Nível Físico Relacionado a transmissão de bits sobre um canal de comunicação. Enviar um bit 1 e garantir que se receba um bit 1 do outro lado. Questões.

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1 Nível Físico Relacionado a transmissão de bits sobre um canal de comunicação. Enviar um bit 1 e garantir que se receba um bit 1 do outro lado. Questões típicas: Quantos volts representa o 1? Quanto tempo dura um bit? A transmissão pode ser de ambos os lados? Quantos pinos tem o conector de rede? Como serão as interfaces mecânicas, elétricas e procedurais e o meio de transmissão físico? A Camada Física

2 Papel do nível Físico Nível físico - Define características mecânicas, elétricas e funcionais para ativar, manter e desativar conexões físicas para a transmissão de bits entre as entidades do nível superior.   Regulamenta interfaces:   Mecânicas - Número de pinos dos conectores, dimensões ... Elétricas - Níveis de tensão, corrente, balanceamento de carga ... Funcionais - Temporizações, controle, estabelecimento das conexões-físicas ...   Serviço oferecido - concatenação de meios físicos para transmissão de sequência de bits. Nos 2 sentidos (duplex) ou alternando o sentido (half-duplex). A Camada Física

3 2.1 - Análise de Fourier A informação pode ser transmitida variando alguma propriedade física como tensão ou corrente. O valor da tensão ou corrente pode ser modelada como função do tempo para análise matemática. Qualquer função periódica razoavelmente estável, g(t), com período 1/f, pode ser construída como a soma de um número de senos e cossenos.(Série de Fourier) an e bn são as amplitudes dos n-ésimos harmônicos (termos), c é constante. A partir da série de Fourier a função pode ser reconstruída. Quanto mais termos, mais precisa a representação original. A Camada Física

4 Transmissão de um caracter
Caracter ASCII ´b´: A análise de Fourier destes sinais produz coeficientes que resultam nas aproximações sucessivas do sinal original: A Camada Física

5 Princípios da Comunicação de Dados
Nenhum recurso de transmissão é capaz de transmitir sinais sem perder parte da energia no processo. Diferentes componentes da série de Fourier sofrem diferentes reduções e assim, introduzem-se distorções no sinal resultante. Para um fio, as amplitudes são transmitidas sem redução de 0 até alguma freqüência fc, freqüência de corte, com as freqüências acima dessa sendo atenuadas. Obs: Uma linha de qualidade de voz, tem fc artificialmente introduzida pouco acima de 3000Hz. Largura de Banda (Definição dos eletrônicos): Faixa de freqüências transmitidas sem serem fortemente atenuadas. Propriedade física do Meio de Transmissão medida em Hz. A Camada Física

6 Princípios da CD – 2 Largura de Banda (Definição dos computeiros): taxa de dados máxima de um canal, medido em bps. É o resultado final do uso da largura de banda analógica. SNR: Signal-to-Noise Ratio: relação entre a potência do sinal (S) e a potência do ruído (N). Utiliza-se a quantidade 10log10S/N pois pode variar em faixa muito grande. Se S/N = 1000, SNR = 30dB (décibeis) Taxa máxima de dados de um canal (Eq Shannon): No máx de bits/s = B log2(1+S/N) B – Largura de Banda em Hz. Ex: Um canal ADSL com B = 1MHz, SNR=40dB (distância de 1 a 2 km da central) não transmitirá mais que 13 Mbps. Com técnicas de modulação atuais esta capacidade foi ampliada. A Camada Física

7 2.2 - Suportes de Transmissão
Vários meios físicos podem ser utilizados para suportar a transmissão. Cada um com seu delay, custo, facilidade de instalação, manutenção, largura de banda, etc. Suportes mais comuns: Meios Magnéticos (DVDs, fitas) ->caminhonete com fitas: menor custo, maior capacidade de transmissão (Custo fita = meio centavo por gigabyte); Par trançado; Cabo coaxial; Meios guiados Fibra óptica; Wireless – Rádio Terrestre Satélite. A Camada Física

8 Par Trançado Consiste de um par de fios enrolados em espiral fechados em uma borda protetora. O mais comum. Trançados para diminuir a interferência elétrica. UTP – Unshielded Twisted Pair – o mais popular hoje, consiste de 4 pares de fios de cobre; As padronizações foram feitas pela EIA/TIA (Electronic Industries Association/Telecommunications Industries Association). Categoria 3 – Largura de Banda 16 MHz; Categoria 5 – Largura de Banda 100 MHz; (100 Mbps usa 2 pares,1 Gbps usa os 4 pares). Categoria 6 – Largura de Banda 250 MHz; Categoria 7 – Largura de Banda 600 MHz: possuem blindagem: STP – Shielded Twisted-Pair . Cada par possui uma malha metálica (blindagem). A Camada Física

