado diretamente à central internacional do país. Em síntese, uma rede telefônica nacional é baseada numa estrutura hierárquica constituída pela interligação das seguintes redes: 1) Rede privada de usuário. Consiste numa rede dentro das instalações do usuário e pode ser, por exemplo, constituída por várias linhas telefônicas, ligando equipamento terminal a uma central PPCA. 2) Rede de acesso ou local, que é responsável por ligar os telefones ou PPCAs dos assinantes à central local. Embora não representados na Figura 1.14 a rede de acesso pode também incluir concentradores, como se irá ver posteriormente. 3) Rede de junção, que interliga um grupo de centrais locais e ligando-as por sua vez ao centro de trânsito primário. 4) Rede de núcleo ou rede de troncos, que interliga os centros de trânsito 8 através do país. Note-se que, segundo a terminologia da ITU-T a rede local é constituída pelo conjunto da rede de acesso e rede de junção. Na generalidade dos casos, usa-se no âmbito desta disciplina a definição de rede local apresentada no ponto 2. O acesso às redes telefônicas é constituída pela infraestrutura de cobre que liga o telefone dos usuários às centrais locais, fazendo com que a rede telefônica seja conhecida, particularmente nos meios jornalísticos, pela designação algo imprópria de rede de cobre. A infraestrutura de cobre é implementada recorrendo a fios de cobre isolados e entrelaçados designados por pares trançados. As enormes limitações dos pares trançados, nomeadamente a sua largura de banda muito reduzida e a enorme susceptibilidade às interferências, têm levado os engenheiros de telecomunicações a explorar outras soluções, sobretudo quando está em causa o acesso de banda larga. A solução mais sólida é sem dúvida a que faz uso da fibra óptica, sendo de referir entre outras as seguintes alternativas: ligação em fibra óptica entre a central local e um armário exterior, ligando em seguida o armário às instalações do usuário através da par trançado 23

24 (fibra até ao quarteirão); ligar a fibra diretamente até às instalações do usuário (fibra até casa). Ainda que a primeira solução seja uma alternativa mais apropriada para implementação a curto prazo, faz-se notar que vários países a apostar na última solução que é sem dúvida a mais arrojada. Uma outra singularidade das redes de acesso reside no fato de usar transmissão a dois fios, ou seja nas comunicações aí estabelecidas o sinal telefônico transmitido e o recebido partilharem a mesma linha telefônica. Na transmissão de dados (por exemplo em ADSL) tal situação coloca problemas graves, sendo necessário usar técnicas de duplexagem para separar os dois sentidos de transmissão. Outro problema prende-se com a amplificação e regeneração dos sinais. Os amplificadores e regeneradores bidirecionais não são soluções práticas. Assim, nos casos em que é necessário processar o sinal durante a transmissão é necessário separar fisicamente os dois sentidos de comunicação - transmissão a quatro-fios. É esse o caso da transmissão nas componentes de metro, de núcleo e internacionais das redes de telecomunicações. Será ainda de referir que os comutadores digitais das centrais de comutação também exigem uma transmissão a quatro fios. A conversão de uma transmissão de dois para quatro fios ou vice-versa é feita usando um dispositivo designado por híbrido. TÓPICO 1 Rede Digital Integrada Objetivos do tópico: Apresentar a estrutura básica da rede digital integrada. Descrever o seu processo de funcionamento. Uma Rede Digital Integrada (RDI) é definida como sendo uma rede na qual todas as centrais de comutação são digitais e o tráfego nas junções e nos troncos é transportado em sistemas de transmissão digital. Além disso, a sinalização entre as centrais, que como se viu é da responsabilidade do plano de controle, é assumida como sendo do tipo canal-comum, como é o caso do Sistema de Sinalização nº7. Dentro da RDI todos os canais de tráfego são em formato digital (PCM), sendo, por conseguinte, a conversão analógico-digital requerida somente nas suas fronteiras, que geralmente se situam na entrada das centrais locais (ver Figura 1.16). O passo seguinte de evolução consiste em proporcionar transmissão digital até ao usuário e neste caso, somos levados às Redes Digitais com Integração de Serviços (RDIS), que serão analisadas posteriormente. Outro aspecto, digno de realce nestas redes é que a comutação digital é sempre feita a quatro fios, de modo que, todos os circuitos dentro da RDI são circuitos a quatro fios. A qualidade de transmissão de uma RDI apresenta os seguintes atributos: As perdas de transmissão são independentes do número de troços e centrais presentes numa ligação; As ligações apresentam um nível mais baixo de ruído do que as analógicas 24

25 correspondentes; As ligações são mais estáveis do que nas redes analógicas a dois fios. O primeiro atributo é particularmente importante para um operador de telecomunicações, pois garante que as perdas de transmissão nas fronteiras da RDI se mantêm constantes para todos os tipos de ligações, ou seja, é possível garantir uniformidade no desempenho, o que era difícil de satisfazer no caso analógico. As perdas de transmissão são agora escolhidas de modo a garantir um equivalente de referência apropriado e simultaneamente satisfazer os requisitos impostos pela estabilidade e ecos. Um valor típico para essas perdas é, por exemplo, 6 db. 25

26 AULA 6 Serviços em Telecomunicações II Objetivos Apresentar os principais tipos de serviços em telecomunicações. Indicar os principais elementos constituintes destes serviços. Descrever o princípio de funcionamento de cada um deles. TÓPICO 1 Rede Digital com Integração de Serviços Objetivos do tópico: Apresentar a estrutura básica da rede digital com integração de serviços. Descrever o seu processo de funcionamento. A Rede Digital com Integração de Serviços (RDIS) 10 resulta da evolução natural da rede telefônica. A rede telefônica foi projetada simplesmente para tráfego de voz sobre linhas analógicas, mas na década de cinquenta foi introduzido o modem para transportar dados sobre essa infraestrutura. Contudo, devido às limitações das velocidades de transmissão e qualidade dos modems, os operadores de telecomunicações criaram uma rede digital alternativa à rede de voz, para suportar a transmissão de dados com maior velocidade e melhor qualidade, a rede pública de dados. A RDIS surge como tentativa de integrar todas as redes públicas (telefônica, dados, etc.) numa única rede, com um acesso único ao assinante. Assim, o usuário pode através de uma única linha de assinante ter acesso a uma grande diversidade de serviços, como voz, dados, imagem, texto, etc., com uma característica fundamental, que é a de todos serem digitais. A evolução para a RDIS só é possível com a digitalização da linha de assinante (ou enlace de assinante), o que permitiu eliminar o fosso analógico existente nas redes RDI. Na linha digital de assinante continua-se a usar a linha telefônica a 2 fios (pares trançados), requerendo, contudo, um grande esforço de processamento de sinal, para garantir nessas linhas uma transmissão digital com qualidade. Uma rede RDIS tem possibilidade de oferecer dois tipos de acessos: acesso básico e acesso primário. O primeiro tipo coloca à disposição do usuário dois canais para transmissão de voz a 64 kb/s e um canal para dados a 16 kb/s, totalizando um débito de 144 kb/s. O acesso básico por sua vez disponibiliza 30 canais de voz com o mesmo débito e um canal de dados a 64 kb/s perfazendo cerca de 2 Mb/s. Como os débitos oferecidos pelo RDIS são relativamente modestos a ITU-T avançou com o conceito de RDIS de banda larga e publicou uma série de normas no sentido de dar substância a esse conceito. Com esta evolução a RDIS passaria a ter também capacidade para suportar serviços de vídeo e de transmissão de dados a alta velocidade, para além dos serviços RDIS tradicionais e o acesso do usuário à rede seria efetivado a débitos de várias dezenas de Mb/s. A implementação do RDIS de banda larga implicava a 26

