Computer Networks I. Medios de Transmisión enlace

(1)

Version 3/02/12

Computer Networks I

application transport link physical

network

Medios de Transmisión

aplicación

transporte

enlace

física

(2)

Computer Networks I 2

Sumario

 Definiciones

 Ancho de Banda

 Tipos de señales y datos

 Técnicas de codificación

 Medios Guiados

 Cables, fibra óptica

 Medios no guiados

 Mecanismos de propagación de ondas

 Espectro

 Servicios

 Radioenlaces de microondas

 Comunicaciones por satélite

(3)

Medios de transmisión

 Cualquier cosa que pueda llevar información de un origen a un destino

 Antecedentes

 Siglo XIX – Telégrafo de Morse (medio metálico)  1869 – Teléfono de Bell (medio metálico también)  1895 – Transmisión de radio de Hertz (sin cables)

− Más adelante Marconi aplica el descubrimento de Hertz

al telégrafo

Capa física Canal de transmisión

(4)

(5)

Canal de transmisión

Los datos se transmiten mediante la propagación de las ondas electromagnéticas o de señales

eléctricas

Los canales tienen una capacidad de transmisión limitada (ancho de banda)

Y tienen algún retardo para llegar a su destino Las señales en los canales se pueden ver

afectadas por

 Ruido

(6)

Ancho de Banda

Cantidad de información que pasa por una conexión en un determinado tiempo

Es importante porque:

 Está limitada por el medio físico y la tecnología  No es gratis

(7)

Se mide en bits por segundo (bps)

Depende principalmente de:

 Medio de transmisión  Tipo de tecnología

 Codificación

Cisco

(8)

Para comunicaciones analógicas

 Se expresa con un intervalo:

− Ej: de 3 kHz a 300 kHz

 Y se mide en Hertz (Hz)

Onda cuadrada de 1 MHz

 Ancho de banda de 1 MHz

 2 millones de bits por sg (2 Mbps)

(9)

Tasa de baudios y Tasa de

bits sin ruido

Para 2 niveles

Velocidad binaria

Para M niveles

Velocidad binaria

1 Baudio = 1 estado señalización / sg 1 Baudio = 1 bps si M=2

La relación entre la velocidad de transmisión C y la velocidad de modulación V es:

C (bps)=2B( Hz)

C (bps )=2 B( Hz )log₂ M (niveles )

(10)

Tasa de bits con ruido

Capacidad de Shannon

(11)

Efectos del ancho de banda

en las señales digitales

(12)

Tipos de datos

Analógicos

 Valores continuos en un intervalo determinado  Ej: sonido, video, ...

Digitales

 Valores discretos

(13)

Tipos de señales

Analógicas

 Variable de forma continua

 Cable, fibra óptica, espacio (aire o vacío)

Digitales

 Usan dos componentes continuas

(14)

Datos y señales

Casos posibles

Señal analógica Señal digital Datos analógicos

Hay dos alternativas: la señal ocupa el mismo espectro que los datos analógicos, los datos analógicos se codifican

ocupando una porción distinta del espectro

Los datos analógicos se codifican utilizando un codec para generar una cadena de bits

Datos digitales

Los datos digitales se codifican usando un modem para

generar señal analógica

Hay dos alternativas: la señal consiste en dos niveles de tensión que representan dos valores binarios, los datos

digitales se codifican para producir una señal digital con las

(15)

Señales analógicas que portan

datos analógicos y digitales

(16)

(17)

Técnicas de codificación

Datos digitales, señales digitales

Datos analógicos, señales digitales

(PCM)

Datos digitales, señales analógicas

(modem)

(18)

NRZ-L (Non Return Zero)

NRZI

Bipolar AMI

Pseudoternario

Manchester

Manchester diferencial

(19)

Comparación

(20)

Generación Manchester

(21)

Datos digitales sobre señales analógicas

 ASK

 Con o sin amplitud

 FSK  Dos frecuencias: f1 / f2  PSK  Dos fases: 0 y π  Más de 2 fases (8-PSK,16-PSK)  Otros casos

 QPSK, 16-QAM, 64-QAM, etc...

 Anchos de banda

 ASK y PSK similares, en función de régimen binario.