9 Exemplo Fast Ethernet sobre diferentes suportes
A Camada Física

10 Cabo coaxial Consiste de um núcleo de cobre dentro de um tubo metálico concêntrico que serve de blindagem contra interferências de fios adjacentes. Tem melhor blindagem que par trançado e assim pode se estender por distâncias mais longas em velocidades mais altas. Os cabos modernos chegam à largura de banda de 1Ghz. Utilizados em larga escala por redes de TV a cabo e MANs. A Camada Física

11 2.2.4 - Linhas de Energia Elétrica
Cenário mais comum: fios elétricos dentro de casa. Problemas: Sinais elétricos são enviados a 50-60Hz e a fiação atenua os sinais de frequência muito mais alta que seriam necessários para comunicação de dados; não é trançado, portanto, apanha sinais externos e emite os seus. Apesar destas dificuldades é possível enviar pelo menos 100Mbps pela fiação elétrica doméstica. Padrões estão em desenvolvimento. A Camada Física

12 Fibra óptica Consiste de um cilindro finíssimo de vidro, o núcleo, circundado por uma camada concêntrica de vidro. Sinais de dados são transmitidos na forma de pulsos de luz: não estão sujeitos a interferência elétrica, são rápidos e transmitem a grandes distâncias e ... são caros. Um pulso de luz indica bit 1, ausência de luz indica bit 0. A Camada Física

13 Fibra óptica – Componentes
O sistema de transmissão óptica tem 3 componentes: a fonte da luz, o meio de transmissão e o detector que gera um pulso elétrico quando entra em contato com a luz. Um raio de luz incidente em um meio apropriado, com um ângulo de incidência apropriado, faz com que a luz seja refletida internamente e possa se propagar por kilômetros sem perda. A Camada Física

14 Fibra óptica – Modos Fibra multimodo – É possível que muitos raios acima do ângulo crítico estejam sendo refletidos internamente. Muitos raios diferentes em angulos diferentes. Cada raio em um modo diferente. Tem 50 mícrons de diâmetro (1 fio de cabelo humano) Fibra monomodo – Ao reduzir o diâmetro da fibra, ela atua como guia de onda e a luz se propaga em linha reta. Tem entre 8 e 10 mícrons. É mais cara pelo processo de fabricação mais sofisticado, porém atinge distâncias maiores.Hoje chega a 100 Gpbs por 100km sem amplificação. Limitação devido à conversão elétrico-ótico. A Camada Física

15 Fibra óptica x Cobre Fibra: Cobre: Gerencia bandas mais largas;
Repetidores necessários a cada 50 km; Não sofre interferência eletromagnética; Imune a ação corrosiva de elementos químicos do ar; Leves e finas – sistema de suporte reduzidos; Dificilmente são interceptadas; Cobre: Repetidores a cada 5 km; Mais barato e mais fácil manipulação. A Camada Física

16 2.3 - Wireless LAN O princípio utilizado é a transmissão através de ondas eletromagnéticas que se propagam no ar. O número de oscilações por segundo é a frequência, medida em Hz. O espectro  eletromagnético: A Camada Física

17 Rádio Ondas de rádio : fáceis de gerar, percorrem longas distâncias, penetram em prédios; são omnidirecionais (viajam em todas as direções a partir da fonte) o que não exige que tx e rx estejam cuidadosamente alinhados (a) Nas bandas VLF, LF e MF, as ondas obedecem a curvatura da terra. (b) Nas bandas HF e VHF ricocheteiam na ionosfera. A Camada Física

18 Microondas Acima de 100Mhz, as ondas trafegam praticamente em linha reta o que exige o alinhamento preciso. Em grandes distâncias a terra ficaria entre as ondas. Não atravessam bem paredes de edifícios, e acima de 4Ghz são absorvidas pela água. (Desligar os enlaces afetados pela chuva e criar rota alternativa); Conveniente pelo custo para distâncias relativamente grandes. Os governos dos países devem controlar o uso do espectro. Algumas bandas podem ser usadas sem controle, como para telefone sem fio, abertura de portas de garagens, pois com baixa potência o alcance é pequeno e é difícil a interferência. Bluetooth e operam na banda de 2,4 Ghz. A Camada Física