27 implementação de um novo paradigma de transferência de informação, designado por ATM (Asynchronous Transfer Mode). Fundamentalmente, o ATM é um protocolo de comutação rápida, que foi concebido no sentido do mesmo comutador ter capacidade para comutar todos os tipos de serviço oferecidos pela rede. Esta capacidade de integrar a comutação de todos os serviços num único elemento de rede representou um salto muito significativo relativamente à filosofia de comutação subjacente ao RDIS tradicional, onde é necessário ter um comutador digital de circuitos para os sinais de voz e um comutador de pacotes para o tráfego de dados. Devido aos elevados custos, o RDIS de banda larga nunca viu a luz do dia, mas ficou a tecnologia ATM, que foi adoptada pela indústria de telecomunicações como uma boa solução para a comutação de dados a muito alta velocidade. TÓPICO 2 Rede de Dados pública Objetivos do tópico: Apresentar a estrutura básica da rede de dados pública. Descrever o seu processo de funcionamento. Uma rede de dados é uma rede que permite a troca de informação digital entre computadores, terminais e outros dispositivos processadores de informação, usando diferentes ligações e nós. Como já foi referido, a rede de dados pode-se segmentar em três grupos: LAN que é uma rede localizada numa área geográfica limitada (edifício ou campus) e geralmente pertencente a uma única organização; MAN é uma rede cujos pontos de acesso se localizam numa área metropolitana; WAN pode estender-se por várias cidades e mesmo países. A rede telefônica, cujos traços gerais já foram analisados, não é apropriada para a transmissão interativa de dados, pois esta é projetada para fornecer serviços com maior duração e com frequências de pedidos de acesso à rede menor. Nem os elementos de controle nos comutadores, nem a capacidade dos canais são capazes de acomodar pedidos com muita frequência para mensagens muito curtas. Surgiu, assim, a necessidade de projetar uma rede com uma filosofia de operação claramente distinta da das redes telefônicas. A tecnologia de encaminhamento base escolhida para essas redes foi a comutação de pacotes. A Figura 1.17 ilustra o funcionamento de uma rede baseada na comutação de pacotes. Cada mensagem na fonte é dividida em pequenas unidades designadas por pacotes, para transmissão através da rede. Esses pacotes, também designados por datagramas, para além da informação propriamente dita incluem um cabeçalho, com informação do endereço do destinatário, da fonte, o número do próprio datagrama e outra informação de controle. 27

28 Os datagramas pertencentes a uma determinada mensagem são enviados pela rede independentemente, podendo seguir percursos diferentes até ao seu destino, onde são agregados de modo a originar a mensagem inicial. Neste tipo de comunicação não é necessário estabelecer uma ligação prévia com o destinatário, pois o cabeçalho contém o endereço do destino final e cada nó, através da leitura desse cabeçalho, está em condições de definir o trajeto a seguir. Este tipo de ligação designa-se por connectionless. Este tipo de rede permite garantir um nível de segurança bastante elevado, na medida em que qualquer intruso na rede somente consegue obter fragmentos da mensagem transmitida. Além disso, nesta rede não existe um ponto de falha único, porque se um nó, ou uma ligação falham, ou são sabotados, existem sempre ligações e nós alternativos. Além disso, o controle deste tipo de rede é distribuído por vários nós, não havendo uma estrutura hierárquica como nas redes telefônicas. Foram estas vantagens que levaram à implementação em 1967 nos Estados Unidos de uma rede de dados baseada nestes princípios, designada por ARPANET (Advanced Research Projects Agency NETwork), a qual evoluiu para uma rede à escala mundial, ou seja a Internet. O protocolo IP (Internet Protocol) é baseado nessa filosofia de interligação fazendo com que as redes IP não estejam em condições de garantir um serviço com uma qualidade pré-definida em termos de atraso, erros ou débito. Esses serviços designam-se por isso serviços ao melhor esforço (best-effort), indicando que a rede tentará fazer o melhor que pode. As redes de dados públicas como foram concebidas no início usavam, contudo, um conceito um pouco diferente daquele que foi exposto. Nestas redes, antes de se iniciar a transmissão da mensagem, tinha-se uma fase inicial para estabelecer uma ligação lógica com o destinatário. Assim, o primeiro pacote que é enviado é responsável por estabelecer uma ligação lógica através da rede, designada por circuito virtual e todos os pacotes correspondentes à mensagem seguem por essa ligação 12. Este processo tem algumas semelhanças com aquilo que acontece com a comutação de circuitos nas redes telefônicas, mas há uma diferença fundamental: No caso do circuito virtual a ligação não é dedicada, ou seja diferentes circuitos virtuais podem partilhar a mesma ligação. Para que isso seja possível os pacotes recebidos estão sujeitos a um processo de armazenamento/expedição em cada nó. Neste caso, o cabeçalho do pacote necessita de conter a identificação do circuito virtual e em cada nó não é necessário tomar decisões sobre o encaminhamento da informação, como acontecia nas ligações com datagramas. Esta simplificação permite às redes com circuitos virtuais escoar tráfego com débitos mais elevados e com maior 28

29 rapidez do que as redes com datagramas. Perde-se, no entanto, a segurança, flexibilidade e confiabilidade associadas à tecnologia dos datagramas. Em síntese, pode dizer-se que a comutação baseada em circuitos virtuais é mais adequada para transmissões longas e com débitos elevados, enquanto a comutação com datagramas é preferível para transmissão de dados de curta duração. O paradigma de comutação ATM também é baseado em circuitos virtuais. A diferença essencial é que, na comutação de pacotes, os pacotes têm dimensão variável, enquanto no ATM têm valor fixo e uma dimensão muito inferior. Para vincar essa diferença, nas redes ATM usa-se a designação de célula em vez de pacote. Uma célula é constituída por 53 bytes, sendo 5 usados para cabeçalho e os restantes para informação. A importância cada vez maior do protocolo IP associada à massificação da Internet e a necessidade de usar este protocolo para suportar serviços diferentes do serviço de dados, como, por exemplo, a voz e o vídeo levou ao desenvolvimento de estratégias apropriadas para também ser possível garantir qualidades de serviço pré-determinadas nas redes IP. O protocolo MPLS (Multiprotocol Label Switching) vem exatamente nesse sentido. A base deste protocolo consiste em canalizar todos os pacotes com o mesmo destino através de uma espécie de túnel virtual associando-lhe uma etiqueta (label). O encaminhamemto nas redes MPLS é feito unicamente através da identificação da etiqueta, permitindo aumentar significativamente a rapidez de comutação e consequentemente reduzir o atraso do pacote na rede. 29

