Capa física. Objetivo: Transmisión de bits por un canal de comunicación Uso eficiente del medio físico, tomando en cuenta sus características

Transcripción

1 CAPA FÍSICA 1

2 Capa física Objetivo: Transmisión de bits por un canal de comunicación Uso eficiente del medio físico, tomando en cuenta sus características 2

3 Tipo de preguntas a responder codificación de los bits en el medio? cuántos nanosegundos dura un bit? transmisión full duplex o no? cuántos pines tiene el conector de red? Se encarga de interfaces mecánicas, eléctricas, de procedimientos, y de las características del medio utilizado 3

4 Ejemplo de protocolo de capa física EIA-RS-232-C Especificación : mecánica (conectores, etc) eléctrica (voltajes y su reconocimiento) funcional (ubicación y descripción de circuitos) de procedimientos (secuencia permitida de sucesos). 4

5 Especificación mecánica Conector DB-25 - Separación entre pines Espesor de los pines Altura de los pines Dimensiones del conector Etc., etc. 5

6 Especificación eléctrica Voltaje más negativo que -3V es un 1 Voltaje más positivo que +4V es un 0 Todos los circuitos comparten una tierra común 6

7 Especificación funcional 7

8 Especificación funcional Qué circuitos se conectan a cada pin y su significado Ejemplos: Al encenderse computadora pone un 1 en DTE ready (pin 20) Al encenderse modem pone un 1 en DCE ready (pin 6) Los datos se envían por Tx (pin 2) y se reciben por Rx (pin 3) 8

9 Especificación de procedimientos Protocolo (secuencia permitida de sucesos) Se basa en pares acción - reacción Ej: Cuando se levanta petición de envío, el modem contesta levantando libre para enviar si puede aceptar datos 9

10 RS232. Conexión asíncrona 10

11 Ancho de banda Fourier: señal periódica expresada como combinación de senos y cosenos Amplitud rms = a 2n+ b2n Siendo an y bn los coeficientes de la expresión combinada de senos y cosenos del armónico n Los canales imponen límites => ancho de banda 11

12 Ancho de banda Los canales de transmisión atenúan de forma diferente los distintos armónicos Generalmente tienen una respuesta bastante plana (atenúan más o menos igual todas las frecuencias) hasta cierto valor y luego atenúan mucho más Este límite es una propiedad del medio que depende del material, la construcción, el grosor, el largo del medio, etc 12

13 Límites de la naturaleza (canal sin ruido y canal con ruido) Nyquist: D max =2H log 2 V Dmax: velocidad máxima (bps) H: ancho de banda V: número de niveles de la señal Shannon: D max =H log 2 (1+ S/ N ) Dmax: velocidad máxima (bps) H: ancho de banda S/N: Relación señal a ruido en el canal 13

14 Nyquist: máxima capacidad de un canal sin ruido Teorema de Nyquist (1924) una señal limitada a un ancho de banda H puede ser completamente reconstruida a partir de 2H muestras por segundo Corolario: No se puede transmitir más que D max en un ancho de banda H con V niveles de señal D max =2H log 2 V Dmax velocidad máxima de la información (bits/s) H ancho de banda del canal V cantidad de niveles de la señal 14

15 Ejemplo: Capacidad de un canal un canal sin ruido de 3 khz de ancho de banda puede transmitir señales binarias de hasta 6000 bps: H = 3000 V = Log2(2) = 6000 tentación: y si aumentamos V? 15

16 Teorema de Shannon (1948) La velocidad máxima posible de transmisión de la información en un canal ruidoso es de: Dmax =H log 2 (1+S/ N ) H ancho de banda del canal S/N relación señal a ruido en el canal Usualmente, se da en decibeles (db): 10 log10 (S/N) 16

17 Ejemplo : Shannon Ejemplo: el mismo canal (3000 Hz de ancho de banda) con una relación de señal a ruido de 30dB, no puede llegar a transmitir más de bps No importa con cuántos niveles queramos representar la señal 17

18 Características de los medios Ancho de banda (rango de frecuencias) utilizable Características de propagación Atenuación Dispersión Ruido e interferencia 18

19 Reseña de los tipos de medios de transmisión Medios guiados Pares de cobre Cable coaxial Fibra óptica Guías de onda Medios no guiados Transmisión inalámbrica Transmisión óptica por el espacio libre 19