19 Bandas ISM ISM – Industrial, Scientific, Medical – Bandas reservadas pelos governos para uso sem licença, regulando a potência utilizada. (a) Banda ISM nos EUA (b) Banda ISM no Brasil A Camada Física

20 Bandas ISM 2,4GHz – usadas pelo 802.11b/g
5 GHz – usadas pelo a - Ambas usadas pelo n Espaços vazios em 700MHz autorizados pelo FCC (Federal Communications Commision) em 2009. 60 GHz – (logo antes do infra-vermelho) aberta pelo FCC em 2001 para redes de curta distância. Começam a ser fabricados produtos compatíveis. Estratégias para concessão de frequências: Concurso de beleza: a melhor proposta leva => suborno, corrupção, nepotismo, etc. Sorteio: => me candidato, ganho sorteio e vendo minha parte Leilão: usada em praticamente todo o mundo. A Camada Física

21 Ondas de infravermelho
Utilizadas na comunicação de curto alcance – controles remotos de TV, etc. Transmite em altas taxas porém em pequenas distâncias (~ 30 m). Exige linha de visada. Não passa através de objetos sólidos. (Tente ficar na frente da TV enquanto alguém tenta mudar de canal com o controle remoto); Util em sistemas que precisam ser seguros; Não requerem licenciamento. A Camada Física

22 Transmissão via luz Transmissão ótica não guiada usando laser é unidirecional. Fornece largura de banda alta com custo baixo. Como é difícil acertar a mira colocam-se lentes para ajudar no foco. Problema: Calor pode desviar o feixe. A Camada Física

23 2.4 - Satélites Transmissões para terra interferem com usuários de microondas (regulamentação necessária). O satélite recebe um sinal, o amplifica e envia de volta. Podem sair da visão devido a sua órbita: colocar vários para fornecer cobertura contínua GEO Geoestationary Earth Orbit Cinturões de Van Allen: regiões com partículas carregadas com alta energia MEO Medium –Earth Orbit (usados por GPS não telec.) LEO Low-Earth Orbit A Camada Física

24 Satélites Geoestacionários
Primeiro lançamento: A órbita alta faz parecer que está parado. Têm que ter espaçamento de 2 graus entre eles, o que possibilita apenas 360/2 = 180 satélites no céu ao mesmo tempo. Disputa acirrada por espaço e frequencia. VSAT: Estação terrestre de baixo custo. Hub: Estação terrestre com antena de alto ganho para retransmitir tráfego entre VSATs (que não tem energia para tx diretamente). Atraso maior mas estação final mais barata. A Camada Física

25 Satélites de órbita baixa
Necessários vários para fazer a cobertura, menor potência, menor custo, menor atraso . Iridium: projeto da Motorola para comunicação: 77 satélites. Foi a falência em 1998, reativado em 2001. Um satélite transmite para outro no espaço até atingir o destino final quando a transmissão desce para a terra. A Camada Física

26 Exemplos de LEOs (a) Retransmissão do espaço (Ex: Iridium);
(b) Retransmissão no solo (Ex: Globalstar); O maior provedor de comunicação móvel  de voz e dados, embora tenha áreas no solo não cobertas. CubeSat – projetos para produzir satélites em miniatura, cubos de 10cm e 1 kg que pegam carona em outros lançamentos reduzindo custos . A Camada Física

27 Satélite x Fibra O satélite é natural para aumentar a mobilidade;
Onde a difusão é essencial: transmitir para milhares de estações ao mesmo tempo, o satélite é mais econômico; Satélite onde a passagem da fibra é difícil de obter; Fibra: atinge bandas mais largas. Comunicação do futuro: Fibras combinadas com rádio e com aplicações específicas via satélite. Uma questão fundamental é se a infra-estrutura de satélite vai conseguir reduzir seus custos. A Camada Física

28 2.5 - Modulação Digital e Multiplexação
Modulação Digital: processo de conversão entre bits e sinais que os representam; Transmissão de Banda Base: o sinal ocupa frequências de zero até um máximo (depende da taxa de sinalização) – os bits são convertidos diretamente em sinais – comum para fios; Transmissão de Banda Passante: o sinal ocupa uma banda de frequências em torno da frequência do sinal da portadora; regulam amplitude, fase ou frequência de um sinal da portadora para transportar bits. A Camada Física

