Camada Física e Comunicação de Dados - Modulação, Multiplexação e Meios de Transmissão

Capítulo 7 Camada Física A base teórica da Comunicação de Dados Modulação Digital e Multiplexação Meio de Transmissão Guiados Transmissão sem fios Satélites de Comunicação A Rede de Telefonia Comutada O Sistema de Telefonia Móvel Televisão a cabo A base teórica da Comunicação de Dados As informações podem ser transmitidas por fios fazendose variar alguma propriedade física como voltagem tensão elétrica ou corrente Representando o valor dessa voltagem ou corrente como uma função de tempo com um valor único ft podemos criar um modelo para o comportamento do sinal e analisálo matematicamente A base teórica da Comunicação de Dados No inicio do Século XIX o matemático Francês JeanBaptiste Fourier provou que qualquer função periódica razoavelmente estável ft com o período T pode ser construída como a soma de um numero possivelmente infinito de senos e cosenos como indicado na equação 1 A base teórica da Comunicação de Dados 1 1 1 cos2 2 2 1 n n n n n ft b n ft a sen c f t onde f 1T é a freqüência fundamental an e bn são as amplitudes do seno e do coseno dos nêsimos harmônicos termos e c e uma constante A base teórica da Comunicação de Dados Essa decomposição e chamada Série de Fourier A partir da série de Fourier a função pode ser reconstruída ou seja se o período T for conhecido e as amplitudes forem dadas a função original do tempo poderá ser encontrada A base teórica da Comunicação de Dados Um sinal de dados com uma duração finita como acontece com todos eles pode ser tratado com base na premissa de que ele repete o mesmo padrão ou seja o intervalo de T a 2T é igual ao de 0 a T etc As an amplitudes podem ser calculadas para qualquer gt dada multiplicandose ambos os lados da Equação 1 por sen2πkft e em seguida integrandose de 0 a T como indicado na equação 2 A base teórica da Comunicação de Dados 1 1 2 2 cos 2 2 2 2 1 2 n n n n kft nft sen b nft kft sen a sen kft c sen kft t sen f T n T n T T kft n ft sen b kft n ft sen sen a kft c sen kft t sen f 0 0 0 0 2 cos2 2 2 2 2 1 2 A base teórica da Comunicação de Dados Sabendo que 2 0 2 2 cos 0 2 2 1 0 0 T n T kft n ft sen b kft sen c T n para k T n k para nft dt kft sen sen 0 2 0 2 2 A base teórica da Comunicação de Dados Apenas um termo do somatório sobrevive an 3 O somatório bn desaparece completamente T n nft dt f t sen T a 0 2 2 A base teórica da Comunicação de Dados Da mesma forma multiplicando a Equação 1 por cos2πkft e integrando entre 0 e T podemos derivar bn 4 Integrando ambos os lados da equação 1 tal qual ela se encontra podemos encontra c 5 T n nft dt f t T b 0 cos2 2 T f t dt T c 0 2 A base teórica da Comunicação de Dados Para perceber como tudo isso se relaciona com a comunicação de dados vamos analisar um exemplo especifico a transmissão do caractere ASCII b codificado como um byte 8 bits O padrão de bits que deve ser transmitido é 01100010 A parte esquerda da Figura 1a mostra a saída de voltagem do computador transmissor A base teórica da Comunicação de Dados Figura1 a Um sinal binário e suas amplitudes de media quadrática de Fourier b a e Aproximações sucessivas do sinal original A base teórica da Comunicação de Dados A analise de Fourier desse sinal produz os seguintes coeficientes 6 4 3 4 6 4 7 4 3 4 1 4 cos7 4 cos6 cos3 4 4 cos 1 c n sen n sen sen n n sen b n n n n a n n A base teórica da Comunicação de Dados As amplitudes de média quadrática para os primeiros termos são mostradas no lado direito da Figura 1 Esses valores têm interesse porque seus quadrados são proporcionais a energia transmitida na freqüência correspondente A base teórica da Comunicação de Dados Nenhum recurso de transmissão é capaz de transmitir sinais sem perder parte da energia no processo Se todos os coeficientes da serie de Fourier fossem igualmente reduzidos o sinal resultante seria reduzido em amplitude mas não seria distorcido isto e ele teria a mesma forma mostrada na Figura 1a A base teórica da Comunicação de Dados Infelizmente todos os meios de transmissão reduzem diferentes componentes de Fourier por diferentes valores e em conseqüência disso introduzem distorção Em geral as amplitudes são transmitidas sem redução de 0 até alguma freqüência fc chamada frequencia de corte cutoff frequency com todas as freqüências acima dessa freqüência de corte sendo atenuadas A base teórica da Comunicação de Dados A faixa de freqüências transmitidas sem serem fortemente atenuadas denominase largura de banda Na prática o corte não é nítido assim muitas vezes a largura de banda varia desde 0 até a freqüência em que metade da potência é transmitida A base teórica da Comunicação de Dados A largura de banda é uma propriedade física do meio de transmissão e em geral depende da construção da espessura e do comprimento do meio Em alguns casos um filtro é introduzido no circuito para limitar o volume de largura de banda disponível para cada usuário A base teórica da Comunicação de Dados Por exemplo uma linha telefônica pode ter uma largura de banda de 1 MHz para curtas distâncias mas as empresas de telefonia acrescentam um filtro que restringe cada usuário a cerca de 3400 Hz Essa largura de banda é adequada para voz compreensível e melhora a eficiência do sistema limitando a utilização de recursos pelos usuários