Mestrado em Engenharia de Telecomunicações. Redes de Computadores I. Nível FísicoF. Christina Muchaluat Saade.

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1 Mestrado em Sistemas de Telecomunicações Nível FísicoF Profa. Débora D Christina Muchaluat Saade deborams@telecom.uff.br br 1 Utilização dos Meios Físicos 2 1

2 Tipos de Sinal Sinal Analógico Variação Contínua nua Sinal Digital Variação Discreta Intervalo de Sinalização Qualquer informação pode ser transmitida através de sinal analógico ou digital 3 Sinais Qualquer sinal pode ser entendido como uma soma de ondas de diferentes freqüências e amplitudes. Análise de Fourier

3 Espectro de um Sinal Gráfico que mostra a contribuição de cada freqüência componente (harmônico) na construção do sinal resultante. Esta contribuição está intimamente relacionada à amplitude daquela componente. db Exemplo: espectro de um sinal de voz Hz 5 Meio FísicoF Meio de propagação das ondas ou sinais transmitidos pares de condutores sinais codificados como diferenças de voltagem Característica físicaf sica: atua como filtro de freqüências do sinal transmitido, que sofre uma perda em cada uma de suas componentes de maneira desigual 7 3

4 Efeito da Banda Passante Limitada do Meio Sinal Analógico Dependendo da largura da banda passante perda da qualidade Distorção do sinal recebido devido ao diferente ganho aplicado às às diversas componentes do sinal. impossibilidade de entendimento da informação no receptor Sinal Digital Dependendo da largura da banda passante erros na recepção da informação H ar m ôn i c o s 4

5 H ar m ôn i c o s H ar m ôn i c o s

6 H ar m ôn i c o s H ar m ô n i co s

7 Na transmissão através de sinais digitais nãoénecessário é necessário quese preserve o formato preciso do sinal original para que se possa receber corretamente as informações. 14 Recuperação do Sinal Digital Transmissor Receptor Transmissão T T T Intervalos de sinalização Instantes de amostragem Sinal recuperado 15 7

8 Exemplo Banda Passante Necessária Sinal Analógico Banda passante mínima exigida para o meio físico de forma a preservar uma determinada qualidade do sinal recebido. A banda passante necessária de um canal telefônico capaz de manter boa intelegibilidade dos interlocutores tem uma largura de aproximadamente 3000 Hz. 16 Banda Passante Necessária Sinal Digital Qual será a banda passante mínima exigida para o meio físico que garanta a recuperação da informação original pelo receptor? 17 8

9 Sinal Digital s(t) A -T/2 T/2 S(f) AT -2/T -1/T 1/T 2/T Sinal Digital s(t) A Num sinal digital, as freqüências mais significativas estão em torno das freqüências mais baixas -T/2 T/2 S(f) AT -2/T -1/T 1/T 2/T 9

10 Sinal Digital s(t) A -T/2 T/2 S(f) AT Num sinal digital, as freqüências mais significativas estão em torno das freqüências mais baixas Quanto maior a freqüência, menor sua contribuição na composição do sinal digital Banda passante necessária aproximada -2/T -1/T 1/T 2/T Taxa de Transmissão s(t) A Quanto Maior a Taxa de Transmissão Maior é a banda Passante Necessária Altas velocidades exigem banda larga Broadband -T/2 T/2 S(f) AT -2/T -1/T 1/T 2/T 21 10

11 Taxa de Transmissão MáximaM Teorema de Nyquist: Na ausência de ruído, a capacidade máxima m C de um canal (em bps) depende da sua largura de banda: C = 2 W log 2 L bps W = largura de banda L = número n de níveis n usados na codificação A Taxa de Transmissão Máxima M é Limitada pela Presença a de Ruídos 22 Ruído A quantidade de ruído presente numa transmissão é medida em termos da razão entre a potência do sinal e a potência do ruído, denominada razão sinal-ru ruído. Se representarmos a potência do sinal por S e a potência do ruído por N, a razão sinal-ru ruído é dada por S/N. É muito comum utilizar-se, ao invés s desta razão diretamente, o valor 10 log 10 (S/N). O resultado obtido é uma medida da razão sinal-ru ruído em uma unidade denominada decibel (db). Uma razão de 10 corresponde a 10 db; uma razão de 100 corresponde 20 db; uma razão de corresponde a 30 db e assim por diante