30 AULA 7 Serviços em Telecomunicações III Objetivos Apresentar os principais tipos de serviços em telecomunicações. Indicar os principais elementos constituintes destes serviços. Descrever o princípio de funcionamento de cada um deles. TÓPICO 1 Redes Híbridas fibra-coaxial Objetivos do tópico: Apresentar a estrutura básica das redes híbridas fibra-coaxial. Descrever o seu processo de funcionamento. As redes de distribuição de televisão por cabo ou CATV (CAble TV) são caracterizadas por usarem uma infraestrutura em fibra óptica para servir núcleos (células) de algumas centenas de usuários (200 a 1000), seguida de uma rede em cabo coaxial até às instalações do usuário (ver Figura 1.19). Por essa razão são designadas por redes híbridas fibra-coaxial, embora muitas vezes apareçam referidas na imprensa não especializada simplesmente pela designação de redes de cabo. Estas redes foram, inicialmente, projetadas para oferecer serviços distributivos analógicos (televisão), tendo evoluído posteriormente de modo a oferecerem também serviços distributivos digitais e serviços interativos como é o caso do acesso à Internet. Na sua componente distributiva o servidor situado na cabeça da rede distribui através da rede vários canais de televisão usando multiplexagem por divisão na frequência. Cada usuário tem por essa razão acesso a todos os canais e escolhe o canal desejado através da simples sintonização do televisor. 13 No caso da televisão analógica cada canal da televisão vai modular uma portadora de radiofrequência usando modulação AM-VSB e no caso da vertente digital usase modulação PSK ou QAM. A atribuição espectral típica dos diferentes serviços numa rede híbrida fibra-coaxial está representada na Figura Os canais de televisão fazem uso da chamada banda direta situada entre os 111 e 750 MHz, embora essa banda nas redes mais modernas possa ir até 1 GHz. A parte superior da banda (entre os 550 e 750 MHz) é reservada para os canais de televisão digitais, ou como canal descendente, entre a cabeça da rede e o usuário, para os serviços interativos. A banda de radiofrequência típica reservada para cada canal analógico é de 8 MHz, sendo que a largura de banda de vídeo nominal é de 5 MHz. A via de retorno, situada entre os 5 e 65 MHz, funciona como canal ascendente para comunicação entre os clientes e a cabeça da rede e desempenha um papel importante na implementação dos serviços interativos. 30

31 A existência de uma banda de retorno com uma gama deveras limitada (60 MHz) é uma das principais limitações das redes híbridas e irá ser um condicionante importante na utilização dessas redes como plataformas de acesso de banda larga no futuro. Como o meio é partilhado, o número de usuários ativos em cada célula vai influenciar diretamente o débito que cada um deles pode usufruir. Para conseguir aumentos significativos nesses débitos será necessário reduzir o número de assinantes por célula, o que implica aproximar a fibra óptica do usuário. Essa estratégia irá conduzir à eliminação de toda a componente de amplificação de rádio-frequência 14 dessas redes e à transformação da rede coaxial numa rede totalmente passiva. Para analisar com mais detalhe a estrutura de uma rede híbrida concentremo-nos na Figura Nessa figura a ligação entre a cabeça de rede e o nó de acesso é realizada por uma simples fibra óptica. Numa rede real essa ligação é muito mais complexa e pode conter vários níveis hierárquicos, sendo realizada pela rede da camada de transporte. A parte coaxial (rede coaxial) corresponde à componente de acesso da rede híbrida. Essa componente inicia-se no nó de acesso óptico onde tem lugar a conversão do sinal do domínio óptico para o domínio elétrico e no caso das redes com capacidade para suportar serviços interativos (bidirecionais) também do domínio elétrico para o óptico. 31

32 A rede coaxial tem uma topologia física em árvore. A repartição dos sinais de radiofrequência pode ser feita através dos amplificadores de tronco ou a partir de repartidores passivos. Para além desses amplificadores, tem-se ainda os amplificadores de linha que são usados para compensar a atenuação do cabo coaxial e dos repartidores passivos. Será de notar que ambos os tipos de amplificadores terão de ser bidirecionais, para assegurar serviços interativos nessas redes. TÓPICO 2 Redes Celulares Objetivos do tópico: Apresentar a estrutura básica das redes celulares. Descrever o seu processo de funcionamento. O conceito básico subjacente às comunicações celulares consiste em dividir as regiões densamente povoadas em várias regiões de pequena dimensão, designadas por células. Cada célula tem uma estação base que proporciona uma cobertura via rádio a toda a célula. Como se mostra na Figura 1.20 cada estação base está ligada a uma central de comutação de móveis, designada por MSC (Mobile Switching Centre). Os componentes básicos da rede são, assim, os telefones móveis, as estações de base e os MSC. Cada MSC controla todas as chamadas móveis entre as células de uma determinada área e a central local. A estação de base está equipada para transmitir, receber e encaminhar as chamadas para, ou de, qualquer unidade móvel dentro da célula para o MSC. A célula compreende uma área reduzida (geralmente poucos quilômetros quadrados), o que permite reduzir a potência emitida pela estação de base até um nível em que a interferência nas células vizinhas é negligenciável. Tal permite que a mesma radiofrequência seja usada para diferentes conversações em diferentes células, sem existir o perigo de interferência mútua. 32

33 OPERAÇÃO Cada célula tem disponíveís vários rádiocanais para tráfego de voz e um, ou mais, para sinalização de controle. Quando o telefone móvel é ligado, o seu microprocessador analisa o nível de sinal dos diferentes canais de controle pertencentes a uma mesma MSC, e sintoniza o seu receptor para o canal com o nível mais elevado. Esta operação designa- se por auto-localização, e permite estabelecer um enlace entre a unidade móvel e a estação de base, que será mantido enquanto o telefone estiver ligado. Periodicamente, o nível de sinal dos diferentes canais de controle continua a ser analisado, garantindo-se, assim, o estabelecimento de enlaces com outras estações base, na eventualidade da unidade móvel se deslocar para outras células. Outra operação associada ao estabelecimento de uma ligação é o registo de presença. No início da ligação e posteriormente, em intervalos regulares, o telefone móvel envia informação da sua presença para a MSC mais próxima. Essa informação é armazenada numa base de dados e permite à MSC ter uma ideia aproximada da localização do móvel. Quando a unidade móvel pretende realizar uma chamada, transmite o número do destinatário para a estação base, usando o canal de controle. A estação base envia então essa informação para o MSC, juntamente com seu número de identificação. Imediatamente, o MSC atribui um radiocanal de voz bidirecional para o estabelecimento da ligação entre o telefone móvel e a estação base. Depois de receber esta informação, o microprocessador do telefone móvel ajusta o sintetizador de frequência para emitir e receber nas frequências atribuídas. Logo que o MSC detecta a presença da portadora da unidade móvel no canal desejado, a chamada ou é processada pelo próprio MSC, ou é enviada para a central local para aí ser processada. Uma função importante da MSC consiste em localizar o destinatário, no caso em que este é um móvel. A função de localização está associada ao paging. Depois de localizado, o sinal de chamada pode em seguida ser ouvido no telefone móvel do destinatário. Quando a estação base de uma determinada célula detecta que a potência do sinal emitido por uma determinada unidade móvel desce abaixo de um determinado nível, sugere à MSC para atribuir o comando dessa unidade a outra estação base. A MSC, para localizar o móvel, pede às celulas vizinhas informação sobre a potência do sinal por ele emitido, sendo atribuído o comando do móvel à estação base que reportar um nível de sinal mais elevado. Um novo canal de voz é atribuído a essa unidade móvel pelo MSC, sendo a chamada transferida automaticamente para esse novo canal. Este processo designa-se por handoff e dura cerca de 200 ms, o que não é suficiente para afetar uma comunicação de voz. 33