A base teórica da Comunicação de Dados Em 1924 H Nyquist percebeu que até mesmo um canal perfeito têm uma capacidade de transmissão finita Ele derivou uma equação expressando a taxa máxima de dados de um canal sem ruído com largura de banda finita Em 1948 Claude Shannon aprofundou o trabalho de Nyquist e o estendeu ao caso de um canal sujeito a ruído aleatório isto é termodinâmico Shannon 1948 A base teórica da Comunicação de Dados Veja a seguir um resumo dos resultados agora clássicos dessas experiências Nyquist provou que se um sinal arbitrário atravessar um filtro passabaixa de largura de banda B o sinal filtrado poderá ser completamente reconstruído a partir de apenas 2B amostras exatas por segundo A base teórica da Comunicação de Dados Fazer uma amostragem da linha com uma rapidez maior que 2B vezes por segundo seria inútil pois os componentes de freqüência mais alta que essa amostragem poderia recuperar já teriam sido filtrados Se o sinal consistir em M níveis discretos o teorema de Nyquist afirma que Taxa máxima de dados 2Blog2M bitss 7 Onde M é o número de símbolos a serem transmitidos A base teórica da Comunicação de Dados Sendo k log2M 8 Onde k é o numero de bits por símbolo A base teórica da Comunicação de Dados Até agora só mencionamos os canais sem ruído Se houver ruído aleatório a situação irá se deteriorar com rapidez Além disso sempre existe ruído aleatório térmico presente devido ao movimento das moléculas no sistema A base teórica da Comunicação de Dados O volume de ruído térmico presente é medido pela relação entre a potência do sinal e a potência do ruído chamada relação sinalruído ou SNR SignaltoNoise Ratio O principal resultado de Shannon é que a taxa máxima de dados de um canal com ruídos cuja largura de banda é B Hz e cuja relação sinalruído é SN é dada por Numero máximo de bitss Blog21 SN 9 A base teórica da Comunicação de Dados Por exemplo um canal de largura de banda 3000 Hz com uma relação de sinal ruído térmico igual a 30 dB parâmetros típicos da parte analógica do sistema telefônico nunca pode transmitir muito mais de 30000 bps independente da quantidade de níveis de sinal utilizados e da freqüência com que as amostras são obtidas Numero máximo de bitss Blog21 SN 3000log21 SN 30k bps A base teórica da Comunicação de Dados O resultado de Shannon utilizou os argumentos da teoria da informação e se aplica a qualquer canal sujeito a ruído térmico Modulação Digital e Multiplexação Os canais com fio e sem fio transportam sinais analógicos como tensão variando continuamente a intensidade da luz ou a intensidade de som Para enviar informações digitais temos de criar sinais digitais para representar os bits O processo de conversão entre bits e sinais que os representam é chamado de modulação digital Modulação Digital e Multiplexação Há dois tipos de transmissão Transmissão em banda base Transmissão em banda passante Modulação Digital e Multiplexação Transmissão em banda base A forma mais simples de codificação é usar uma tensão positiva para representar o bit 1e uma tensão negativa para representar o 0 Esse esquema é chamado NRZ non return to zero Um exemplo aparece na figura 2b porém esse é bastante simples Modulação Digital e Multiplexação Figura 2 Códigos de linha a bits b NRZ c NRZI d Manchester e Bipolar ou AMI Modulação Digital e Multiplexação Assim são usados esquemas mais sofisticados chamados de códigos de linha A figura 2 mostra ainda o código Manchester que foi padronizado para a Ethernet cabeada e o NRZI non return to zero Ineverted usado pelo padrão USB Universal Serial Band Modulação Digital e Multiplexação Transmissão em banda passante Podemos modular a amplitude a fase ou a freqüência da portadora Cada um desses métodos tem um nome correspondente Modulação Digital e Multiplexação No ASK Amplitude Shift Keying duas amplitudes diferentes são usadas para representar 0 e 1 como indicado na figura 3b Há o FSK Frequency Shift Keying no qual dois ou mais tons diferentes são usados figura 3c E há o PSK Phase Shift Keying no qual duas ou mais fases são usadas figura 3d Modulação Digital e Multiplexação Figura 3 a sinal binário b ASK c FSK d PSK Modulação Digital e Multiplexação Um esquema melhor que usa a largura de banda do canal de modo mais eficiente é o QPSK Quadrature Phase Shift Keying que usa 45º 135º 225º ou 315º Em geral a amplitude e a fase são moduladas em combinação A figura 4 mostra três exemplos de modulações a modulação QPSK a modulação 16QAM Quadrature Amplitude Modulation e o 64QAM Modulação Digital e Multiplexação Figura 4 a QPSK b 16QAM c 64QAM Modulação Digital e Multiplexação Esse tipo de diagrama é chamado de diagrama de constelação As constelações que vimos até aqui não mostram de forma alguma como os bits são atribuídos aos símbolos Como fazer essa associação Modulação Digital e Multiplexação Uma solução é mapear de modo que os símbolos adjacentes diferem de apenas 1 bit Esse mapeamento é chamado de código Gray A figura 5 mostra o diagrama de constelação 16QAM que foi codificado com código Gray Modulação Digital e Multiplexação Figura 5 16QAM com código Gray Modulação Digital e Multiplexação Os canais normalmente são compartilhados por vários sinais Esse tipo de compartilhamento é chamado de multiplexação Podendo ser realizado de diversas maneiras como na