12 Taxa Máxima M de Transmissão: : Lei de Shannon O principal resultado de Shannon (conhecido como a Lei de Shannon) ) afirma que a capacidade máxima C de um canal (em bps) depende da largura de banda e da razão sinal-ru ruído Exemplo: Um canal de Hz com uma razão sinal-ru ruído de 30 db (parâmetros típicos t de uma linha telefônica) não poderá,, em hipótese alguma, transmitir a uma taxa maior do que aproximadamente bps. C = W log 2 (1 + S/N) W: largura de banda; S/N: razão sinal-ruído 25 Utilização da Banda Passante do Meio de Transmissão Desperdício Configuração de um único canal por meio de transmissão Como melhorar a utilização do meio de transmissão? 26 12

13 Utilização da Banda Passante do Meio de Transmissão C0 C1 C2 Configuração de múltiplos canais por meio de transmissão 27 Multiplexação Permite que vários v sinais de diferentes fontes (canais) possam compartilhar o mesmo meio físicof Multiplexação por Divisão da Frequência (Frequency Division Multiplexing - FDM) Multiplexação por Divisão do Tempo (Time Division Multiplexing - TDM) Multiplexação por Divisão do Comprimento de Onda (Wavelength Division Multiplexing - WDM) Multiplexação por Divisão de Código (Code Division Multiplexing) 28 13

14 Multiplexação na Freqüência Utilização da Banda Passante do Meio de Transmissão C0 C1 C2 Banda Passante do Sinal 0-80 Mhz 0-40 Mhz 0-40 Mhz 30 14

15 Sinal de Voz Sinal de Voz Sinal de Voz Modulado Filtro Filtro Canal 1 Canal 2 Multiplexação na freqüência com dois canais Transmissão FDM Sinal original 15

16 Transmissão FDM Sinal original S Banda passante necessária Transmissão FDM Sinal original S S Banda passante necessária Modulação 16

17 Transmissão FDM Sinal original S S S Banda passante necessária Modulação Filtro S Transmissão S Transmissão FDM Sinal original S S S Banda passante necessária Modulação Filtro S S Demodulação Transmissão S 17

18 Transmissão FDM S Sinal original S S Banda passante necessária Modulação Filtro Sinal recebido S S S S Filtro Demodulação Transmissão S Modulação e Demodulação A modulação é uma transformação aplicada a um sinal que faz com que ele seja deslocado de sua faixa de freqüências original para uma outra faixa. A demodulação é uma transformação que é aplicada a um sinal previamente modulado e que faz com que ele seja deslocado de volta para a sua faixa de freqüências original. A modulação e demodulação permitem que sinais sejam adaptados para a transmissão em canais com características diferentes daquelas do sinal original. Por exemplo, sinais modulados em diferentes regiões do espectro podem ser simultaneamente transmitidos em um mesmo meio físico f através s da multiplexação por divisão de freqüência

19 MODEM MODEM T1 T1 R1 R1 T2 T2 R2 R2 Modulador Filtro Filtro Demodulador Modulador Filtro Filtro Demodulador f1 f 2 40 Técnicas de Modulação Todas as técnicas t de modulação resultam no deslocamento de um sinal de sua faixa de freqüências original para uma outra faixa. Todas as componentes do sinal são, uma a uma, deslocadas de um mesmo m valor f, fazendo com que o sinal passe a ocupar uma nova região do espectro. ectro. Porém, a contribuição de cada componente não é alterada. O valor f é denominado de freqüência da onda portadora. As três técnicas t básicas b de modulação são denominadas de: Modulação por Amplitude (Amplitude Modulation - AM ), Modulação por Freqüência (Frequency Modulation - FM ) e Modulação por Fase (Phase Modulation - PM ). Quando o sinal original é um sinal digital, essas técnicas t assumem denominações mais específicas: Modulação por Chaveamento da Amplitude (Amplitude Shift Keying - ASK). Modulação por Chaveamento da Freqüência (Frequency( Shift Keying - FSK). Modulação por Chaveamento de Fase (Phase( Shift Keying - PSK)

20 Modems (a) A binary signal (b) Amplitude modulation 42 (c) Frequency modulation (d) Phase modulation Frequency Division Multiplexing (a) The original bandwidths. (b) The bandwidths raised in frequency. (b) The multiplexed 43 channel. 20