34 AULA 8 Serviços em Telecomunicações IV Objetivos Apresentar os principais tipos de serviços em telecomunicações. Indicar os principais elementos constituintes destes serviços. Descrever o princípio de funcionamento de cada um deles. TÓPICO 1 Sistemas de Transmissão via Rádio Objetivos do tópico: Apresentar a estrutura básica das redes de transmissão via rádio. Descrever o seu processo de funcionamento. A Fig. 09 apresenta a configuração básica da ligação entre duas localidades feita por meio de um sistema rádio, onde está indicada como é realizada a conexão entre a Estação Multiplex e a Estação Rádio. A Estação Rádio é composta basicamente por um transmissor e um receptor, chamado transceptor, por um modulador e um demodulador, chamado MODEM, e pelas antenas de transmissão e recepção. Um transmissor de rádio pode ser encarado como um elemento que provoca continuamente, através de uma antena; uma perturbação eletromagnética, de forma localizada, que se propaga no espaço, em todas as direções, atenuando-se com a distância. Uma antena receptora pode sentir estas perturbações e, se estiver ligada a um equipamento conveniente (receptor), haverá recepção dos sinais daquele transmissor. 34

35 Vejamos como o sinal multiplex, que neste caso é a informação que desejamos enviar, é processado pelo rádio. Inicialmente, quando o transmissor é colocado em funcionamento, envia para o espaço ondas eletromagnéticas de frequência fixa, fazendo com que um receptor sintonizado nesta frequência, apenas saiba que o transmissor está no ar. No entanto, se variarmos uma característica da onda gerada pelo transmissor, na recepção é possível detectar estas variações impressas na onda original. Esta onda original é chamada de portadora ou rádio-frequência e serve apenas para estabelecer o contato, através do espaço, entre o transmissor e o receptor. O sinal que representa a informação e que variará uma característica da onda portadora, se chama onda moduladora, que será o nosso sinal mux. Ao processo de variação de uma característica da onda portadora de acordo com o sinal elétrico da informação, chamamos de modulação. A variação da amplitude da onda portadora constitui o método denominado modulação em amplitude (AM) e, para a variação da frequência da onda portadora, teremos a modulação em frequência (FM). Do lado da transmissão, o equipamento que produz a modulação chama-se modulador e normalmente está junto ao transmissor. Do lado da recepção, o equipamento que sente as variações da portadora e recupera a informação chama-se demodulador, estando normalmente junto do receptor. Deste modo, na localidade A, ao enviarmos o sinal multiplex para a Estação Rádio, esta informação é processada pelo modulador-transmissor, fazendo com que tenhamos uma onda portadora modulada na antena transmissora. Esta onda é captada pela antena receptora da Estação de Rádio da localidade B, sendo processada pelo receptordemodulador, regenerando-se a informação original da localidade de A, que é então entregue ao multiplex de B. A rádiofrequência (onda portadora) utilizada para a transmissão de informação da localidade A para B, chamamos de canal de RF (canal de rádiofrequência). Como este processo é unidirecional, para transmitirmos na direção inversa, isto é, a informação de B para A, será necessário um outro canal de RF. As estações Rádio de A e B são chamadas de estações terminais. Quando existem obstáculos físicos que atrapalham a propagação das ondas no espaço, ou quando este sinal está demasiadamente enfraquecido devido às características de programação, utilizam-se estações intermediárias ao longo das rotas de rádio, chamadas estações receptoras, a fim de regenerar ou retransmitir as ondas. Ao conjunto de estações repetidoras, chamamos de tronco de rádio. É importante observar que num tronco de rádio podemos ter mais de um canal de RF em cada direção. Geralmente, nos sistemas de alta confiabilidade, temos um canal de RF para transmitir as informações, chamado principal, e um outro em paralelo para substituir o principal em caso de falhas chamado de proteção. As ondas eletromagnéticas propagam-se de maneiras diferentes, dependendo da frequência emitida pelo transmissor. Devido a isto, os sistemas rádio são classificados internacionalmente de acordo com as faixas de frequências utilizadas e que estão apresentadas na tabela a seguir, onde são indicados alguns serviços que empregam estes sistemas. Como os sistemas de telecomunicações utilizam principalmente frequências a partir de HF, há interesse no estudo dessas propagações. Vamos então analisar de forma bem 35

36 simples, os princípios básicos de propagações dos sistemas rádio empregados pelo multiplex. E.L.F. - Extremely Low Frequency V.L.F. - Very Low Frequency L.F. - Low Freequency M.F. - Medium Frequency H.C. - High Frequency V.H.F. - Very High Frequency U.H.F.- Ultra High Frequency S.H.F - Super High Frequency E.H.F. - Extremely High Frequency TÓPICO 2 Sistemas de Rádio HF Objetivos do tópico: Apresentar a estrutura básica das redes rádio HF. Descrever o seu processo de funcionamento. 36

37 A Fig.10 apresenta uma antena de rádio HF emitindo ondas esféricas e concêntricas. As partes inferiores das ondas se propagam junto à superfície da Terra (onda terrestre), acompanhando a curvatura desta e perdendo energia rapidamente com a distância, por absorção no terreno. As partes superiores da onda se expandem para o espaço e, numa altura de 80 a 150 km, encontram uma das principais camadas da atmosfera terrestre, chamada ionosfera. Nestas alturas, a atmosfera é tão rarefeita, que as moléculas dos gases estão bem mais afastadas umas das outras do que nas menores alturas. A energia solar, principalmente na forma de raios ultravioletas, incidindo sobre essas moléculas, arrastam seus elétrons, transformando em íons positivos. Desta maneira, nestas alturas formam-se camadas de íons e de elétrons livres, determinando o nome de ionosfera. Dependendo da concentração dos elétrons formados, a ionosfera apresenta índices de refração diferentes das camadas mais baixas, encurvando e mudando de direção as ondas de rádio que nela penetram de baixo para cima. Esta mudança de direção é tal que faz as ondas retornarem para a Terra como se "refletissem" na ionosfera. O fenômeno, na realidade, e de refração ionosférica (por mudança de índice de refração) mas comumente se diz "reflexão ionosférica", quando se refere apenas ao efeito do retorno da onda. Esta onda que retorna é chamada onda celeste; pode se refletir novamente na superfície terrestre, repetindo o fenômeno da refração ionosférica e, através de vários "pulos", atingir grandes distâncias. Este mecanismo de propagação não é confiável nem de boa qualidade porque, sendo a energia solar incidente na alta atmosfera de intensidade variável, os índices de refração na ionosfera são instáveis, fazendo com que a onda celeste tenha também intensidade variável. Quando ocorrem grandes perturbações solares, estas provocam tempestades magnéticas que, atingindo a ionosfera, modificam os índices de refração de tal maneira, 37

38 fazendo com que as ondas não sejam mais refratadas de volta para a Terra. Nesta situação interrompem-se as comunicações. Os sistemas rádio HF utilizadas pelo multiplex possuem uma capacidade máxima de 8 canais telefônicos, sendo empregados para as ligações internacionais de longa distância, sem estações repetidoras. TÓPICO 3 Sistemas de Rádio VHF/UHF Objetivos do tópico: Apresentar a estrutura básica das redes rádio VHF/UHF. Descrever o seu processo de funcionamento. Passando-se a transmissão para frequências mais elevadas, nas faixas de VHF (30 MHz a 300 MHz) e UHF baixa (300 MHz a 900 MHz), a experiência mostra que a ionosfera é transparente a essas frequências, não as refratando mais de volta para a Terra. Além disso, nessas frequências, as ondas de rádio começam a se comportar como ondas de luz, isto é, propagam-se em linha reta, refletem-se em obstáculos, podem ser focalizados por antenas convenientes. Na Fig. 11 está exemplificado o que falamos: a parte das ondas que vai para cima atravessa a ionosfera e se perde no espaço. A parte da onda que se irradia junto a superfície terrestre é útil até o horizonte, ou seja, até uma distância de mais ou menos 80 a 100 do ponto de transmissão. Daí em diante a onda se afasta da Terra, perdendo-se no espaço exterior. Podemos imaginar que a antena transmissora ilumina diretamente a antena receptora que, por sua vez deve estar quase ao alcance visual. Por isso este mecanismo de propagação também se chama em linha de visão ou visada direta. 38