freqüência tempo e código As técnicas de modulação e multiplexação que serão descritas são muito usadas para canais com fio fibra terrestres sem fio e por satélite Modulação Digital e Multiplexação Multiplexação por divisão de frequência ou FDM Frequency Division Multiplexing Figura 6 Multiplexação por divisão de freqüência a as larguras de bandas originais b as larguras de banda aumentaram em freqüência c O canal multiplexado Modulação Digital e Multiplexação Ao enviar dados digitais é possível dividir o espectro de modo eficiente sem usar bandas de proteção Na multiplexação ortogonal por divisão de freqüência ou OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexxing a largura de banda do canal é dividida em muitas subportadoras que enviam dados independentes por exemplo com QAM As subportadoras compactam bastante o domínio da freqüência assim os sinais de cada subportadora se estendem para as adjacentes Modulação Digital e Multiplexação Contudo como vemos na figura 7 a resposta em freqüência de cada subportadora é projetada de modo que seja zero no centro das subportadoras adjacentes As subportadoras podem portanto serem amostradas em suas freqüências centrais sem interferência de seus vizinhos Para que isso funcione um intervalo de guarda é necessário de modo que tenham a resposta de freqüência desejada Modulação Digital e Multiplexação Figura 7 Multiplexação ortogonal por divisão de freqüência OFDM Modulação Digital e Multiplexação O OFDM é usado no padrão 80211 WiFi redes a cabo e redes por linhas de energia elétrica PLC Power Line Communication e para sistemas celulares a partir do 4G Modulação Digital e Multiplexação Multiplexação por divisão de tempo ou TDM Time Division Multiplexing Figura 8 Multiplexação por divisão de tempo TDM Modulação Digital e Multiplexação Multiplexação por divisão de código ou CDM Code Division Multiplexing Figura 9 Multiplexação por divisão de código CDM Modulação Digital e Multiplexação Com um protocolo CDMA cada bit que está sendo enviado é codificado pela multiplicação do bit por um sinal o código que muda a uma velocidade muito maior conhecida como velocidade de chipping do que a seqüência original dos bits de dados Suponha que a velocidade com que os bits de dados originais cheguem ao codificador CDMA defina a unidade de tempo isto é cada bit original de dados a ser transmitido requeira um intervalo de tempo de 1 bit Modulação Digital e Multiplexação Seja di o valor do bit de dados para o iésimo intervalo de bit Por conveniência do cálculo matemático representamos o bit de dados para o valor 0 por 1 Cada intervalo de bit é ainda subdividido em M miniintervalos Modulação Digital e Multiplexação O código CDMA usado pelo remetente consiste em uma seqüência de M valores cm m 1M cada um assumindo um valor 1 e 1 Modulação Digital e Multiplexação Para ilustrar como o CDMA funciona vamos focalizar o iésimo bit de dados di Para o mésimo miniintervalo de tempo de transmissão de bits di a saída do codificador CDMA Zim é o valor de di multiplicado pelo mésimo bit de código CDMA escolhido cm 10 m i i m d c Z Modulação Digital e Multiplexação Caso não houvesse remetentes interferindo o receptor receberia os bits codificados Zim e recuperaria os bits de dados originais di calculando 11 A figura 10 mostra o funcionamento do sistema CDMA m M m i m i c Z M d 1 1 Modulação Digital e Multiplexação Figura 10 Um exemplo simples de CDMA codificação no remetente e decodificação no receptor Neste exemplo M 8 sendo usado pelo remetente é 11111111 Modulação Digital e Multiplexação Porém essa hipótese é falsa dessa forma o CDMA deve funcionar na presença de remetentes que interfiram e que estão codificando e transmitindo seus dados usando um código designado diferente Mas como um receptor CDMA pode recuperar bits de dados originais de um remetente quando esses bits de dados estão sendo embaralhados com bits que estão sendo transmitidos por outros remetentes Modulação Digital e Multiplexação O CDMA funciona na presunção de que os sinais de bits interferentes que estão sendo transmitidos são aditivos Isso significa por exemplo que se três remetentes enviarem um valor 1 e um quarto remetente envia um valor 1 durante o mesmo miniintervalo então o sinal recebido é 2 já que 1111 2 Modulação Digital e Multiplexação Na presença de vários remetentes cada remetente calcula suas transmissões codificadas exatamente como 12 s m iZ m i i m d c Z Modulação Digital e Multiplexação O valor recebido no receptor durante o mésimo miniintervalo do iésimo bit contudo é agora a soma dos bits transmitidos de todos os N remetentes durante o miniintervalo 13 N s s i m i m Z Z 1 Modulação Digital e Multiplexação Se os códigos dos remetentes forem escolhidos com cuidado cada receptor pode recuperar os dados enviados por um dado remetente a partir do sinal agregado apenas usando o código do remetente como na equação 14 Assim 15 m M m i m i c Z M d 1 1 M m m i m i c Z M d 1 1 Modulação Digital e Multiplexação A figura 11 mostra o funcionamento do sistema CDMA com dois usuários Modulação Digital e Multiplexação Figura 11 Um exemplo de CDMA com dois remetentes Meios de transmissão O objetivo da camada física é transmitir bits de uma máquina para outra Vários meios físicos podem ser usados para realizar a transmissão Cada um