TET 00202 Multiplexação

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Multiplexação

TET 00202

Profª. Dianne Scherly Varela de Medeiros

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Princípios Básicos

Meios Físicos de Transmissão

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Meios Físicos de Transmissão

• Bits se propagam entre pares TX/RX

• Meios físicos podem ser

̶ Guiados

̶ Não-guiados

• Cada meio físico possui propriedades específicas

̶ Largura de banda

̶ Atraso

̶ Custo

̶ Facilidade de Instalação

̶ Manutenção

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Meios Físicos: Guiados

• Sinal se propaga no meio sólido

• Atenuação depende de alguns fatores

̶ Comprimento do cabo

̶ Características elétricas

̶ Frequência do sinal

̶ Número de conectores existentes

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Meios Físicos: Guiados

• Exemplos

̶ Par trançado: cobre

• Cat 5: 100 Mbps, 1 Gbps Ethernet

• Cat 6: 10 Gbps Ehernet

̶ Cabo coaxial

• Dois condutores concêntricos

• Múltiplos canais em um cabo

̶ Fibra óptica

• Sílica ou Polimérica

• Elevada taxa de transmissão

• Baixa taxa de erro

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Par Trançado

• Par trançado é um dos meios mais antigos e ainda hoje muito comuns

• Composto por dois fios de cobre encapados, trançados entre si

̶ Por que trançado?

• Aplicação mais comum

̶ Sistema telefônico

̶ ADSL

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Par Trançado

• Alcance de quilômetros, sem amplificação

• Interferência atenuada pelo trançado mesmo ao se utilizar muitos pares em um mesmo cabo

• Usado em transmissão digital ou analógica

• Largura de banda depende da espessura do fio e da distância percorrida

̶ Longas distâncias (km): 20 Kbps

̶ Curtas distâncias (dezenas de m): 100 Mbps

• Baixo custo e desempenho adequado

• Facilidade de instalação

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Par Trançado

• Tipo mais comum

̶ Cat 5: 4 pares trançados agrupados

• Fast Ethernet: 2 pares, 1 em cada direção

• Gigabit Ethernet: 4 pares, 4 em cada direção

̶ Cat 6: UTP

• 10-Gigabit Ethernet

̶ Cat 7: STP

• 10-Gigabit Ethernet

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Cabo Coaxial

• Condutor cilíndrico isolado, envolto por malha de cobre e uma capa plástica de proteção

• Apresenta melhores propriedades eletromagnéticas do que o par trançado

̶ Melhor blindagem

• Maior imunidade ao ruído

• Maiores distâncias de transmissão

• Maiores taxas de transmissão

Capa de proteção plástica

Condutor externo (malha)

Isolante

Condutor interno

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Cabo Coaxial

• Tipos mais comuns

̶ 50 Ω: transmissão digital

• Cabos de banda básica: uma frequência de transmissão, ou duas se for usada modulação FSK

̶ 75 Ω: transmissão analógica e televisão a cabo, posteriormente transmissão digital

• Cabos de banda larga: multiplexação por divisão de frequência

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Cabo Coaxial

• Aplicação mais comum

̶ Antigamente: sistema telefônico para longa distância

• Substituídos por fibras ópticas

̶ Atualmente: televisão a cabo e redes metropolitanas

• Classificação e aplicação

̶ RG-6 (75 Ω): CATV

̶ RG-8 (50 Ω): thick Ethernet (10-Base5)

̶ RG-11 (75 Ω): tronco principal CATV

̶ RG-58 (50 Ω): thin Ethernet (10-Base2)

̶ RG-213 (50 Ω): RF até 1 GHz

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Índice de Refração

• Índice de refração define a relação entre a velocidade de propagação da luz no vácuo, 𝑐, e a velocidade de