(22)

Otros códigos QPSK

 2 bits por elemento usando 4 fases

8-PSK

16-PSK

16-QAM

 4 bits por elemento usando distintas amplitudes y fases

 64-QAM

(23)

Datos analógicos sobre señales digitales PCM (Pulse Coded Modulation)

 Cada muestra analógica se codifica con un código, por ejemplo 8 bits, con lo que la resolución se establece

entre 256 niveles

 Se envían los códigos binarios unos tras otros a un cierto ritmo, respetando el criterio de Nyquist, por ejemplo a 8 KHz

(24)

Datos analógicos sobre señales digitales DM (modulación Delta)

 La señal se aproxima por una “escalera”

 Si la señal es mayor que la escalera, se genera un 1 lógico y se sube un ”escalón”

(25)

Datos analógicos sobre señales analógicas. Modulación lineal

 Modulación de Amplitud (AM)

 La señal moduladora x(t) cambia la amplitud de la portadora  Ancho de banda doble que en Banda Base (W)

 Fácil detección. Derroche de energía

 Doble Banda Lateral (DBL, Doble Side Band)

 Igual que la anterior, pero con la portadora suprimida  El mismo ancho de banda

 Mejor eficiencia energética

 Banda Lateral Única (BLU, Single Side Band)

 Portadora suprimida, como la anterior

 Mejor aprovechamiento del ancho de banda (mitad casos anteriores)

[

A + A x(t)

]

( πf t) =

(26)

Datos analógicos sobre señales analógicas. Modulación angular Modulación de Frecuencia (FM)

 La señal moduladora x(t) cambia la frecuencia instantánea de la portadora  Ancho de banda mayor en AM. Regla de Carson, BW=2(W+fd)

 Mejor calidad, más inmune a ruidos que afectan a la amplitud

Modulación de Fase (PM)

 La señal moduladora x(t) cambia la fase de la portadora  Ancho de banda similar a FM

 Tanto la FM como la PM modifican el interior del coseno

y(t )=A_ccos

{

2 π

[

f _c+f _d ·x (t )

]

t+φ₀

}

(27)

(28)

Medios guiados

Origen y destino unidos por un conductor

 Conductor metálico

− Cable par trenzado

− Cable coaxial

 Conductor de Cristal/Plástico

(29)

Par trenzado

 La trenza proporciona apantallamiento del ruido y las interferencias

 El tipo más habitual es el UTP (Unshielded twisted-pair)  Las categorías normalizadas del UTP son de 7 clases

Cat1 0.4 MHz Cat2 ? MHz Cat3 16MHz Cat4 20MHz

Cat5 100MHz 100BASE-TX & 1000BASE-T Ethernet Cat5e 100MHz 100BASE-TX & 1000BASE-T Ethernet Cat6 250MHz 1000BASE-T Ethernet

Cat6e 250MHz Cat6a 500MHz Cat7 600MHz Cat7a 1200MHz

Category Bandwidth Applications

Telephone and modem lines

Older terminal systems, e.g. IBM 3270 10BASE-T and 100BASE-T4 Ethernet 16 Mbit/s Token Ring

10GBASE-T (under development) Ethernet 10GBASE-T (under development) Ethernet No applications yet.

(30)

Especificaciones del cable

T: par trenzado F: Fibra Óptica

(31)

Par trenzado

El conector más usual es el RJ45 Características:

 Baja atenuación con la distancia (dB/Km)  Crece rápidamente por encima de 100KHz

Aplicaciones:

 Voz y datos por las líneas telefónicas

(32)

Cable coaxial (I)

Trabaja a frecuencias más altas que el par trenzado

El conector más habitual es el BNC Características

 Mayor ancho de banda que el par trenzado  Pero también mayor atenuación

Aplicaciones

 Redes telefónicas digitales (hoy sustituidas)  Redes locales (10Base-2)

(33)

Cable coaxial (II)

Impedancia característica

Depende sólo de la relación entre diámetros y de la permitividad relativa del dieléctrico

Se mide en ohm

(34)

Líneas de Transmisión (I)

Adaptación impedancias, óptima si R_G=Z₀=R_L

Medida de la desadaptación: ROE (SWR en inglés)

(35)

Líneas de Transmisión (II)

Desadaptación

– Onda estacionaria.

(36)

Cable de Fibra óptica (I)

Fabricada con cristal o plástico

Las señales se transmiten en forma de luz, usando la refracción del material

Multimodo:

salto de índice y gradual

(varios haces en diferentes caminos)

Monomodo

(37)

Prestaciones:

 Hasta 1600 Gps en transferencias de datos.

 Velocidad limitada por la electrónica, no por el medio  Menor atenuación que el par trenzado. Necesita 10

veces menos repetidores para la misma longitud

Aplicaciones:

 Redes neurálgicas (buena relación ancho de banda / precio)

 TV por cable

 Redes locales 100Base-Fx 1000Base-X

(38)

Otras ventajas:

 Inmunidad a interferencias electromagnéticas  Resistencia a materiales corrosivos

 Ligeras (poco peso)

Algunos desventajas:

 Instalación y mantenimiento por personal experto  Propagación de la luz en una dirección

 Coste. Sólo se justifica para necesidades de mucho ancho de banda

(39)

Fundamentos de la fibra óptica

Ley de Snell

RAYO

(40)

Modos en fibra óptica

Monomodo Multimodo

 Se adapta mejor a distancias cortas (<2Km)._{Se adapta mejor a distancias cortas (<2Km).}

 El ancho de banda de un sistema de fibras _{El ancho de banda de un sistema de fibras}

multimodo es más dependiente de su longitud. Para

longitudes superiores de 2Km, utilizando fibras

estándar, es posible alcanzar hasta 100 Mb/s.