tem suas próprias características em termos de largura de banda retardo custo facilidade de instalação e manutenção Meios de transmissão Os meios físicos são agrupados em meios guiados como os pares trançados os cabos coaxiais e as fibras ópticas e em meios não guiados como as ondas de radio Discutiremos esses meios de transmissão a seguir Meios de transmissão guiados Par trançado Twisted Pair ou simplesmente TP O meio de transmissão mais antigo e ainda mais comum é o par trançado Um par trançado consiste em dois fios de cobre encapados que em geral tem cerca de 1 mm de espessura Meios de transmissão guiados Os fios são enrolados de forma helicoidal O trançado dos fios é feito porque dois fios paralelos formam uma antena simples Quando os fios são trançados as ondas de diferentes partes dos fios se cancelam o que significa menor interferência Figura 12 a Cat 3 UTP b Cat 5 UTP Meios de transmissão guiados A aplicação mais comum do par trançado é o sistema telefônico Os pares trançados podem ser usados na transmissão de sinais analógicos ou digitais A largura de banda depende da espessura do fio e da distância percorrida mas em muitos casos é possível alcançar diversos megabitss por alguns quilômetros Meios de transmissão guiados Devido ao custo e ao desempenho obtidos os pares trançados são usados em larga escala e é provável que assim permaneçam Principal uso Ethernet Meios de transmissão guiados O cabeamento de par trançado pode ser de vários tipos Cabos de par trançado são composto por 4 pares de fios de cobre trançados Cada par de cabos utiliza um padrão de entrelaçamento diferente Meios de transmissão guiados Protege as transmissões de interferências sem necessidade de blindagem Balanced pair dois fios do mesmo par transmitem o mesmo sinal com a polaridade invertida Meios de transmissão guiados Figura 13 Cabos de par trançado e conector UTP Unshielded Twisted Pair Meios de transmissão guiados Categorias Cat 3 primeiro padrão de cabos de par trançado desenvolvido especialmente para uso em redes Suporta 16 MHz 10 BASET 24 tranças por metro Meios de transmissão guiados Cat 5 são os mais comuns e mais baratos e suportam 100 MHz 100 BASETX e 1000 BASET Substituídos pelos Cat 5e enhanced os quais são os mais populares Permitem taxas de 100 Mbits e 1000 Mbits Um par trançado da categoria 5 consiste em dois fios isolados e levemente trançados Meios de transmissão guiados Cat 6 suportam 250 MHz Distância máxima permitida é 100 m Cat 6a a de augmented ou ampliado Suportam 500 MHz Usa espaçadores entre os pares de cabos para reduzir o crosstalk desvantagem espessura passou de 56 mm para 79 mm e reduziu flexibilidade Redes 10 Gigabit Ethernet distância máxima 55 m Meios de transmissão guiados Cat 5 Cat 5e Cat 6 Cat 6a Freqüência máxima de operação 100 MHz 250 MHz 500 MHz Padrão Ethernet 1000 BASET 1 Gbs e inferiores 10GBASET 10 Gbs e inferiores 10GBASET 10 Gbs e inferiores Distância máxima 100 m 55 m 10 giga 100 m 10 giga 100 m Tabela 1 Resumo par trançado Meios de transmissão guiados Cabo coaxial Outro meio de transmissão comum é o cabo coaxial conhecido apenas como coax Ele tem melhor blindagem que os pares trançados e assim pode se estender por distâncias mais longas em velocidades mais altas Dois tipos de cabo coaxial são amplamente utilizados Meios de transmissão guiados Um deles o cabo de 50 ohms e comumente empregado nas transmissões digitais O outro tipo o cabo de 75 ohms é usado com freqüência nas transmissões analógicas e de televisão a cabo Cabos coaxiais são compostos por um fio rígido de cobre no núcleo um dielétrico uma malha de cobre envolta e por fim uma cobertura plástica protetora Meios de transmissão guiados Figura 14 Um cabo coaxial 1Núcleo de cobre 2Material isolante 3Condutor externo em malha 4Capa plástica protetora Meios de transmissão guiados Os cabos modernos têm uma largura de banda próxima de 1 GHz Os cabos coaxiais eram muito usados no sistema telefônico em linhas de longa distância mas foram substituídos por fibras ópticas nas rotas de longa distância Porém os cabos coaxiais ainda são usados em larga escala pelas redes de televisão a cabo e em redes metropolitanas Meios de transmissão guiados Linhas de energia elétrica Power Line Communication PLC O uso das linhas de energia elétrica para comunicação de dados é uma idéia antiga Essas tem sido usadas pelas companhias de eletricidade para a comunicação de baixas taxas como a medição remota e para controle de dispositivos em casa Meios de transmissão guiados Nos últimos anos tem crescido o interesse em usar essas linhas como uma LAN dentro de casa e para o acesso de banda larga à Internet A configuração está indicada na figura 15 O sinal de dados é sobreposto ao sinal de baixa freqüência enquanto os dois sinais usam a fiação ao mesmo tempo Meios de transmissão guiados Figura 15 Rede de dados que usa a fiação elétrica domiciliar Meios de transmissão guiados A dificuldade em usar a fiação elétrica domiciliar é que ela foi projetada para distribuir energia elétrica essa tarefa é muito diferente de distribuir sinais de dados algo para o qual a fiação elétrica é pouco eficiente Os sinais elétricos são enviados a 5060 Hz e a fiação atenua os sinais de freqüências muita mais altas MHz necessária para a comunicação de dados Meios de transmissão guiados