propagação da luz em um determinado material, 𝑣

𝑛 = 𝑐 𝑣

𝑛₁ > 𝑛₂ ⇒ 𝜃₁ < 𝜃₂ 𝑛₁ < 𝑛₂ ⇒ 𝜃₁ > 𝜃₂ 𝜃₁ > 𝜃_𝐶 ⇒ reflexão total

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Fibras Ópticas

• Transmissão de dados usando luz

̶ Sinal de dados modula a luz

• Taxas de transmissão muito elevadas

̶ +100 Gb/s

• Custo de instalação elevado

• Requer conversão eletro-óptica

̶ Limitação da velocidade de processamento

Limite ar/sílica

Sílica

Ar

Fonte de luz

Reflexão interna total

𝑛₁

𝑛₂ 𝑛₁ < 𝑛₂

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Multimodo

Monomodo

Núcleo de vidro Casca de vidro

Fibras Ópticas

• Fibras podem ser

̶ Multimodo

• Vários modos propagantes

• Maior diâmetro

• Maior atenuação

• Menor alcance

• Maior custo financeiro

̶ Monomodo

• Apenas um modo propagante

• Menor diâmetro

• Menor atenuação

• Maior alcance

• Menor custo financeiro

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Fibras Ópticas

• Atenuação

̶ Baixos valores de atenuação

̶ Perfil de atenuação

IR

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Fibras Ópticas

• Atenuação

̶ Principal causador da atenuação: fenômenos de dispersão

• Dispersão cromática

• Dispersão modal

• Dispersão dos modos de polarização (PMD)

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Fibras Ópticas

• Atenuação

̶ Dispersão cromática

• Um pulso é formado por diferentes comprimentos de onda

• Cada comprimento de onda experimenta uma atenuação diferente

• Principal fenômeno causador de atenuação em fibras monomodo

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Fibras Ópticas

• Atenuação

̶ Dispersão modal

• A onda eletromagnética que transporta a informação distribui- se espacialmente em vários modos propagantes

• Cada modo atravessa a fibra por um caminho diferente,

experimentando atrasos distintos que provocam a deformação do sinal de saída

• Principal fenômeno causador de atenuação em fibras multimodo

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Fibras Ópticas

• Atenuação

̶ Dispersão por modo de polarização

• A onda eletromagnética se propaga com diferentes modos de polarização

• Cada polarização experimenta uma velocidade diferente devido às imperfeições na simetria circular (seção transversal) da fibra, deformando o pulso de saída

• Importante apenas para as fibras monomodo, quando se utiliza altas taxas de transmissão (> 2,5 Gb/s)

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Sistema de Transmissão Óptica

• Componentes do sistema óptico

̶ Fonte de luz

̶ Meio de transmissão

̶ Detector

̶ Conexões

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Sistema de Transmissão Óptica

̶ Fonte de luz

• LEDs (Light Emitting Diodes)

• LASERs (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Característica LED Laser semicondutor

Taxa de transmissão Baixa Alta

Tipo e fibra MM MM / SM

Distância Curta Longa

Tempo de vida Longo Curto

Sensibilidade à temperatura Insignificante Substancial

Custo Baixo Alto

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Sistema de Transmissão Óptica

̶ Detector

• Transforma pulsos de luz em sinal elétrico

• Tempo de resposta limita a taxa de dados a ~100 Gb/s

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Sistema de Transmissão Óptica

̶ Conexões

• Conectores: 10 a 20% de perda

• Luvas mecânicas: 10% de perda

• Fusão: 1% de perda

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Sistema de Transmissão Óptica

• Cabos de fibras ópticas

̶ Semelhantes aos coaxiais, mas sem a malha metálica

̶ Instalados no solo, a um metro da superfície

• Sujeitos a ataques de roedores e danos causados por escavadeiras

̶ Instalados no mar, depositados em trincheiras ou sobre o fundo do mar

• Sujeitos a ataques de animais marinhos

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Fibra Óptica

• Maior largura de banda

• Menor atenuação

• Menos repetidores

• Imune a interferências

eletromagnéticas e picos de tensão

• Não sofre corrosão

• Fina e leve

• Difícil de interceptar

Fibras Ópticas

• Maior valor de revenda

• Mais resistente ao manuseio

• Requer mão-de-obra menos especializada

• Interfaces elétricas são mais baratas

• Tecnologia mais conhecida

Fio de Cobre vs.

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Meios Físicos: Não Guiados

• Oferecem ubiquidade de acesso e mobilidade

̶ Impossível com meios físicos guiados

• Facilidade de instalação em terrenos complexos

̶ Conexão entre ilhas

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Meios Físicos: Não Guiados

• Antenas conectadas a circuitos elétricos emitem e recebem ondas eletromagnéticas

̶ Velocidade de propagação da onda depende do meio de transmissão

• Vácuo ⇒ velocidade da luz: 𝑐 = 3 × 10⁸ m/s

• Cobre ⇒ redução da velocidade, depende levemente da frequência da onda: 𝑣 ≅ 2,5 × 10⁸ m/s