29 Transmissão em Banda Base
NRZ (Non-Return-to-Zero): o sinal acompanha os dados: tensão positiva para o 1, tensão negativa para o zero. Sinal enviado se propaga, receptor faz amostragens e e converte para bits. Problema: o sinal é atenuado e distorcido, utilizam-se esquemas mais sofisticados. NRZI (Non-Return-to-Zero Inverted): transição – bit 1; ausência de transição – bit 0. Usado no padrão USB. A Camada Física

30 2.5.1 - Transmissão em Banda Base
Manchester: Nos esquemas anteriores 15 zeros podem se confundir com 16 zeros, a menos que o clock seja muito preciso; idéia: enviar sinal de clock separado, porém é um desperdício uma linha que não vai dado... Idéia: Misturar o clock com o sinal. (Quando o bit é 0, Xor dá transição para cima, Quando o bit é 1, Xor dá transição para baixo). Usado no padrão Ethernet. A Camada Física

31 2.5.2 - Transmissão em Banda Passante
Modulação: Processo de variar periodicamente uma forma de onda para utilizar aquele sinal para transportar uma mensagem. Realizado pelo modem. Sinal binário; Modulação por mudança de amplitude (ASK – Amplitude Shift Keying) Modulação por mudança de frequência (FSK – Phase Shift Keying) Modulação por mudança de fase (BPSK – Binary Phase Shift Keying) A Camada Física

32 Taxa de bits Baud: Número de amostras por segundo. Durante cada baud é enviado um símbolo. Uma linha de 2400 bauds, envia 2400 símbolos/s. Taxa de bits: Se o símbolo consiste em 0 volts para indicar 0 lógico, e 1 volt para indicar valor 1 lógico, a taxa de bits é 2400 bps. Se usar as voltagens 0,1,2,3 cada símbolo consiste em 2 bits, e assim uma linha de 2400 bauds pode transmitir 2400 símbolos/s a uma taxa de bits de 4800 bps. Utiliza-se técnicas avançadas para transmitir vários bits por baud. Taxa de bits (bps) = símbolos/s * bits/símbolo A Camada Física

33 Modulações mais eficientes
(a) QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) 4 combinações de fase => 2 bits por símbolo. (b) QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation )16 combinações de amplitude e fase => 4 bits por símbolo. (c) QAM combinações de amplitude e fase => 6 bits por símbolo. A Camada Física

34 Multiplexação Multiplexar: Combinar em um único sinal vários fluxos de dados para compartilhar uma mesma linha com vários usuários. FDM (Frequency Division Multiplexing) Muliplexação por Divisão de Frequência: o espectro é dividido em bandas de frequência, tendo cada usuário a posse exclusiva de alguma banda. Ex: 3 canais de voz, limitados a 3100Hz multiplexados A Camada Física

35 OFDM OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing: usada no e A largura de banda é dividida em muitas subportadoras que enviam dados independentemente. Cada subportadora é projetada para que seja zero no centro das sub-portadoras adjacentes. Assim, são mostradas na frequências centrais sem interferência dos vizinhos. A Camada Física

36 TDM e CDM TDM (Time Division Multiplexing): Cada usuário obtém a largura de banda inteira por determinado período de tempo; CDM (Code Division Multiplexing): cada estação usa o espectro de frequência o tempo todo: as txs são separadas usando codificação. Por isto chamada de CDMA (Code Division Multiple Access). Comparação: Suponha um saguão de aeroporto com pares de pessoas conversando. TDM: um par fala de cada vez. FDM: grupos separados falam simultaneamente em tons de voz diferentes. CDM: Todos falam simultaneamente em idiomas diferentes (o que não é francês é ruído…). A Camada Física

37 2.6 - Rede Pública de Telefonia Comutada
PSTN – Public Switched Telephone Network : é útil aproveitar a infra-estrutura existente para o envio de dados. (a) Rede totalmente interconectada. No tempo de Graham Bell (1876) que patenteou a invenção do telefone. Em um ano já foi saturada... (b) Switch centralizado (Criação da Bell Company – 1878) (c) Hierarquia de dois níveis ~ Modelo intacto por mais de 100 anos. A Camada Física

38 Estrutura do Sistema de Telefonia
Rota de Circuito típico para uma chamada de longa distância Em 1996 o Congresso americano permitiu que empresas de TV a cabo, companhias telefônicas, concessionárias de comunicação de longa distância, operadoras de celulares, entrassem nos ramos de negócios umas das outras. => oferecem pacotes a clientes, aumentou a concorrência. A Camada Física