21 Wavelength Division Multiplexing Wavelength division multiplexing (WDM) 44 Multiplexador x Acesso MúltiploM Multiplexação pode ser realizada de forma centralizada por um equipamento específico denominado de multiplexador (MUX), de forma distribuída da onde as várias v fontes de sinais encontram-se diretamente conectadas a um meio físico f compartilhado. nesse caso, a multiplexação é comumente denominada de mecanismo de acesso múltiplo. m 46 21

22 Multiplexador e Demultiplexador MUX DEMUX Multiplexadores: equipamentos que centralizam as funções de modulação, filtragem e combinação dos sinais 47 Exemplo para Comparação entre a Utilização de Multiplexadores e de Multiplexação Realizada por Meio de Acesso MúltiploM O FDMA (Frequency Division Multiple Access) é um exemplo de mecanismo de acesso múltiplo m no qual o meio físico f é multiplexado de forma análoga ao FDM. Porém, cada uma das fontes é diretamente responsável por requisitar, junto a um controlador do sistema, um canal a ser por ela utilizado, não existindo, portanto, a figura do multiplexador como um elemento centralizador da tarefa de multiplexação ão

23 FDMA 50 Digitalização de Sinais 23

24 Digitalização de Sinais Na recepção... Codificando cada nível com 4 bits: PCM - Pulse Code Modulation Sinal original 7.0 Pulsos PAM Pulsos PCM Saída PCM

25 The Local Loop: Modems The use of both analog and digital transmissions for a computer to computer call. Conversion is done by the modems and codecs. 55 Acesso a Provedor A/D D/A MODEM Central D/A Central A/D A Conversão Analógico/Digital Gera um Ruído chamado Ruído de Quantização Não é possível mais do que 30 kbps!! 57 25

26 Acesso a Provedor A/D MODEM Central D/A Central A/D Linha Digital (T1 ou E1, p. ex.) 58 Acesso a Provedor A/D MODEM Central D/A Central A/D 30kbps ~56kbps 59 26

27 Multiplexação no Tempo Multiplexação por Divisão de Tempo Ao invés s de se utilizar as várias v faixas de freqüências para separar os sinais a serem transmitidos, utiliza-se o tempo como a grandeza a ser compartilhada. obtém-se o compartilhamento do meio físico f intercalando-se porções de cada um dos sinais ao longo do tempo. A forma com que o tempo é subdividido dád origem a duas formas de TDM: o TDM síncrono e o TDM assíncrono (ou Estatístico) stico)

28 A Multiplexação no Tempo B C Meio Físico D 62 A Multiplexação no Tempo B C Meio Físico D Dados Banda Desperdiçada Multiplexação Síncrona (TDM) (synchronous Time Division Multiplexing) A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 Primeiro Ciclo T Segundo Ciclo 63 28

29 A Multiplexação no Tempo B C Meio Físico D Dados Banda Desperdiçada Multiplexação Síncrona (TDM) (synchronous Time Division Multiplexing) Multiplexação Assíncrona ou Estatística (STDM) (Statistical Time Division Multiplexing) A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 Primeiro Ciclo T A1 B1 B2 C2 Segundo Ciclo Cabeçalho Banda Extra Disponível 64 Canal Representação para uma parcela da utilização do meio físico alocada a transmissão de um sinal. A implementação de um canal varia de acordo com a forma de multiplexação. Assim, tem-se um tipo de canal no FDM e um outro tipo de canal no TDM síncronos ncrono. No FDM, um canal corresponde a uma faixa de freqüências No TDM síncrono, s denomina-se canal o conjunto de todos os slots, um em cada frame,, identificados por uma determinada posição fixa dentro desses frames. Ex.: o canal 3 é formado pelo terceiro slot dentro de cada ciclo

30 Canais de Comunicação Dedicado (ou permanente) x Chaveado Ponto-a-ponto x Multiponto 66 Multiplexador x Acesso MúltiploM A multiplexação pode ser realizada tanto de forma centralizada, por um equipamento específico denominado de multiplexador (MUX), como de forma distribuída, da, onde as várias v fontes de sinais encontram-se diretamente conectadas a um meio físico f compartilhado. Nesse último caso, a multiplexação é comumente denominada de mecanismo de acesso múltiplo. m MUX 67 TDMA 30