20 Medios magnéticos No es un medio de transmisión tradicional capacidad de una cinta LTO 4: 800 GB viaje Montevideo/Buenos Aires: 3 horas velocidad de transferencia de la información: Mbps cuánto tiempo de transmisión es necesario para transmitir esos datos con un enlace de 1 Mbps? Y si llevo una caja de cintas o DVDs? 20

21 Pares abiertos Un par de alambres de cobre en paralelo, posiblemente con aislación medio más simple muy usado (cable plano) efectivo a cortas distancias (< 50 m) problemas: diafonías por acoplamiento capacitivo ruido de origen electromagnético (funciona como antena 21

22 Par trenzado mejor inmunidad al ruido y a la diafonía velocidades de algunos Mbps a distancias de pocos kilómetros 100+ (250+) Mbps por par en ambiente LAN comportamiento dependiente del paso del trenzado y del calibre del alambre UTP (Unshielded twisted pair): Categorías Cat. 3: 10 Mbps Cat. 5: 100+ Mbps Cat. 5e, Cat.6, cat 7, etc STP (Shielded twisted pair): mejor resultado, más caro. Usado en Token Ring (IBM) 22

23 Cableado con RJ45 T568A/B RJ45 Wiring Pin T568A T568B Wire T568A Color T568B Color Pair Pair tip ring tip ring tip ring tip white/green stripe white/orange stripe green solid orange solid Pins on plug face (jack is reversed) white/orange white/green stripe stripe blue solid blue solid white/blue stripe white/blue stripe orange solid green solid white/brown white/brown stripe stripe 23

24 Cable Coaxial 24

25 Tipos de cable coaxial banda base Z=50 Permite transmitir algunos Gbps a 1 Km El usado típicamente para datos banda ancha Z=75 Usado típicamente para TV cable 300/450 o más MHz a 100Km se puede modular en el orden de pocos bps/hz canales de 6 Mhz para TV 25

26 Sistemas de distribución CATV en banda ancha Originalmente unidireccionales Históricamente, algunas veces se utilizaba otro medio para el canal de uplink Actualmente, división por frecuencia Se destinan algunas frecuencias para la dirección cliente-proveedor, y otras para la dirección proveedor-cliente Se está migrando a redes híbridas (fibracoaxial) 26

27 Arquitectura actual 27

28 Fibras ópticas Ancho de banda útil mayor que Gbps (50 Tbps) Límite práctico actual: 40/100.. (500+) Gbps Es el medio de preferencia para muy altas capacidades o distancias largas Hoy en día estamos muy lejos del límite teórico de Shannon 28

29 La luz Onda Electromagnética que ocupa la banda visible del espectro (entre 450 y 750 THz) Velocidad de la luz en el vacío: c = km/s. Longitud de Onda: Indice de Refracción: c λ= n n= c vacío v material 29

30 Espectro Electromagnético 30

31 Ley de Reflexión: Ley de Snell t i = r n2 sen ( q t ) = n1 i n1 n2 sen ( q i ) r Si n1>n2, para sen ( q i ) > n2 n1 hay reflexión total 31

32 Principio de funcionamiento 32

33 Fibras multimodo y monomodo 33

34 Fibras Ópticas Vista de una fibra, y de un cable de fibras 34

35 Clasificación Fibras Ópticas para Telecomunicaciones Multimodo: 62.5 m o 50 m de núcleo. Distancias hasta 500m Monomodo: 8 m de núcleo. Distancias de decenas (o centena) de km Fibras Plásticas: Distancias cortas (baja potencia y alta atenuación) 35

36 Qué señales transmito sobre una Fibra hoy? Opticas: WDM Digital: SDH: STM-1(155Mbps) hasta STM-256 (40Gbps) Ethernet: 100Mbps hasta 100Gbps ATM: STM-1 a STM-16 SAN (storage Area Network): Fiber Channel y otros Analógicas: RFoF, Sensores 36

37 Atenuación en Fibras Opticas y Ventanas de Transmisión Las 3 bandas usualmente usadas en fibras ópticas (infrarrojo) 37

38 Fuentes de luz para fibras Item Velocidad de transmisión Modo Distancia Tiempo de vida Sensibilidad a la temperatura Costo LED Baja Multimodo Corta Largo poca Barato Laser semiconductor Alta Multimodo o monomodo Larga Corto alta Caro 38