39 Este tipo de transmissão é utilizada em serviço que exige alta confiabilidade a distância menores que em HF, podendo alcançar até 200 km se forem empregadas duas a quatro estações repetidoras. Para distância maiores, a qualidade se deteriora rapidamente. Os sistemas rádio VHF/UHF utilizados pelo multiplex são empregados nas comunicações interurbanas estaduais, tendo média capacidade (12, 24 ou 60 canais). 39

40 AULA 9 Serviços em Telecomunicações V Objetivos Apresentar os principais tipos de serviços em telecomunicações. Indicar os principais elementos constituintes destes serviços. Descrever o princípio de funcionamento de cada um deles. TÓPICO 1 Sistemas de Microondas em visibilidade Objetivos do tópico: Apresentar a estrutura básica das redes de microondas em visibilidade. Descrever o seu processo de funcionamento. Subindo mais ainda a frequência, chegamos na região de microondas (900 MHz a MHz). Nestas frequências as ondas de rádio se comportam praticamente como ondas de luz, podem ser focalizadas como em grandes lanternas e se propagam em linha reta, como mostra a Fig. 12. O rádio transmissor está ligado a antena por um condutor especial, chamado guia de onda, estando fixada, juntamente com o refletor, numa torre. A antena se comporta como a lâmpada de uma lanterna e o refletor focaliza as ondas de rádio para a sua frente. Devido a sua forma o refletor chama-se refletor parabólico ou parábola. As microondas focalizadas pela parábola transmissora incidem diretamente sobre a parábola receptora que, por sua vez, focaliza as ondas no seu ponto central, onde está a antena receptora. Dessa antena as ondas são levadas por um guia de onda até o rádio receptor. Cada antena de microondas com sua respectiva parábola, geralmente, serve para transmitir e/ou receber mais um canal de RF. 40

41 Vemos, portanto, que nenhum obstáculo pode interceptar o feixe de microondas entre duas antenas. Por isso as torres são normalmente colocadas em pontos elevados (morros, edifícios) e estão distanciadas no máximo de 50 a 60 km, ao longo da rota de transmissão, a fim de regenerar o sinal de radiofrequência enfraquecido devido as perdas na propagação. Esta propagação também se denomina visada direta ou radiovisibilidade. Assim, através de repetições sucessivas, o sinal de microondas sai da estação terminal da localidade de destino, conforme mostra a Fig. 13. A este tronco de rádio chamamos, comumente, de tronco de microondas. Os sistemas de rádio-microondas em visibilidade são de alta qualidade e confiabilidade, sendo utilizados pelo multiplex para ligações interurbanas a longa distância, possuindo capacidades típicas de 120, 300, 600, 960, 1800 e 2700 canais telefônicos. TÓPICO 2 Sistemas de Rádio-tropodifusão Objetivos do tópico: Apresentar a estrutura básica das redes rádio-tropodifusão. Descrever o seu processo de funcionamento. Para estender os sistemas de telecomunicação às regiões inóspitas, sem vias de fácil acesso, o que tornaria muito difícil a manutenção das estações repetidoras, utiliza-se um outro sistema de propagação chamado tropodifusão. É também um sistema de microondas mas que não utiliza a visada direta, empregando propriedades da troposfera de difundir as ondas de rádio de alta frequência. A troposfera é uma camada da atmosfera que se situa entre 3 e 12 km de altitude,apresentando não homogeneidades de índices de refração, como se fossem nuvens invisíveis, que fazem um espalhamento em todas as direções de uma onda de rádio incidente nessas frequências. Este espalhamento se dá a uma altura de aproximadamente 10 km. 41

42 Nas alturas próximas a 10 km, a atmosfera já é algo rarefeita e estável, pois não há mais as influências climáticas da baixa atmosfera. Assim, estas "bolhas" de índices de refração diferentes permanecem estáveis e não dependem da energia solar para a sua formação, pois não se tratam de "bolhas ionizadas". Desta forma, o espalhamento troposférico das ondas de rádio é um fenômeno estável, o que possibilita comunicação com boa confiabilidade. O sistema consta, basicamente, de um transmissor na faixa de 1 a 2 GHz de potência elevada, entre 1 e 2 kw, e uma antena parabólica, que pode ser de grades dimensões, apontada para o horizonte na direção em que se deseja a transmissão. O feixe de microondas tangenciando a Terra incide na troposfera, onde é difundido. Uma outra antena receptora de iguais dimensões, situada cerca de 300 km de distâncias, capta este sinal difundido que chega muito fraco ao destino (Fig. 14). O processo é semelhante ao espelhamento da luz de holofotes anti-aéreos que incide nas nuvens, sendo percebida na superfície terrestre. Como o sinal difundido na troposfera chega ao receptor com muito baixa intensidade; esta deficiência limitará a capacidade de canalização desses sistemas, que normalmente é de 120 e no máximo de 300 canais telefônicos. Os sistemas de tropodifusão cobrem grandes distâncias sem necessidade de estações repetidoras (300 a 400 km), sendo empregados principalmente em ligações interurbanas em regiões inóspitas, tal como a Amazônia no Brasil. 42

43 TÓPICO 3 Sistemas de satélite Objetivos do tópico: Apresentar a estrutura básica das redes de satélite. Descrever o seu processo de funcionamento. Para as comunicações transoceânicas de alta confiabilidade e qualidade, são empregados os sistemas de rádio-satélite que são mais econômicos que os cabos submarinos. Estes sistemas utilizam como repetidora um satélite artificial em órbita geoestacionária, isto é, que tem um movimento de translação ao redor da Terra de modo a ter a mesma velocidade angular que o planeta, permanecendo estacionário a km de altura. Isto ocorre porque nesta órbita do satélite e gravidade é equilibrada pela força centrípeta. Neste caso o satélite denomina-se síncrono. Neste satélites são instalados pequenos receptores e transmissores que, basicamente, recebem, ampliam e reenviam os sinais para a Terra, cobrindo praticamente um hemisfério. Como três satélites síncronos, colocados a 120 em relação ao centro da Terra, pode-se cobrir todo o planeta. Os países que se comunicam por este Processo dispõem de estações terminais, chamadas de estações terrenas, que operam em microondas, na faixa de 4 a 6 GHz. Os transmissores são de potência elevada e os receptores são de alta qualidade, possuindo amplificadores especiais (amplificadores paramétricos). As antenas que focalizam as ondas de rádio em feixes muito fino, para concentrar toda a potência devido a distância, normalmente são de grandes dimensões, permanecendo apontadas para os satélites por processos automáticos. Ao receber o sinal de uma das estações terrenas, o satélite amplifica e devolve para a Terra, incidindo em todas as estações terrenas que focalizam este satélite, porém somente o país para o qual se destina a comunicação poderá utilizá-la. Assim, o satélite é uma repetidora de alta qualidade com acesso múltiplo por vários países. TÓPICO 4 Sistemas de Rádio em EHF Objetivos do tópico: Apresentar a estrutura básica das redes rádio em EHF. Descrever o seu processo de funcionamento. Como nessa faixa de frequência a onda de rádio sofre grandes perturbações devidas, principalmente à condições atmosféricas no espaço livre, estes sistemas rádios utilizam como meio de propagação guias de ondas. São condutores especiais e ocos, de diversos tipos de seção reta (circular, elíptica, etc.), que guiam internamente as ondas de rádio. Estes sistemas são de altíssima capacidade ( canais telefônicos) e estão em fase de desenvolvimento. 43