 El equipo óptico para fibra multimodo es _{El equipo óptico para fibra multimodo es}

generalmente más económico que el de monomodo.

Se utilizan a menudo diodos LED como generadores

de luz.

 El cable es más caro que el monomodo, pero en _{El cable es más caro que el monomodo, pero en}

distancias cortas el ahorro en el equipo óptico puede

equilibrar el coste.

 La fibra óptica multimodo 62,5/125 es estándar para _{La fibra óptica multimodo 62,5/125 es estándar para}

comunicaciones de LAN, Ethernet, Token-ring.

 La fibra multimodo es adecuada para longitudes de _{La fibra multimodo es adecuada para longitudes de}

onda de 850 y 1310 nm.

 Tienen la capacidad de transmitir el _{Tienen la capacidad de transmitir el}

mayor ancho de banda posible y son

ideales para transmisión a larga

distancia.

 Poseen una atenuación más baja que _{Poseen una atenuación más baja que}

las fibras multimodo.

 Son más económicos que los cables _{Son más económicos que los cables}

multimodo.

 Disponemos de fibras monomodo que _{Disponemos de fibras monomodo que}

van de los 1310 a los 1550 nm de

longitud de onda.

(41)

Comparación de medios guiados

Cable coaxial

 Muy usado en la actualidad

Cable de Fibra óptica

 Mayor ancho de banda, pero más caro

 Inmune a las perturbaciones electromagnéticas

Cable de par trenzado

(42)

Medios no guiados

 Las ondas transportan información sin conductor físico  También se llama comunicación sin hilos o inalámbrica  Usa parte del espectro radioeléctrico

(43)

Transmisión inalámbrica

Transmisión inalambrica

(44)

Mecanismos de

Propagación de ondas

Propagación de onda de superficie:

 Parte baja de la atmósfera

 Las señales se adaptan a la curvatura de la Tierra

Propagación de onda de cielo

 Las señales se “reflejan” en la ionosfera

 Distancias grandes con potencias pequeñas.

Propagación de Línea de horizonte (visibilidad directa)

 Frecuencias más altas, pero menores alcances

(45)

¿Qué es una comunicación sin hilos?

MEDIO (AIRE O VACÍO)

x(t)

Transmisor de RADIO Receptor de RADIO

RX

Una pequeña fracción de la energía radiada por TX llega a

RX

TX

Onda

(46)

¿Qué es una onda

electromagnética?

Doble dependencia: tiempo y espacio Concepto de longitud de onda

E

H

Longitud de onda

Puntos en concordancia de fase

(47)

¿

Cómo se produce y cómo se

detecta una onda electromagnética?

 Una corriente eléctrica variable en el tiempo recorriendo un conductor produce la presencia simultánea de un campo eléctrico y un campo magnético, perpendiculares entre sí, y a la dirección de propagación. Antena transmisora

(48)

Ondas de superficie (<3 MHz)

 Grandes alcances sólo con polarización vertical  La polarización horizontal la absorbe el suelo

 Rodea obstáculos y se curva por difracción  Afecta poco la curvatura de la Tierra y las

montañas

 Difícil realizar cálculo analítico.

 Se emplean curvas publicadas por organismos internacionales (CCIR, Comité Consultivo

(49)

Ondas ionosféricas (3-30 MHz)

Ventajas:

Barato Lugares inaccesibles Poca potencia

Inconvenientes:

Aleatoriedad de la ionosfera Mucho ruido

(50)

Capas Ionosfera

CAPA D

60-90 Km. Sólo existe durante el día. Depende del ángulo cenital del Sol. Refleja rayos frecuencias bajas y absorbe frecuencias medias y altas

CAPA E

90-130 Km. Muy estable. Depende del ángulo cenital del Sol. Altura variable según estación del año

CAPA F1

150-250 Km. Sólo durante el día. Máxima al mediodía. Habitualmente no es “espejo”, aunque puede serlo.

CAPA F2

300-450 Km. “Espejo” HF gran distancia. Altura y densidad de ionización varían a lo largo del día, de una estación a otra y según ciclos solares.