As propriedades elétricas da fiação variam de uma casa para outra e mudam a medida que aparelhos são ligados e desligados fazendo com que os sinais de dados oscilem pela fiação Apesar disso é possível enviar pelo menos 100 Mbps pela fiação elétrica doméstica usando esquemas de comunicação que contornam esses problemas Meios de transmissão guiados Fibra óptica Com a atual tecnologia de fibra óptica a largura de banda pode ultrapassar a casa dos 50000 Gbps 50 Tbps Meios de transmissão guiados O sistema óptico tem três 03 principais componentes emissor de luz transmissor ótico meio de Tx e fotodetector Meio de transmissão é uma fibra de vidro ultrafina a conhecida fibra ótica Comunicação digital 1 pulso luminoso 0 ausência de luz Meios de transmissão guiados O detector gera um pulso elétrico quando entra em contato com a luz Quando instalamos uma fonte de luz em uma extremidade de uma fibra óptica e um detector na outra temos um sistema de transmissão de dados unidirecional que aceita um sinal elétrico converte o sinal e o transmite por pulsos de luz depois na extremidade de recepção a saída é reconvertida em um sinal elétrico Meios de transmissão guiados Núcleo por onde a luz se propaga Monomodo 8 a 10 μm Multimodo 50 a 625 μm Casca feito de vidro com índice de refração menor do que o do núcleo Possibilita reflexão total e consequentemente a manutenção do feixe luminoso no interior da fibra Capa plástica tem a função de proteger a fibra mecanicamente Figura 16 Fibra óptica Meios de transmissão guiados Sistemas óticos de transmissão refração Quando um raio de luz passa de um meio para outro por exemplo de sílica fundida para o ar o raio é refratado desviado na fronteira sílicaar como mostra a Figura 17a Meios de transmissão guiados Figura 17 a Três exemplos de um raio de luz dentro de uma fibra de sílica incidindo na fronteira arsílica em diferentes ângulos b A luz interceptada pela reflexão total interna Meios de transmissão guiados A intensidade da refração depende das propriedades dos dois meios físicos em particular de seus índices de refração Para ângulos de incidência que ultrapassam um certo valor critico a luz é refletida de volta para a sílica nada escapa para o ar Dessa forma um raio de luz incidente no ângulo crítico ou acima dele é interceptado no interior da fibra como mostra a Figura 17b e pode se propagar por muitos quilômetros sem sofrer praticamente nenhuma perda Meios de transmissão guiados Dizemos que cada raio tem um modo específico assim uma fibra que apresenta essa propriedade é chamada fibra multimodo No entanto se o diâmetro da fibra for reduzido a alguns comprimentos de onda de luz a fibra agirá como um guia de onda e a luz só poderá se propagar em linha reta sem desviar produzindo assim uma fibra de modo único ou fibra monomodo As fibras de modo único são mais caras mas são amplamente utilizadas em distâncias mais longas Meios de transmissão guiados Resumindo Multimodo raios de diferentes modos ie diferentes ângulos de incidênciareflexão Monomodo diâmetro da fibra extremamente reduzido atua como um guia de ondas O ângulo de admissão máximo é tecnicamente denominado de abertura numérica Meios de transmissão guiados Temos os seguintes tipos de fibra Índice degrau Prós mais fácil fabricação econômico Alta abertura numérica emissores mais baratos Contras permite número elevado de modos dispersão modal o que reduz a banda e limita o uso a pequenas distâncias Índice gradual índice de refração não é constante Prós menos modos maior banda passante e maior distância Contras Menor abertura numérica Fabricação mais complexa distâncias ainda não tão longas Aplicações em sistemas de telecomunicações Meios de transmissão guiados Monomodo Prós único modo não ocorre dispersão modal Contras Dificuldade mecânica de fabricação custo Comunicações de média e longa distâncias ex intercontinental A figura 18 resume os tipos de fibras Meios de transmissão guiados Figura 18 Tipos de fibra Meios de transmissão guiados Transmissão de luz na fibra As fibras ópticas são feitas de vidro A atenuação da luz através do vidro depende do comprimento de onda da luz bem como de algumas propriedades físicas do vidro A atenuação do tipo de vidro usado nas fibras é mostrada na Figura 19 em dB por km linear de fibra Ela é definida como a razão entre a potência do sinal de entrada e saída Meios de transmissão guiados Figura 19 Atenuação da luz na fibra na região do infravermelho 1ª janela ótica Centrada em 085 μm Apresenta a maior atenuação por km mas é mais barata pois nela se utilizam componentes mais simples AsGa Aplicações de curta distância 2ª janela ótica Centrada em 130 μm Maior capacidade Maioria das aplicações comerciais 3ª janela ótica bandas C e L Centrada em 155 μm Voltada para fibras de sílica Meios de transmissão guiados A comunicação óptica utiliza três bandas de comprimentos de onda Elas são centralizadas em 085µ 130µ e 155µ respectivamente As duas últimas tem boas propriedades de atenuação uma perda inferior a 5 por km A banda de 085µ tem uma atenuação maior mas por outro lado nesse comprimento de onda os lasers e os chips podem ser produzidos a partir do mesmo material As três bandas tem entre 25000 e 30000 GHz de largura Meios de transmissão guiados Perdas nos sistemas ópticos Por curvaturas Figura 20 Perdas