44 AULA 10 Meios de Transmissão I Objetivos Citar os principais meios de transmissão utilizados nas comunicações. Descrever os princípios de transmissão de sinais. Apresentar os modos de operação destes meios de transmissão. TÓPICO 1 Pares Trançados Objetivos do tópico: Descrever os sinais que são transmitidos em pares trançados. Introduzir a estrutura básicas desse meio. Apresentar o funcionamento desse meio. O cabo de par trançado consiste em dois fios de cobre isolados trançados entre si em forma helicoidal. Por ser trançado, o campo magnético gerado por um fio é anulado pelo outro (efeito de cancelamento) reduzindo os ruídos que podem facilmente alterar as propriedades do sinal. A capacidade de transmissão de dados digitais do cabo de par trançado é expressivamente grande, apesar do fato de esse tipo de cabo ter sido inicialmente desenvolvido para tráfego telefônico, que é analógico. Esses cabos podem estender a quilômetros sem amplificação podendo ou não ter repetidores de acordo com a necessidade transmitindo dados tanto de forma analógica como digital. As taxas de transmissão podem variar muito, pois as mesmas dependem do comprimento e da qualidade do cabo utilizado, assim como a tecnologia de transmissão adotada. Essas taxas diminuem à medida que o comprimento aumenta, pois desta forma, ocorre perda de energia por radiação ou calor. Porém, um par trançado consegue transmitir dados na ordem dos Megabits por segundo mesmo em cabos com algumas dezenas de metros de comprimento. São classificados de acordo com a blindagem: STP - Shielded Twisted Pair: com blindagem interna envolvendo cada par trançado e uma global minimizando interferências externas. Devido à blindagem ocorre perda de sinal. Pode alcançar uma largura de banda de 300 MHz em 100 metros de cabo. Possui a vantagem de transportar dados utilizando uma sinalização muito rápida com poucas chances de distorção; 44

45 UTP - Unshielded Twisted Pair: sem blindagem. Tem como vantagem ser flexível e reduzida espessura. Transportam dados a 100 Mbit/s. Pode-se utilizar com três principais arquiteturas de rede (ARCnet, Ethernet e token-ring). Par trançado sem blindagem (UTP) É composto por pares de fios sendo que cada par é isolado um do outro e todos são trançados juntos dentro de uma cobertura externa. Não havendo blindagem física interna, sua proteção é encontrada através do "efeito de cancelamento", onde mutuamente reduz a interferência eletromagnética de radiofrequência. Uma grande vantagem é a flexibilidade e espessura dos cabos. O UTP não preenche os dutos de fiação com tanta rapidez como os outros cabos. Isso aumenta o número de conexões possíveis sem diminuir seriamente o espaço útil. Os cabos UTP's são divididos em categorias, levando em conta o nível de segurança e a bitola do fio, onde os números maiores indicam fios com diâmetros menores Categorias dos cabos de par trançado Das categorias citadas, duas se destacaram em redes de computadores: 45

46 CAT-3 - Os pares trançados da 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. Até 1988, a maioria dos prédios tenha um cabo da categoria 3 ligando cada um dos escritórios a um gabinete de fiação em cada andar. Esse esquema permitia que até quatro telefones normais ou dois telefones multilinha de cada escritório fossem conectados ao equipamento da companhia telefônica instalado no gabinete de fiação. CAT-5- Em 1988 forma lançados os pares trançados da categoria 5. Esses cabos eram similares aos cabos da 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; isso os tornou ideais para a comunicação de computadores de alta velocidade. Vantagens: 1. Tecnologias e padrões estão estáveis para comunicações de voz; 2. Sistema telefônico, que usa transmissão por par trançado, estão presentes na maioria das construções, e normalmente pares estão disponíveis para conexões em rede; 3. Diâmetro reduzido; 4. Baixo custo de instalação e manutenção; 5. Fácil manuseio. Desvantagens: 1. Baixa imunidade à ruídos, principalmente para cabos desprotegidos; 2. Limitação quanto à distância máxima empregada; 3. Necessita usar hubs (concentradores). Par trançado blindado (STP) Possui uma blindagem interna envolvendo cada par trançado que compõe o cabo, cujo objetivo é reduzir a diafonia. Um cabo STP geralmente possui 2 pares trançados blindados, uma impedância característica de 150 Ohms e pode alcançar uma largura de banda de 300 MHz em 100 metros de cabo. Utiliza uma classificação definida pela IBM, baseada em diferentes características de alguns parâmetros, como diâmetro do condutor e material utilizado na blindagem, sendo ela: 1, 1A, 2, 2A, 6, 6A, 9, 9A. 46

47 Vantagens: Desvantagens: Alta taxa de sinalização; Pouca distorção do sinal. A blindagem causa uma perda de sinal que torna necessário um espaçamento maior entre os pares de fio e a blindagem; isso ocasiona um maior volume de blindagem e isolamento, aumentando consideravelmente o tamanho, o peso e o custo do cabo. Aplicações dos cabos de par trançado A utilização mais comum do cabo de par trançado é o sistema telefônico e atualmente as redes de computadores. O sinal pode ser transmitido através do cabo de par trançado por vários quilômetros sem amplificação, mas para distâncias mais longas, repetidores são necessários. Quando muitos cabos de par trançado são colocados em paralelo por uma substancial distância, tais como os fios que chegam a um apartamento vindos da companhia telefônica, eles são reunidos em forma de cabo e protegidos por uma capa normalmente plástica. Os pares dentro deste cabo interfeririam uns nos outros se não estivessem trançados Diversos fatores interferem na qualidade dessas linhas de transmissão quer seja para a transmissão de voz ou dados. A qualidade da linha de transmissão depende: 1. Da qualidade dos condutores (resistência, reatância, impedância); 2. Bitola ou espessura dos fios; 47

48 3. Técnicas utilizadas; 4. Proteção dos componentes para evitar a indução dos condutores; 5. Radiação; 6. Dissipação. 48