(51)

Fundamentos comunicación

ionosférica (índice de refracción)

2 2 2 4π 1 f mε (r) N e = n(r) 0 e − 1 2 1 2 sen sen n n = Φ Φ máx 9 N_e = fv 2 81 1 f (r) N = n(r) − e

La máxima concentración de electrones que hay en un determinado lugar a una determinada hora fija la máxima frecuencia de radio de incidencia vertical f_v que es devuelta a tierra o se escapa al espacio exterior.

(52)

Fundamentos comunicación

ionosférica (Ley de la secante)

5 MHz 6 MHz 8 MHz

f=f

_v

secΦ

₀ máx

9 N

_e

=

fv

La máxima frecuencia que es devuelta a tierra depende del ángulo de incidencia del rayo con la vertical.

(53)

Espectro radioeléctrico

Band Range Propagation Application

VLF (very low frequency) 3-30 Khz ground Long-range radio navigation

LF (low frequency) 30-300 Khz ground Radio beacons & navigational locators MF (middle frequency) 300 Khz – 3 Mhz sky AM radio

HF (high frequency) 3-30 Mhz sky Citizens band (CB), shift/spacecraft comm. VHF (very high frequency) 30-300 Mhz Sky & line-of-sight VHF-TV, FM radio

UHF (ultrahigh frequency) 300 Mhz – 3 Ghz Line-of-sight UHF-TV, cellular phones, satellite SHF (superhigh frequency) 3-30 Ghz Line-of-sight Satellite comm.

EHF (extremely high frequency) 30-300 Ghz Line-of-sight Radar, satellite

(54)

Algunos servicios:

radiodifusión sonora

Onda Larga (LW) 153 KHz – 261 KHz Onda Media (MW) 531 KHz – 1602 KHz Onda Corta (SW)

Varias subbandas en el rango de 3 a 30 MHz, también conocidas por sus longitudes de onda: 49 m, 31 m, 25 m, 19 m, etc...

Frecuencia Modulada

88 MHz – 108 MHz en saltos de 0,1 MHz

DAB (Digital Audio Broadcasting)

(55)

Algunos servicios: TV

Banda VHF baja (EN DESUSO DESDE HACE VARIOS AÑOS)

Canales 2 a 4, de 47 MHZ a 68 MHz

Banda VHF alta (EN DESUSO DESDE HACE VARIOS AÑOS)

Banda UHF analógica (EN DESUSO DESDE 2010)

Banda UHF digital (DVB-T) (Digital Video Broadcasting Terrestrial)

extinguida parcialmente desde el 31 de marzo de 2015 Canales 21 a 69, de 470 MHZ a 852 MHz

Banda UHF digital (DVB-T) desde el 1 de abril de 2015 Dividendo Digital a favor de la telefonía móvil 4G

(56)

Microondas

Cubren desde 1 GHz a 300 GHz

Unidireccionales => Hay que orientar las antenas

Propagación con visibilidad directa (la curvatura de la Tierra es un problema)

No atraviesan las paredes

Mayor capacidad de transmisión de datos que las ondas de radio

Parte del espectro regulado por las autoridades Bandas ISM (Industrial Scientific Medical) ( 2.4 &

(57)

Ventajas e inconvenientes

• Ventajas de los Radioenlaces de Microondas

respecto a la línea física

• Más baratos

• Sencillos y fáciles de instalar

• Conservación cómoda

• Superación irregularidades del terreno

• Desventajas de los Radioenlaces de Microondas respecto a la línea física

• Necesita visibilidad directa

(58)

Enlaces de microondas

Plan 2 frecuencias

(59)

Enlaces de microondas

Ganancia antena parabólica

Anchura del haz

Ejemplo, f=6 GHz, D=2 m, k=0,7 D(m) f(GHz) = D λ = dos) BW( ⋅ ⋅ 21 70 gra

f(GHz)

+

D(m)

+

k

+

=

G(dB)

20,4

10log

20log

dB 40,4

=

(60)

Pérdidas en el espacio libre

Fórmula de Friis

Cálculo de radioenlaces

(61)

Satélites (I)

1. Estación terrena transmisor: equipos MUX y radio 2. Enlace ascendente.

3. Satélite: repetidor. Transpondedor: convertidor de frecuencia y amplificador

4. Enlace descendente: limitación de potencia,

(62)

Satélites (II)

¿Por qué no se caen?

 Respuesta: Peso=fuerza centrífuga  Masa Tierra y G conocidas, por tanto

(63)

Satélites (III)

Orientación desde estación terrena

 Azimut A en grados, referido al Sur, ESTE POSITIVO, OESTE NEGATIVO  Elevación sobre el horizonte

 Latitud (λ), longitud estación terrena (ϕ₀) y posición orbital satélite (ϕ1)

 Latitud Norte positiva, longitudes Este positivas

(64)

Infrarrojos

Cubren de 300 GHz to 400 THz

Usados para comunicaciones de corto alcance Baja interferencia entre distintos sistemas