devido a curvaturas na fibra Meios de transmissão guiados Espalhamento imperfeições no material da fibra Dispersão intramodal ou cromática Dispersão intermodal Diferentes modos percorrem diferentes distâncias tempos de propagação distintos Quanto mais alta a taxa de bit mais o sistema será afetado Meios de transmissão guiados Tipos de conexões em fibra Conectores 10 a 20 de perda facilidade de reconfigurar o sistema Figura 21 Conectores Meios de transmissão guiados Fusão Desempenho confiabilidade vs custo Perda em emenda por fusão 015 dB monomodo 025 dB multimodo Figura 22 Conexão na fibra usando fusão Meios de transmissão guiados Emenda mecânica 10 de perda requer pessoal treinado Figura 23 Conexão na fibra usando emenda mecânica Meios de transmissão guiados Dois tipos de fontes de luz são usadas geralmente para fazer a sinalização os diodos emissores de luz LEDs Light Emitting Diodes e os lasers semicondutores A tabela 2 faz uma comparação entre diodos e LEDs Meios de transmissão guiados Tabela 2 Uma comparação entre diodos semicondutores e LEDs utilizados como fontes de luz Aspecto LED Laser Durabilidade Maior Menor Sensibilidade à temperatura Menor Maior Custo Menor Maior Taxa de dados Baixa Alta Distância Baixa Alta Fibra Multimodo Ambas Meios de transmissão guiados A extremidade de recepção de uma fibra óptica consiste em um fotodiodo que emite um pulso elétrico ao ser atingido pela luz Em geral o tempo de resposta de um fotodiodo que converte o sinal no domínio óptico para o elétrico limita as taxas de dados a 100 Gbps O ruído térmico também é importante pois um pulso de luz deve conduzir energia suficiente para ser detectado Com pulsos de potência suficiente a taxa de erros pode se tornar arbitrariamente pequena Meios de transmissão guiados Comparação entre fibras ópticas e fios de cobre A fibra tem muitas vantagens Para começar ela pode gerenciar larguras de banda muito mais altas do que o cobre Devido a baixa atenuação os repetidores só são necessários a cada 50 quilômetros de distância em linhas longas comparada a distância de 5 km no caso do cobre A fibra não é afetada por picos de voltagem interferência eletromagnética ou quedas no fornecimento de energia Meios de transmissão guiados Ela também esta imune a ação corrosiva de alguns elementos químicos conseqüentemente adaptase muito bem a ambientes industriais desfavoráveis É fina e leve Muitos dos dutos de cabos atuais estão completamente lotados de modo que não há espaço para aumentar sua capacidade Por fim as fibras não desperdiçam luz e dificilmente são interceptadas Meios de transmissão guiados No entanto a fibra tem a desvantagem de poderem ser danificadas com facilidade se forem encurvadas demais ou seja dificuldade no manuseio Como a transmissão óptica é basicamente unidirecional a comunicação bidirecional exige duas fibras ou duas bandas de freqüência em uma única fibra e isso aumenta o custo Transmissão sem fios Estamos assistindo ao surgimento de pessoas totalmente viciadas em informações pessoas que precisam estar permanentemente conectadas A resposta para esses usuários está na comunicação sem fios Transmissão sem fios O espectro eletromagnético Quando se movem os elétrons criam ondas eletromagnéticas que podem se propagar pelo espaço livre até mesmo no vácuo Essas ondas foram previstas pelo físico inglês James Clerk Maxwell em 1865 e foram observadas pela primeira vez pelo físico alemão Heinrich Hertz em 1887 Transmissão sem fios O número de oscilações por segundo de uma onda eletromagnética é chamado freqüência f e é medida em Hz A distância entre dois pontos máximos ou mínimos consecutivos e chamada comprimento de onda λ 1 ciclo Figura 24 Onda Eletromagnética Transmissão sem fios Pulso eletromagnético Figura 25 pulso Eletromagnético Transmissão sem fios Quando se instala uma antena com o tamanho apropriado em um circuito elétrico as ondas eletromagnéticas podem ser transmitidas e recebidas com eficiência por um receptor localizado a uma distância bastante razoável Toda a comunicação sem fios é baseada nesse princípio Transmissão sem fios No vácuo todas as ondas eletromagnéticas viajam a mesma velocidade independente de sua freqüência chamada de velocidade da luz c é aproximadamente igual a 3x108 ms No cobre ou na fibra a velocidade cai para cerca de 23 desse valor e se torna ligeiramente dependente da freqüência A velocidade da luz é o limite máximo que se pode alcançar Nenhum objeto ou sinal pode se mover com maior rapidez do que ela Transmissão sem fios A relação fundamental entre f λ e c no vácuo é c λf 15 Como c é uma constante se conhecermos f chegaremos a λ e viceversa T 1f 16 Transmissão sem fios O espectro eletromagnético é mostrado na Figura 26 Figura 26 O espectro eletromagnético e a maneira como ele é usado na comunicação Transmissão sem fios Transmissão de rádio As ondas de rádio são fáceis de gerar podem percorrer longas distâncias e penetrar facilmente nos prédios portanto são amplamente utilizadas para comunicação seja em ambientes fechados ou abertos Transmissão sem fios As ondas de rádio também são omnidirecionais o que significa que elas viajam em todas as direções a partir da fonte desse modo o transmissor e o receptor não precisam estar cuidadosamente e fisicamente alinhados As propriedades das ondas de rádio