49 AULA 11 Meios de Transmissão II Objetivos Citar os principais meios de transmissão utilizados nas comunicações. Descrever os princípios de transmissão de sinais. Apresentar os modos de operação destes meios de transmissão. TÓPICO 1 Cabo Coaxial Objetivos do tópico: Descrever os sinais que são transmitidos em cabo coaxial. Introduzir a estrutura básicas desse meio. Apresentar o funcionamento desse meio. Consiste num fio de cobre rígido que forma o núcleo, envolto por um material isolante que, por sua vez, é envolto em um condutor cilíndrico, freqüentemente na forma de uma malha entrelaçada. O condutor externo é coberto por uma capa plástica protetora, que o protege contra o fenômeno da indução, causada por interferências elétricas ou magnéticas. Além de sua utilização em redes locais, é muito usado para sinais de televisão, como por exemplo, transmissão de TV a cabo. Muitas empresas também o usam na construção de sistemas de segurança, sistemas de circuitos fechados de TV e outros. O cabo coaxial é mais protegido do que o cabo de par trançado e por isso pode transmitir a maiores distâncias e a velocidades maiores. Dois tipos de cabos coaxiais são utilizados. Um cabo de 50 ohms, é frequentemente usado para transmissão digital. O outro cabo de 75 ohms, é mais usado para transmissão analógica. A construção e proteção do cabo coaxial dão uma boa combinação de largura de banda e excelente imunidade ao ruído. Para distâncias de até um 1 km são permitidas velocidades de até 2 Gbps. Eram muito usados para área de telefonia, porem vem sendo substituídos por fibras óticas. Atualmente são muitos usados na área de TV a cabo. 49

50 Os cabos de 50 ohms foram muito usados em redes nos anos 80 e início dos 90, eles eram basicamente de dois tipos o coaxial fino e o grosso. Coaxial Grosso - usavam conectores do tipo vampiro, também eram chamados de yellow cable; Coaxial Fino - usam os conectores T que são mais comuns e mais baratos, estes tipos de cabos ainda são encontrados em algumas instalações de redes locais. Cabo coaxial grosso Também conhecido como CABO COAXIAL BANDA LARGA ou 10BASE5, é utilizado para transmissão analógica. Possui uma blindagem geralmente de cor amarela. A especificação 10BASE5 refere-se à transmissão de sinais Ethernet utilizando esse tipo de cabo. O 5 informa o tamanho máximo aproximado do cabo como sendo de 500 metros. Esse cabo tem uma cobertura plástica protetora extra que ajuda manter a umidade longe do centro condutor. Isso torna o cabo coaxial grosso uma boa escolha quando se utiliza grandes comprimentos numa rede de barramento linear. Durante a instalação, o cabo não necessita ser cortado pois o conector (vampire tap) o perfura. A impedância utilizada nesta modalidade de transmissão é de 75 Ohms. Seu diâmetro externo é de aproximadamente 0,4 polegadas ou 9,8 mm. O cabo coaxial de 75 ohms é usado para transmissão analógica em sistemas de TV a cabo. Ele é chamado de broadband (banda larga). Embora o termo "broadband" venha do mundo da telefonia, onde se refere a algo maior do que 4 khz, no mundo da rede de computadores "broadband cable" significa algum cabo de rede usado para transmissão analógica. Desde o uso do broadband para redes, os cabos são usados para transmissões de sinal analógico com largura de banda de 300 a 450 MHz a distâncias de até 100 km, que é muito menos crítico que a transmissão de sinais digitais. Para transmitir sinais digitais em uma rede analógica, cada interface deve conter dispositivos eletrônicos para converter o conjunto de bits de saída para um sinal analógico, e o sinal analógico de entrada no conjunto de bits. Vantagens: Comprimento maior que o coaxial fino; É muito utilizado para transmissão de imagens e voz. Desvantagens: Difícil instalação Custo elevado em relação ao cabo coaxial fino. Cabo Coaxial de Banda Base Também conhecido como CABO COAXIAL BANDA BASE ou 10BASE2, é utilizado para transmissão digital, já foi o meio mais largamente empregado em redes locais. O sinal é injetado diretamente no cabo. A topologia mais usual é a topologia em barra. A construção e blindagem do cabo coaxial proporcionam a ele uma boa combinação de alta largura de banda e excelente imunidade a ruído. A largura de banda depende do tamanho do cabo. 50

51 A especificação 10BASE2 refere-se à transmissão de sinais Ethernet utilizando esse tipo de cabo. O 2 informa o tamanho máximo aproximado do cabo como sendo de 200 metros. Na verdade, o comprimento máximo é 185 metros. A impedância utilizada nesta modalidade de transmissão é de 50 Ohms. As taxas variam de 10 a 50 Mbps e o tempo de trânsito de 4 a 8 ns/m. Vantagens: É maleável; Fácil de instalar; Sofre menos reflexões do que o cabo coaxial grosso, possuindo maior imunidade a ruídos eletromagnéticos de baixa frequência. Cuidados na instalação do cabo coaxial É necessário verificar a qualidade dos elementos que constituem o cabeamento: cabos, conectores e terminadores. Esses devem ser de boa qualidade para evitar folgas nos encaixes, o que poderia causar mau funcionamento a toda rede. Os cabos não podem ser tracionados, torcidos, amassados ou dobrados em excesso pois isso pode alterar suas características físicas. Quanto à conectorização, o tipo mais comum de conector usado por cabos coaxiais é o BNC (Bayone-Neill-Concelman). Diferentes tipos de adaptadores estão disponíveis para conectores BNC incluindo conectores T, conectores barril e terminadores. Os conectores são os pontos mais fracos em qualquer rede. 51

52 AULA 12 Meios de Transmissão III Objetivos Citar os principais meios de transmissão utilizados nas comunicações. Descrever os princípios de transmissão de sinais. Apresentar os modos de operação destes meios de transmissão. TÓPICO 1 Fibra Óptica Objetivos do tópico: Descrever os sinais que são transmitidos em fibra óptica. Introduzir a estrutura básicas desse meio. Apresentar o funcionamento desse meio. Uma fibra ótica é constituída de material dielétrico, em geral, sílica ou plástico, em forma cilíndrica, transparente e flexível, de dimensões microscópicas comparáveis às de um fio de cabelo. Esta forma cilíndrica é composta por um núcleo envolto por uma camada de material também dielétrico, chamada casca. Cada um desses elementos possui índices de refração diferentes, fazendo com que a luz percorra o núcleo refletindo na fronteira com a casca. A fibra ótica possui duas camadas com índices de refração diferentes o que faz com que a luz sofra reflexão total quando tenta passar do núcleo para a casca, quando isso acontece, ela é refletida de volta para o núcleo e assim percorre toda a extensão da fibra. 52