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Espectro Eletromagnético

• Transmissão: rádio, micro-ondas, infravermelho e luz visível

̶ Modulação em frequência, amplitude ou fase

̶ Outras faixas são difíceis de emitir e modular, não se

propagam bem através de prédios e são perigosas para os seres vivos

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Espectro Eletromagnético

• Transmissões usam bandas e frequência relativamente estreitas: ^Δ𝑓

𝑓 ≪ 1

̶ Uso eficiente do espectro, alcançando altas taxas de

transmissão quando transmite-se com potência suficiente

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Transmissão Rádio

• Espectro fortemente regulamentado

• Ondas de rádio são amplamente usadas nas comunicações

̶ Fáceis de gerar

̶ Alcançam distâncias longas

̶ Penetram construções facilmente

̶ Omnidirecionais

• Desvantagens

̶ Potência cai com o quadrado da distância

̶ Em altas frequências sofrem forte atenuação

• Absorção (chuva), reflexões, refrações, difrações

̶ Interferência de outros sinais de comunicação e elétricos

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Transmissão Rádio

• Nas faixas VLF, LF e MF, as ondas seguem pela superfície terrestre

̶ Alcançam até 1000 km em baixa frequência

̶ AM (banda MF)

̶ Atravessam prédios facilmente

̶ Fornecem baixa largura de banda

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Transmissão Rádio

• Nas faixas HF e VHF, as ondas terrestres seriam absorvidas pela superfície ⇒ propagação ionosférica

̶ Onda sofre múltiplas refrações antes de ser refletida de volta pela ionosfera

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Transmissão de Micro-ondas

• Espectro fortemente regulamentado

• Acima de 100 MHz as ondas se propagam quase em linha reta

̶ Energia concentrada em feixes estreitos através de antenas parabólicas

• Maior relação sinal ruído

• Alinhamento entre as antenas

• Visada direta

̶ Múltiplas antenas direcionais podem ser usadas sem interferência

̶ Antenas muito afastadas

• Terra torna-se um obstáculo

• Repetidores necessários

• Antenas elevadas

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Transmissão de Micro-ondas

• Micro-ondas não penetram bem em edifícios

• Atmosfera terrestre pode provocar desalinhamento das antenas

• A partir de 4 GHz a absorção pela água torna-se um empecilho à comunicação

̶ Uso de redundância espacial com enlaces de backup

• Aplicações comuns

̶ Comunicação telefônica em longa distância, celulares, televisão

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Transmissão de Micro-ondas

• Atenuação da chuva

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Transmissão de Micro-ondas

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Transmissão no Infravermelho

• Usado em comunicações de curto alcance

̶ Controles remotos

̶ IrDA (Infrared Data Association): conexão entre computadores e impressoras, por exemplo

• 4 Mb/s

• Feixe direcional

• Tecnologia barata e fácil de montar

• Não atravessa objetos sólidos

• Evita interferência e bisbilhotagem

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Transmissão em Óptica no Espaço Livre

• Transmissão em óptica aberta, não guiada

• Comunicação unidirecional

• Manutenção do alinhamento é difícil

̶ Interferência da temperatura, do vento, das condições climáticas

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Comunicação por Satélite

• Década de 60

̶ Uso de balões de meteorologia metalizados para refletir o sinal transmitido

• Sinal refletido muito fraco para uso prático

• Posteriormente, uso da Lua pela marinha americana para transmitir do mar para a costa

• Mais tarde, uso de satélites artificiais

̶ Grandes repetidores de micro-ondas

̶ Compostos por transponders responsáveis por

• Escutar uma faixa do espectro

• Amplificar o sinal

• Retransmitir o sinal em outra faixa de frequências

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Comunicação por Satélite

• Principais aplicações

̶ Difusão de uma mesma informação em uma área geográfica extensa: televisão

̶ Alcance de localidades remotas como campos de mineração, madeireiras, propriedades rurais e suburbanas, postos em rodovias

̶ Necessidade de oferecer comunicação em um tempo curto ou em uma localidade de uso ocasional, como em shows e jogos em estádios

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Comunicação por Satélite

• Satélites podem oferecer diversos serviços

̶ Satélite de Comunicação

• Comunicações fixas (FSS, Fixed Satellite Service)

• Difusão (BSS, Broadcasting Satellite Service)

• Comunicações móveis (MSS, Mobile Satellite Service)

̶ Satélites de Navegação

• Posicionamento (GPS, Global Positioning System)

̶ Satélites de Observação da Terra

• Meteorologia

̶ Satélites Militares

• Detecção de lançamentos de mísseis

• Espionagem

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Comunicação por Satélite

• Satélites são frequentemente deslocados de suas órbitas originais

̶ Gravidade solar, lunar e planetária

̶ Necessário motores propulsores para corrigir a posição, enquanto houver combustível