31 Hierarquias de Transmissão Digital Em uma hierarquia de sinais digitais, os sinais de taxa mais alta são obtidos através s do cascateamento de multiplexadores, como ilustrado no exemplo da figura abaixo. 69 Hierarquias de Transmissão Digital Esquemas de hierarquias de transmissão têm sido utilizados em sistemas de telefonia digital, tendo passado por processos de padronização em várias entidades internacionais, sendo, hoje em dia, utilizados também m na transmissão de dados. E.U.A e Europa definiram diferentes padrões para o sinal básico b e para a forma de multiplexação na geração dos sinais de ordem mais alta. Enquanto a hierarquia americana está baseada no T1,, a hierarquia européia (que é a adotada pelo padrão brasileiro) define a utilização de um sinal básico denominado E

32 Hierarquia de Sinais Digitais Norte-Americana Sinal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão DS-1 DS-2 DS-3 DS MUX T MUX T2 MUX 1 7 1,544 Mbps 6,312 Mbps 44,736 Mbps 274,176 Mbps Inicialmente definido pela AT&T, tendo posteriormente se tornado o padrão utilizado para a transmissão digital de voz em sistemas telefônicos nos EUA. prevê a multiplexação síncrona s no tempo,, de vinte e quatro canais de voz, a 64 Kbps cada, transportados em um sinal de 1,544 Mbps (denominado DS-1 Digital Signal Level 1). T3 71 Taxa dos Sinais em Hierarquias Digitais A definição da taxa dos sinais básicos b das hierarquias digitais foi influenciada diretamente pela utilização dessas hierarquias em telefonia digital vinte e quatro canais, onde cada slot tem duração suficiente para a transmissão dos 8 bits de uma amostra PCM. A cada frame ainda adiciona-se um bit denominado bit de framing, para a marcação. Assim, cada frame tem a duração para a transmissão de 24 x = 193 bits. A banda passante necessária para um sinal de voz em um serviço o telefônico é igual a Hz, A taxa de amostragem para construirmos a saída PCM é de amostras por segundo. Logo, para que se mantenha uma taxa assegurada para cada canal, é necessário que os frames se repitam vezes por segundo Em outras palavras, um frame tem duração total de 1/8.000 = 125 µseg, e por isso a taxa total do sinal DS-1 é de x 193 = 1,544 Mbps

33 Time Division Multiplexing The T1 carrier (1.544 Mbps). 73 Time Division Multiplexing (3) Multiplexing T1 streams into higher carriers

34 Hierarquia Européia Sinal Digital Número de Canais de Voz Taxa de Transmissão E1 E2 E3 E ,048 Mbps 8,448 Mbps 34,368 Mbps 139,264 Mbps O esquema E1 é oriundo do padrão utilizado para a transmissão de voz em sistemas telefônicos digitais na Europa e no Brasil 30 canais de voz, a 64 Kbps cada, transportados em um sinal de 2,048 Mbps. 75 Linhas Digitais A/D MODEM Central D/A Central A/D Linha Digital E1, p. ex

35 Linhas Digitais Equipamento De Modulação Digital Central Central RDSI-FE Acesso básico (ISDN-BRI) 2 B+D Canal B = 64 kbps Canal D = 16 kbps Acesso Primário rio (ISDN-PRI) E1 (30B + 2D); T1 (23B + D) 77 Canais B e D = 64 kbps Linha Digital Diferentes Hierarquias de Sinais Digitais Nível EUA Europa Japão ,544 Mbps (DS-1) 6,312 Mbps (DS-2) 44,736 Mbps (DS-3) 274,176 Mbps (DS-4) 2,048 Mbps (E-1) 8,448 Mbps (E-2) 34,368 Mbps (E-3) 139,264 Mbps (E-4) 1,544 Mbps 6,312 Mbps 32,064 Mbps 97,728 Mbps 78 35

36 Unificação das Hierarquias SDH x4 155,52 x N Mbps xn 155,52 Mbps x3 51,84 Mbps x7 6,312 Mbps x3 Sinal básico SDH (STM-1) Sinal básico SONET (STS-1) 1,544 Mbps 2,048 Mbps 79 Time Division Multiplexing (5) SONET and SDH multiplex rates

37 Uma Visão de Outra Solução para o Acesso Residencial: xdsl 93 Digital Subscriber Lines (2) Operation of ADSL using discrete multitone modulation

38 Digital Subscriber Lines (3) A typical ADSL equipment configuration. 99 Uma Visão de Outra Solução para o Acesso Residencial: Cable Modem

39 Internet over Cable Cable television 102 Spectrum Allocation Frequency allocation in a typical cable TV system used for Internet access

40 Cable Modems Typical details of the upstream and downstream channels in North America. 105 Mestrado em Sistemas de Telecomunicações Comutação de Circuitos e Comutação de Pacotes Profa. Débora D Christina Muchaluat Saade deborams@telecom.uff.br br