dependem da freqüência Transmissão sem fios Em baixas freqüências as ondas de rádio atravessam os obstáculos mas a potência cai abruptamente a medida que a distância da fonte aumenta cerca de 1d2 Essa atenuação é chamada de Perda de Propagação Em altas freqüências as ondas de rádio tendem a viajar em linha reta e a desviar nos obstáculos Elas também são absorvidas pela chuva Transmissão sem fios Em todas as freqüências as ondas de rádio estão sujeitas a interferência de motores e outros equipamentos elétricos Devido a capacidade que as ondas de rádio apresentam de percorrer longas distâncias a interferência entre os usuários é um problema Por essa razão todos os governos exercem um rígido controle sobre o licenciamento do uso de transmissores de rádio Transmissão sem fios A política do espectro eletromagnético Para evitar o caos total tem sido feitos acordos nacionais e internacionais a respeito de quem terá o direito de usar cada uma das freqüências Em termos mundiais uma agência da ITUR coordena essa alocação de forma que possam ser fabricados dispositivos que funcionem em vários países Transmissão sem fios Os governos nacionais alocam bandas do espectro para radio AM e FM televisão e telefones celulares como também para as empresas de telefonia a polícia os usuários marítimos de navegação militares do governo e para muitos outros usuários concorrentes Até mesmo quando uma parte do espectro é alocada para algum uso como telefones celulares existe a questão adicional de decidir qual concessionária terá permissão para usar cada uma das freqüências Transmissão sem fios Assim são realizados leilões para conceder a largura de banda a empresa que fizer a melhor proposta Há ainda uma banda de frequencia é reservada chamada de bandas ISM Industrial Scientific Medical para uso sem licença Sistemas para abertura de portas de garagens telefones sem fios brinquedos controlados por rádio dispositivos de indicação sem fio e vários outros aparelhos domésticos sem fios utilizam as bandas ISM Transmissão sem fios Em 2009 nos EUA foi permitido pelo FCC o uso não licenciado de espaços vazios em torno de 700 MHz Pela mudança das transmissões de TV analógica para digital liberando esse espectro Em 2016 no Brasil está faixa também começou a ser liberada para esse fim Outra banda em torno de 60 GHz foi liberada para operação não licenciada Transmissão sem fios A 60 GHz as ondas seriam obsorvidas pelo oxigênio assim os sinais não se propagariam longe sendo adequado para redes de curta distâncias A figura 27 mostra as faixas de frequencias Transmissão sem fios Figura 27 Faixas de Frequencias Transmissão sem fios Transmissão de microondas Acima de 100 MHz as ondas trafegam praticamente em linha reta e portanto podem ser concentradas em uma faixa estreita A concentração de toda a energia em um pequeno feixe através de uma antena parabólica como a conhecida antena de TV por satélite oferece uma relação sinalruído muito mais alta mas as antenas de transmissão e recepção devem estar alinhadas com o máximo de precisão Transmissão sem fios Além disso essa direcionalidade permite o alinhamento de vários transmissores em uma única fileira fazendo com que eles se comuniquem com vários receptores também alinhados sem que haja interferência desde que sejam observadas algumas regras mínimas de espaçamento Transmissão sem fios Antes da fibra óptica durante décadas as microondas formaram o núcleo do sistema de transmissão telefônica de longa distância É preciso instalar repetidores a intervalos periódicos Quanto mais altas são as torres mais distantes elas podem estar umas da outras Torres com 100 m de altura devem ter repetidores a cada 80 km Transmissão sem fios Algumas ondas podem ser refratadas nas camadas atmosféricas mais baixas e conseqüentemente sua chegada pode ser mais demorada que a das ondas diretas As ondas atrasadas podem chegar fora de fase em relação a onda direta e assim cancelar o sinal Esse efeito e chamado Desvanecimento por Multipercurso multipath fading e costuma provocar sérios problemas Transmissão sem fios Ele depende das condições atmosféricas e da freqüência Algumas operadoras mantém 10 dos seus canais ociosos como sobressalentes esses canais serão utilizados quando o desvanecimento por Multipercurso eliminar temporariamente alguma banda de freqüência Transmissão sem fios As bandas de até 10 GHz agora são de uso rotineiro mas a partir de 4 GHz surge um novo problema a absorção pela água Essas ondas tem apenas alguns centímetros e são absorvidas pela chuva Em resumo a comunicação por microondas é muito usada na telefonia a longa distância em telefones celulares e na distribuição de sinais de televisão Satélites de comunicações O satélite amplifica os sinais antes de enviálos de volta Os satélites de comunicações possuem algumas propriedades interessantes que os tornam atraentes para muitas aplicações Em sua forma mais simples um satélite de comunicações pode ser considerado um grande repetidor de microondas no céu Satélites de comunicações Ele contém diversos transponders cada um deles ouve uma parte do espectro amplifica os sinais de entrada e os transmite novamente em outra freqüência para evitar interferência com o sinal de entrada Quanto mais alto o satélite mais longo o período Satélites de comunicações Perto da superfície