• Alocação de órbitas e frequências realizada pela ITU

̶ Órbitas: processo político

̶ Algumas frequências provocam interferências em sistemas terrestres

̶ Canais de comunicação são unidirecionais

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Comunicação por Satélite

• Bandas de comunicação definidas pela ITU

Banda Downlink Uplink Largura de Banda Problemas

L 1,5 GHz 1,6 GHz 15 MHz Baixa largura de banda, lotada S 1,9 GHz 2,2 GHz 70 MHz Baixa largura de banda, lotada C 4 GHz 6 GHz 500 MHz Interferência terrestre

Ku 11 GHz 14 GHz 500 MHz Chuva

Ka 20 GHz 30 GHz 3.500 MHz Chuva, custo do equipamento

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Comunicação por Satélite

• Cinturões de Van Allen

̶ Partículas altamente carregadas e presas à Terra pelo campo magnético

• Devido aos cinturões de Van Allen, os satélites podem ser colocados em três regiões apenas

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Comunicação por Satélite

• Satélites podem ser

̶ LEO – Low Earth Orbit

• Movimento de translação dura em torno de 90 minutos

• Muitos LEOs são necessários para cobrir a Terra continuamente

̶ GEO – Geostationary Earth Orbit

• Movimento de translação dura em torno de 24h

̶ MEO – Medium Earth Orbit

• Movimento de translação dura em torno de 6h

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Satélites Geoestacionários

• Cobre uma região da Terra continuamente

• Órbita circular equatorial

• Espaçamento mínimo de 2 graus para evitar interferências

̶ Máximo de 180 satélites simultaneamente no espaço

• Cada transponder pode usar múltiplas frequências e

polarizações para aumentar a largura de banda disponível

• Aplicados em comunicações telefônicas, militares, governamentais, difusão de televisão

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Satélites Geoestacionários

• Elevada latência

• Lançamento de satélites ainda é caro

• Alternativa menos custosa: uso de VSATs (Very Small Apperture Terminals)

• VSATs

̶ Micro-estações de baixo custo com antenas pequenas (1 metro ou menos contra 10 m das antenas tradicionais) emitindo até 1 W de potência

̶ Difusão de televisão por satélite usa esse sistema

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Satélites Geoestacionários

• VSATs

̶ Micro-estações não possuem energia suficiente para se comunicar diretamente umas com as outras através do satélite

• Uso de hubs intermediários na Terra

• Antenas de alto ganho

• Aumento da latência: 540 ms

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Satélites de Média Órbita

• Entre os cinturões de Van Allen

• Devem ser monitorados enquanto se movem

• Menor cobertura do que os GEOs

• Exige transmissores menos potentes

• Usados para sistemas de navegação

̶ GPS – Global Positioning System: 30 satélites MEO

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Satélites de Baixa Órbita

• Grande número de satélites para cobrir toda a Terra

• Estações na terra não precisam de elevada potência

• Latência de poucos milissegundos

• Menor custo de lançamento

• Exs.: Iridium e Globalstar

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Satélites de Baixa Órbita

• Projeto Iridium: proposto pela Motorola

̶ 77 satélites de baixa órbita localizados a uma altitude de 750 km em órbitas polares circulares

̶ Cobertura contínua de qualquer ponto da Terra

̶ Separação de 32 graus de latitude entre os satélites

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Satélites de Baixa Órbita

• Projeto Iridium: proposto pela Motorola

̶ Não foi um projeto rentável devido ao sucesso da telefonia móvel

celular na década de 90, sendo finalizado em 1999

̶ Reaberto em 2001, teve sucesso com o fornecimento de voz, dados, fax e serviços de navegação em

qualquer lugar do mundo

̶ Encaminhamento da comunicação acontece no espaço

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Fibras ópticas

• Maior largura de banda

• Menor custo de instalação

• Exceto em regiões atípicas (Indonésia)

• Menor taxa de erros

Comunicação por Satélite

• Ideal para comunicação em locais onde a infraestrutura terrestre é pouco

desenvolvida

• Ideal para difusão

• Maior latência Satélites

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Material Utilizado

• Notas de aula do Prof. Pedro Castellanos

• Pines, J., Barradas, O., “Sistemas Multiplex”, 3ª edição, Ed.

LTC – Livros Técnicos e Científicos

• Forouzan, B. A., “Comunicação de Dados e Redes de Computadores”, 4ª edição, Ed. McGraw Hill

• Notas de aula do Prof. Miguel Elias Mitre Campista disponíveis em

http://www.gta.ufrj.br/~miguel/redes.2016.3.html

• Notas de aula dos Profs. Kurose e Ross disponíveis em

http://www-net.cs.umass.edu/kurose-ross-ppt-6e/