41 Comutação Refere-se à alocação dos recursos da rede (meios de transmissão, repetidores, sistemas intermediários rios etc.) para a transmissão pelos diversos dispositivos conectados. Principais formas Comutação de circuitos Comutação de pacotes circuito virtual datagrama 107 Comutação de Circuitos Fases Estabelecimento da Conexão (Roteamento) Transferência de Informação Desconexão Um Um caminho permanece dedicado entre entre origem e destino durante todo todo o tempo de de conexão

42 Rede Telefônica PBX Central PBX 109 Comutação de Circuitos T Tempo de Propagação Estabelecimento da Conexão Tempo de Transmissão Mensagem Transmissão da Mensagem Término da Conexão

43 Comutação de Circuitos Chaveamento por divisão espacial (Space Division Switching - SDS) cada nón fecha um circuito físicof entre entrada e saída Chaveamento por divisão da freqüência (Frequency Division Switching - FDS) cada nón chaveia de um canal de freqüência de uma linha de entrada para um canal de freqüência de uma linha de saída Chaveamento por divisão do tempo (Time Division Switching - TDS) cada nón chaveia de um canal TDM (slot) de uma linha de entrada para um canal TDM de uma linha de saída 111 Comutação de Circuitos - Características Necessidade de estabelecimento de conexão (roteamento no momento da conexão) Canal dedicado Endereçamento necessário apenas na conexão Retardo de transferência dos dados constante

44 Comutação de Circuitos - Características Possibilidade de bloqueio da comunicação devido à falta de recursos Não necessita empacotamento Melhor para tráfego contínuo nuo Pior para tráfego em rajadas 113 Comutação de Mensagens B AC A D EB E C É necessário um cabeçalho alho em cada mensagem para identificação de endereço de origem e destino

45 Comutação de Mensagens B A AC D EB E C Store & Forward: Roteamento Armazenamento 115 Cabeçalho Comutação de Mensagens Mensagem T Mensagem Mensagem

46 Comutação de Mensagens Não existe fase de estabelecimento de conexão nem de desconexão Store-and and-forward Características Cada mensagem possui cabeçalho alho com informações necessárias ao seu encaminhamento Introduz grandes atrasos nas mensagens 117 Comutação de Pacotes B 3AC 2AC 1 AC A D É necessário um cabeçalho em cada pacote para identificação de endereço de origem e de destino 2EB 1EB E C

47 Comutação de Pacotes B A 1EB 2EB D 1 AC Cada pacote pode ser roteado de forma independente É necessário armazenar temporariamente os pacotes em nós intermediários E 3AC C 2AC 119 Comutação de Pacotes B 1EB 2EB A D Os pacotes podem chegar fora de seqüência no destino E C 1 AC 3AC 2AC

48 Comutação de Pacotes B 2EB 1EB A D Sequenciação E C 3 AC 2AC 1AC 121 Comutação de Pacotes - Características Mensagens divididas em pacotes Não háh necessidade de estabelecimento de conexão Canal compartilhado Endereçamento necessário em todos os pacotes Retardo de transferência dos dados é uma variável vel aleatória

49 Comutação de Pacotes - Características Store-and and-forward Pacotes são sempre aceitos para transmissão (possibilidade de congestionamento da rede) Melhor para tráfego em rajada Pior para tráfego contínuo nuo Circuito Virtual x Datagrama 123 Comutação de Pacotes - Circuito Virtual Estabelecimento de conexão Rota única determinada durante a conexão Cabeçalho alho necessário em cada pacote para identificação do circuito virtual Seqüência de transmissão preservada

50 Comutação de Pacotes - Circuito Virtual T Estabelecimento da Conexão Cabeçalho 1 Dados Transmissão dos Pacotes 3 Término da Conexão Comutação de Pacotes - Datagrama Cada pacote é roteado de forma independente Cabeçalho alho necessário em cada pacote para identificação de endereço o de origem e destino Possibilidade dos pacotes chegarem fora de ordem no destino

51 Comutação de Pacotes - Datagrama Cabeçalho 1 Dados Transmissão dos Pacotes Formato do Pacote Destino Origem Seq Informação Cabeçalho alho ou Overhead Parte útil ou Payload Podem existir mais overheads: Prioridade, detecção e correção de erros, segurança

52 Packet Switching A comparison of circuit switched and packet-switched networks. networks