da Terra o período é de cerca de 90 minutos Conseqüentemente os satélites de baixa órbita saem de visão com bastante rapidez e assim são necessários muitos deles para proporcionar cobertura contínua A uma altitude de aproximadamente 36000 km o período é de 24 horas Na altitude de 384000 km o período é de cerca de um mês Como indicado na figura 28 os satélites podem ser classificados de acordo com o seu posicionamentos em Satélites terrestres de orbita baixa de orbita média e geoestacionários Satélites de comunicações Figura 28 Satélites de comunicações e algumas de suas propriedades inclusive altitude acima da Terra tempo de retardo de ida e volta e ainda o numero de satélites necessários para cobertura global Satélites de comunicações Satélites geoestacionários Os satélites de alta órbita são chamados com freqüência satélites GEO Geoestationary Earth Orbit Cada transponder pode usar varias freqüências e polarizações com a finalidade de aumentar a largura de banda disponível Satélites de comunicações Satélites terrestres de orbita média Em altitudes muito mais baixas entre os dois cinturões de Van Allen encontramos os satélites MEO MediumEarth Orbit Pelo fato de estarem em orbitas mais baixas que os GEOs eles tem uma área de cobertura menor no solo e exigem transmissores menos potentes para alcançálo Os 24 satélites GPS Global Positioning System que estão em órbita a cerca de 18000 km de altitude são exemplos de satélites MEO Satélites de comunicações Satélites terrestres de baixa órbita A uma altitude menor encontramos os satélites LEO LowEarth Orbit Devido a seu rápido movimento são necessárias grandes quantidades desses satélites para formar um sistema completo Por outro lado pelos fato de os satélites estarem muito próximos da Terra as estações terrestres não precisam de muita potência e o retardo de ida e volta é de apenas alguns milissegundos Satélites de comunicações Como as transmissões do satélite para a Terra downlink interferem com usuários de microondas A ITU alocou certas bandas de freqüência para usuários de satélites As principais estão listadas na tabela 3 A banda C foi a primeira a ser designada para tráfego comercial de satélite Satélites de comunicações Tabela 3 As principais bandas de satélite Satélites de comunicações Um satélite moderno tem cerca de 40 transponders cada um com uma largura de banda de 36 MHz Em geral cada transponder opera como um canal em curva mas satélites recentes capacidade de processamento a bordo permitindo operação mais sofisticada Nos primeiros satélites a divisão dos transponders em canais era estática a largura de banda era simplesmente dividida em bandas de freqüências fixas Satélites de comunicações Hoje em dia o feixe de cada transponder é divido em slots de tempo com diversos usuários realizando turnos de atividades Os primeiros satélites geoestacionários tinham um único feixe espacial que iluminava cerca de 13 da superfície da Terra denominado sua área de cobertura footprint Com o barateamento dos custos tamanho e requisitos de potência dos equipamentos microeletrônicos tornouse viável uma estratégia de transmissão muito mais sofisticada Satélites de comunicações Cada satélite é equipado com diversas antenas e vários transponders Cada feixe descendente pode ser focalizado em uma pequena área geográfica portanto podem acontecer diversas transmissões ascendentes e descendentes ao mesmo tempo Um novo desenvolvimento no mundo dos satélites de comunicações é a criação de microestações de baixo custo as chamadas VSATs Very Small Aperture Terminals Satélites de comunicações A televisão de difusão direta por satélite utiliza essa tecnologia na transmissão Em muitos sistemas VSATs as microestações não tem energia suficiente para se comunicarem diretamente com as outras via satélite é óbvio Em vez disso é necessária uma estação terrestre especial o hub com uma grande antena de alto ganho para retransmitir o tráfego entre VSATs como mostra a Figura 29 Os VSATs apresentam um grande potencial em áreas rurais Satélites de comunicações Figura 29 VSATs utilizando um hub Satélites de comunicações Os satélites de comunicações têm diversas propriedades bastante diferentes dos enlaces terrestres ponto a ponto Para começar a longa distância de ida e volta introduz um retardo substancial para os satélites GEO Um valor típico é 270 ms 540 ms no caso de um sistema VSAT com um hub Por exemplo os enlaces de microondas terrestres têm um retardo de propagação de aproximadamente 3 skm e os enlaces de cabo coaxial ou fibra óptica geram um retardo de cerca de 5 skm Satélites de comunicações Outra propriedade importante dos satélites é que eles são basicamente meios de difusão Enviar uma mensagem para milhares de estações localizadas na área de cobertura de um transponder não custa mais do que enviar a mensagem para apenas uma estação Porém do ponto de vista da segurança e da privacidade os satélites são um completo desastre todo mundo pode ouvir tudo Satélites de comunicações A criptografia é essencial quando a segurança é necessária Nos satélites o custo de transmissão de uma mensagem é independente da distância percorrida O serviço de uma chamada transcontinental não custa mais do que uma chamada entre um lado e outro da rua Os satélites também proporcionam excelentes taxas de erros