53 A fibra ótica utiliza sinais de luz codificados para transmitir os dados, mas como todos os sistemas atuais de computação funcionam a base de elétrons (eletrônica) e não a base de fótons (fotônica) é necessário a conversão do sinal elétrico em luminoso antes da transmissão através da fibra. Isso é feito através de um conversor de sinais elétricos para sinais óticos, um transmissor, um receptor e um conversor de sinais óticos para sinais elétricos. A atenuação das transmissões por fibra óptica não depende da frequência utilizada, portanto a taxa de transmissão é muito mais alta. É totalmente imune a interferências eletromagnéticas, não precisa de aterramento e mantém os pontos que ligam eletricamente isolados um do outro. Entretanto, pode ocorrer dispersão modal se a fibra for multimodo. A transmissão ótica está também sujeita à dispersão espectral ou cromática. A luz que passa na fibra é composta de diferentes frequências e comprimentos de onda. O índice de refração difere para cada comprimento de onda e permite às ondas viajarem a diferentes velocidades. Os LED's, que possuem um grande espalhamento de comprimento de onda, estão sujeitos a uma dispersão de espectro considerável. Os lasers exibem uma luz quase monocromática (número limitado de comprimentos de onda) e não sofre qualquer dispersão cromática significativa. O padrão 10BaseF refere-se à especificação do uso de fibras óticas para sinais Ethernet. O conector mais usado com fibras óticas é o conector ST, similar ao conector BNC. No entanto, um novo tipo está ficando mais conhecido, o conector SC. Ele é quadrado e é mais fácil de usar em espaços pequenos. Vantagens: Perdas de transmissão baixa e banda passante grande: mais dados podem ser enviados sobre distâncias mais longas, desse modo se diminui o número de fios e se reduz o número de repetidores necessários nesta extensão, reduzindo o custo do sistema e complexidade. Pequeno tamanho e peso: vem resolver os problemas de espaço e congestionamento de dutos no subsolo das grandes cidades e em grandes edifícios comerciais. É o meio de transmissão ideal em aviões, navios, satélites, etc. Imunidade a interferências: não sofrem interferências eletromagnéticas, pois são compostas de material dielétrico, e asseguram imunidade a pulsos eletromagnéticos. Isolação elétrica: não há necessidade de se preocupar com aterramento e problemas de interface de equipamento, uma vez que é constituída de vidro ou plástico, que são isolantes elétricos. Segurança do sinal: possui um alto grau de segurança, pois não irradiam significativamente a luz propagada. Matéria-prima abundante: é constituída por sílica, material abundante e não muito caro. Sua despesa aumenta no processo requerido para fazer vidros ultrapuros desse material. Desvantagens: Fragilidade das fibras óticas sem encapsulamento: deve-se tomar cuidado ao se lidar com as fibras, pois elas quebram com facilidade. Dificuldade de conexões das fibras óticas: por ser de pequeníssima dimensão, exigem procedimentos e dispositivos de alta precisão na realização de conexões e junções. Acopladores tipo T com perdas muito grandes: essas perdas dificultam a utilização da fibra ótica em sistemas multiponto. 53

54 Impossibilidade de alimentação remota de repetidores: requer alimentação elétrica independente para cada repetidor, não sendo possível a alimentação remota através do próprio meio de transmissão. Falta de padronização dos componentes ópticos: o contínuo avanço tecnológico e a relativa imaturidade não têm facilitado e estabelecimento de padrões. Alto custo de instalação e manutenção. Aplicações de Fibras Ópticas: Sistemas de comunicação; Rede Telefônica: serviços de tronco de telefonia, interligando centrais de tráfego interurbano e interligação de centrais telefônicas urbanas; Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI): rede local de assinantes, isto é, a rede física interligando os assinantes à central telefônica local. Cabos Submarinos: sistemas de transmissão em cabos submarinos. Televisão por Cabo (CATV): transmissão de sinais de vídeo através de fibras ópticas. Sistema de Energia e Transporte: distribuição de energia elétrica e sistema de transmissão ferroviário. Redes Locais de Computadores: aplicações em sistemas de longa distância e locais. Na busca de padrões a fim de facilitar a conectividade e minimizar os custos de aquisição e implantação com fibras ópticas, foi desenvolvido o FDDI. Sistemas sensores Aplicações industriais: sistemas de telemetria e supervisão em controle de processos. Aplicações médicas: sistemas de monitoração interna ao corpo humano e instrumentação cirúrgica. Automóveis: monitoração do funcionamento do motor e acessórios. Aplicações militares Como funciona a transmissão óptica O sinal luminoso é transmitido para a fibra ótica sob a forma de pulso '0'/'1' representando uma sequência de símbolos binários. As ondas passam através do núcleo da fibra, que é coberto por uma camada chamada cladding. A refração do sinal é controlada pelo desenho do cabo, os receptores e os transmissores. O sinal luminoso não pode escapar do cabo óptico 54

55 porque o índice de refração no núcleo é superior ao índice de refração do cladding. Deste modo, a luz viaja através do cabo num caminho todo espelhado. A fonte emissora da luz é usualmente um laser ou um LED. Os lasers proporcionam para uma grande largura de banda um rendimento da capacidade que é significativamente maior do que outros métodos. Por exemplo, um cabo de dois fios tem um parâmetro de distância de largura de banda de 1Mhz/Km, um cabo coaxial tem 20Mhz/Km, e a fibra ótica tem 400Mhz/Km. Há vários métodos para transmitir os raios luminosos através da fibra: multimodo com índice degrau, multimodo com índice gradual e monomodo. Existem dois tipos de fibras óticas são elas: Monomodo e Multimodo. Fibras Óticas Multimodo As fibras multimodo foram as primeiras a surgirem, e são classificadas quanto a relação entre os níveis de refração entre a casca e o núcleo. Elas são de dois tipos: 1. Multimodo com índice degrau: Esta fibra possui o núcleo feito por apenas um material, ou seja, com índice de refração constante. A principal consequência disso é uma menor capacidade de transmissão devido ao fenômeno de dispersão que causa vários "modos". Sua largura de banda é de até 35 Mhz/km. 2. Multimodo com índice gradual: Esta fibra possui o núcleo composto por vários elementos com índices de refração diferentes, isto tenta diminuir a diferença de tempo de propagação diminuindo assim a dispersão dos vários "modos". Sua largura de banda é de até 500 Mhz/km. Fibra Ótica Multimodo com Índice Degrau Foi o primeiro tipo a surgir e é também o mais simples. Na fibra multimodo com índice degrau, o núcleo e o cladding estão claramente definidos. O núcleo é constituído de um único tipo de material (plástico, vidro), ou seja, tem índice de refração constante, e tem diâmetro variável, entre 50 e 400mm. Os raios de luz refletem no cladding em vários ângulos, resultando em comprimentos de caminhos diferentes para o sinal. Isto causa o espalhamento do sinal ao longo da fibra e limita a largura de banda do cabo para aproximadamente 35 Mhz.km. Este fenômeno é chamado dispersão modal. A atenuação é elevada (maior que 5 db/km), fazendo com que essas fibras sejam utilizadas em transmissão de dados em curtas distâncias e iluminação. 55

56 Fibra Ótica Multimodo com Índice Gradual Na fibra óptica multimodo com índice gradual, a interface núcleo/cladding é alterada para proporcionar índices de refração diferentes dentro do núcleo e do cladding. Os raios de luz viajam no eixo do cabo encontrando uma grande refração, tornando baixa sua velocidade de transmissão. Os raios que viajam na direção do cabo tem um índice de refração menor e são propagados mais rapidamente. O objetivo é ter todos os modos do sinal à mesma velocidade no cabo, de maneira a reduzir a dispersão modal. Essa fibra pode ter larguras de banda de até 500 Mhz.km. O núcleo tem, tipicamente, entre 125 e 50 mm e a atenuação é baixa (3 db/km), sendo por esse motivo empregada em telecomunicações. Fibras Óticas Monomodo Nas fibras monomodo a luz percorre a fibra em apenas "um modo" o que diminui a dispersão do sinal e evita o problema que possuem a fibras multimodo. Sua principal característica é a pequena dimensão do núcleo e, por possuir uma menor dispersão, atinge larguras de banda de até 1Ghz/km. O tamanho do núcleo, 8 micrometros (µm) de diâmetro, e o índice núcleo/cladding permite que apenas um modo seja propagado através da fibra, consequentemente diminuindo a dispersão do pulso luminoso. A emissão de sinais em fibras ópticas monomodo é possível com LED's ou laser, podendo atingir taxas de transmissão na ordem de 100 GHz.km, com atenuação entre 0,2 db/km e 0,7 db/km. Contudo, o equipamento como um todo é mais caro que o dos sistemas multimodo. Essa fibra possui grande expressão em sistemas telefônicos e interligação de redes em localidades distantes.. 56

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