39 2.6.3 - O Circuito Terminal: Modems
O uso de transmissão analógica e digital para uma chamada de computador a computador. A conversação é feita usando modems (Modulador-demodulador) e codecs (Codificador-decodificador : codificam sinal para atingir certa medida de compressão). A Camada Física

40 O Circuito Terminal: ADSL
ADSL – Asymmetric Digital Subscriber Line (Os chamados Banda Larga) => serviços digitais no circuito terminal, sobre linhas telefônicas de cobre. A voz utiliza filtro de 3100Hz, mas o switch ADSL não usa este filtro, permitindo toda a capacidade do circuito terminal. O serviço é degradado c/ a distância. Bandwidth versus distanced over category 3 UTP for DSL. A Camada Física

41 Configuração típica de um dispositivo ADSL.
NID – Network Interface Device – dispositivo instalado pela companhia telefônica que com o divisor separa o que vai p/ o telefone e o que vai p/ o computador. DSLAM – Digital Subscriber Line Access Multiplexer – combina os dados para envio ao provedor. A Camada Física

42 2.6.5 – Comutação - circuito Dentro da estação de comutação, há 2 técnicas: Comutação de circuito: os equipamentos de comutação procuram um caminho físico da origem ao destino; se estabelece um caminho dedicado entre as extremidades. 10sec! A Camada Física

43 Comutação - Pacotes Comutação de Pacotes: Não é preciso estabelecer um caminho dedicado com antecedência. Pacote enviado assim que disponível. A Camada Física

44 Comutação de Circuitos x Pacotes
Comparação: Dilema: garantir serviço e desperdiçar recurso versus não garantir serviço e não desperdiçar recurso A Camada Física

45 O Sistema de Telefonia Móvel
Telefones Móveis de Primeira Geração - Voz Analógica Em operação desde a década de 60; Idéia de célula: cada célula utiliza um conjunto de frequências não utilizado por células vizinhas para evitar interferência. Microcélulas: a potência é reduzida para permitir maior reutilização das frequências, Fig (b). No centro da célula há a estação base (BS) - retransmissora de rádio – conectada a MSC (Mobile Switching Center) para contabi- lidade, autorização, direciona chamadas. A Camada Física

46 Conceitos Gerais Handoff: Processo de deixar uma célula e entrar em outra => passa a ser controlado por outra estação-base com outra frequência: Soft Handoff : Sinal do telefone adquirido pela nova estação-base antes da anterior se desconectar (não há perda); equipamento deve lidar com as duas frequências; Hard Handoff: Estação antiga libera o sinal do telefone antes dele ser adquirido pela nova Estação-Base. Pode cair a chamada. A Camada Física

47 O Sistema de Telefonia Móvel (2)
Telefones Móveis de Segunda Geração: Voz Digital: D-AMPS (Digital AMPS); GSM - usado na Europa – acabou dominando; CDMA - usado nos EUA: base p/ 3G; Com o GSM surgiram: SIM (Subscriber Identity Module – chip); BSC (Base Station Controller) conectado ao MSC controla recursos de rádio e cuida do handoff; VLR – Visitor Location Register – BD dos fones na área; HLR – Home Location Register – BD da localização conhecida do fone. A Camada Física

48 O Sistema de Telefonia Móvel (3)
Telefones Móveis de Terceira Geração: Voz Digital e Dados (smart phones). Há 2 propostas: W-CDMA - Wideband CMDA (Ericsson) - união européia o chamou de UMTS; CDMA2000 dos EUA (Qualcomm). Telefones Móveis de Quarta Geração: LTE (Long Term Evolution) . Requisitos especificados pela ITU: Comutação de Pacotes (não circuitos); RTT abaixo de 10ms Alta Largura de Banda: Taxa de pico de Uplink – até 50Mbps; Taxa de pico de downlink – até 100Mbps com alta mobilidade; Conectividade em todo lugar; Integração uniforme com IP; Gerenciamento Adaptável de Recursos e do Espectro; Alta Qualidade de Serviços para Multimídia; A Camada Física

49 2.8 - TV a Cabo Sistema antigo HFC (Hybrid Fiber Coax)
CATV – Community Antenna Television – televisão de antena comunitária; começou a se cabear a cidade de maneira semelhante a telefonia 80 anos antes... Com o tempo entraram as fibras (assim como na telefonia) A Camada Física

50 Alocação do Espectro Internet e TV convivem no mesmo cabo através de FDM. A Camada Física