39 Sistemas Opticos: Enlace Simple 39

40 Transmisión inalámbrica 40

41 Transmisión por radio Datos usualmente entre algunas centenas de MHz y algunas decenas de GHz A alta frecuencia se requiere línea de vista (conocida como LOS por sus siglas en inglés) Asignación de frecuencias recomendadas por la ITU-R En Uruguay reguladas por URSEC Bandas de uso público: Banda para uso sin licencia: MHz Otras ( MHz y MHz) 41

42 Power budget Es necesario calcular si suficiente potencia llega al receptor Factores: Potencia del transmisor (dbm o dbw) Se expresan como relación con un transmisor de 1mWatt o de 1Watt respectivamente Ganancia de antena de transmisor y receptor Pérdida entre antenas (isotrópicas) Pérdidas en cables, etc. Refracción, difracción y reflexiones. Pérdidas por lluvia (ej. 1dB/km a 10GHz) Potencia necesaria en el receptor 42

43 Redes satelitales Caso particular de redes inalámbricas, donde uno de los puntos se encuentra en un satélite en órbita Se distinguen 3 casos: Satélites geoestacionarios Satélites de órbita media Satélites de órbita baja Pueden ser simplemente repetidores, o incluir funciones de conmutación 43

44 Propiedades de distintos satélites 44

45 Ejemplo: VSAT 45

46 46

47 Sistema telefónico: Conexión entre computadoras 47

48 MODEMS módem (MOdulator DEModulator) canal telefónico Hz modulación de amplitud modulación de frecuencia (FSK) modulación de fase 48

49 Modulación 49

50 Cómo aumentar la tasa de bits? Nyquist decía que había que muestrear al doble de frecuencia para poder reconstruir la señal Para un canal telefónico de 3000Hz alcanza con muestrear a 6000Hz Los módems en realidad muestrean a 2400Hz y se enfocan en obtener más bits por muestra 50

51 Cómo aumentar la tasa de bits? Si usamos: Un voltaje 0V para representar un bit 0 y un voltaje de 1V para un bit 1 y muestreamos 2400 veces por segundo, tendremos una tasa de 2400 bits por segundo (bps) Si usamos los voltajes 0, 1, 2 y 3V y transmitimos 2400 símbolos por segundo (baudios), entonces como cada símbolo puede codificarse con 2 bits (4 niveles posibles: 00, 01, 10, 11), entonces la tasa de bits es 4800 bps La idea es tener muchos símbolos en el canal 51

52 Patrones de constelación: diferentes símbolos variando amplitud y fase (a) QPSK (b) QAM-16 (c) QAM-64 QPSK = Quadrature Phase Shift Keying QAM = Quadrature Amplitude Modulation 52

53 Patrones de constelación 53

54 DSL (Digital Subscriber Line) Ancho de banda vs. distancia (cable cat.3) 54

55 ADSL Utiliza el mismo par de cobre de la telefonía tradicional, en otras frecuencias 55

56 Sistema ADSL típico 56

57 WLL (Wireless Local Loop) Distintas tecnologías LMDS WiMax (802.16) WiFi Otras Tecnologías punto-multipunto 57

58 Multiplexado División en frecuencia 58

59 Multiplexado División en longitud de onda 59

60 Multiplexado en el tiempo 60

61 La jerarquía digital telefónica como capa física Telefonía digital: se muestrea 8000 veces por segundo, con resolución de 8 bits 64 kbps por canal Múltiples canales telefónicos se multiplexan en un único flujo de bits Siguiendo normas europeas, en Uruguay, se utiliza la E1 (2048 kbps): 30 canales de voz 1 canal señalización 1 canal framing 61

62 Jerarquía telefónica como capa física Para transmisión de datos, se pueden agrupar uno o varios de los canales de 64 kbps y tratarlo como una línea serial Jerarquía plesiócrona: 4 flujos E1 se multiplexan en un flujo E2 4 flujos E2 se multiplexan en un flujo E3... Puedo ver el flujo E3 como 16 flujos E1, o como un único flujo de 34 Mbps 62

63 Multiplexación de mayor orden En el sistema europeo, se multiplexa 4:1 en cada nivel 63