Walc2000 México, julio 2000 Medios de Transmisión Ermanno Pietrosémoli Escuela Latinoamericana de Redes Universidad de los Andes Mérida - Venezuela ermanno@ula.ve
Medios de Transmisión Elementos de un sistema de comunicaciones TX Canal RX Transductor Filtro Amplificador Modulador Multiplexador Adaptador Ruido Interferencia Atenuación Distorsión Retardo Adaptador Filtrado Amplificación Rec. Reloj Demodulación Demultiplexación
Medios de Transmisión Todos basados en ondas electromagnéticas Velocidad de transmisión comparable con la de la luz, c = 300 Mm/s Atenuación proporcional a la distancia Sujetos a interferencias y ruido Limitados en ancho de banda
MEDIOS DE TRANSMISIÓN El canal ideal Atenuación Constante Retardo Constante
MEDIOS DE TRANSMISIÓN El canal real Atenuación Variable (Distorsión de Amplitud) Distorsión de Retardo o de Fase
MEDIOS DE TRANSMISIÓN El canal real Diafonía: Cercana o Lejana
NEXT: Near End Cross Talk Transferencia indeseada de energía desde un circuito a otro usualmente adyacente; ocurre en el extremo del enlace de transmisión donde la fuente de señal está ubicada; la energía absorbida se propaga hacia el otro extremo del circuito afectado. Causada por altas frecuencias, señales no balanceadas o insuficiente aislamiento.
Atenuación Toda señal disminuye su potencia al propagarse del transmisor al receptor. La atenuación suele medirse logarítmicamente en decibelios mediante la fórmula: db = 10log( Pr Pt )
Potencia La potencia también suele medirse logarítmicamente en dbm mediante la fórmula: dbm = Pr 10 log( 1mW )
Potencia en mw y en dbm (mw) dbm 1 0 10 10 20 13 100 20 1000 30 0.5-3 0.1-10 0.01-20
Ancho de banda La velocidad de transmisión en bit/s es proporcional al ancho de banda disponible El factor de proporcionalidad depende de la eficiencia del método de modulación empleado
Tipos de Medios de Transmisión Guiados: No Guiados: Par trenzado Cable Coaxial Fibra Optica Radiofrecuencias Microondas Infrarrojos
Medios de Transmisión Cómo transmitir una señal? Un hilo conductor, retorno por tierra Muy afectado por la interferencia y el ruido, utilizado en los primeros sistemas telegráficos, pronto fue sustitudo por dos hilos conductores Dos hilos paralelos Aunque mejora la resistencia a la interferencia, todavia es un problema
Medios de Transmisión Cómo transmitir una señal? Si se entrelazan los hilos conductores, se obtiene el par trenzado en el que el efecto de las señales interferentes se anula en buena medida Se pueden alojar numerosos pares en un mismo cable para aumentar la capacidad de transmisión
Los medios guiados Cable Coaxial Par trenzado FUNDA PROTECTORA RECUBRIMIENTO Fibra óptica (núcleo) REVESTIMiIENTO Recubrimiento SECUNDARIO
El par trenzado Conocido también como par simétrico o cable entorchado (twisted pair, en inglés) Es el más económico a distancias cortas Fácil de instalar y conectorizar Práctico hasta 10 Mbit/s, se puede utilizar hasta 155 Mbit/s
El par trenzado Para mejorar su comportamiento ante las interferencias se le puede colocar un revestimiento o pantalla metálica rodeando a los hilos que transportan la información. Se tiene entonces el par trenzado apantallado (Shielded Twisted Pair, STP) y su variante el FTP (Foiled Twisted Pair)
CABLE UTP DE 100 Ω De uno o dos pares utilizado típicamente para telefonía De cuatro pares utilizado en el cableado estructurado Multipar (10, 20, 25, 50, 100, 300 pares) utilizado normalmente en troncales de telefonía y a veces también para datos a velocidad baja o media
CABLE UTP DE 100 Ω Unshielded Twisted Pair par 1 par 2 par 3 par 4
Cable Horizontal UTP Atenuación/Diafonía en db (peor par) Frec. (MHz) Cat. 3 Cat. 4 Cat. 5 0.064 0.9/- 0.8/- 0.8/- 0.150 -/53 -/68 -/74 0.256 1.3/- 1.1/- 1.1/- 0.512 1.8/- 1.5/- 1.5/- 0.772 2.2/43 1.9/58 1.9/64 1.0 2.6/41 2.1/56 2.1/62 4.0 5.6/32 4.3/47 4.3/53 8.0 8.5/27 6.2/42 5.9/48 10.0 9.8/26 7.2/41 6.6/47 16.0 13.1/23 8.9/38 8.2/44 20.0 -/- 10.2/36 9.2/42 25.0 -/- -/- 10.5/41
El par trenzado apantallado Aunque en general es más resistente a la interferencia, es más difícil de instalar y más costoso Tiene una impedancia característica mayor comparada con los 100 ohm del UTP
Cable FTP de 100 Ω De cuatro pares, con pantalla integral en lamina utilizado en cableado estructurado Multipar de 25 pares utilizado normalmente para telefonía, a veces para datos
Cable FTP de 100 Ω Foiled Twisted pair Hilo que garantiza la continuidad eléctrica de la pantalla Pantalla par 1 par 2 par 3 par 4
El cable coaxial Formado por un conductor central recubierto por un tubo flexible El espacio entre los dos conductores es mantenido por aisladores espaciados o continuos, el material del aislante (dieléctrico) afecta la capacitancia y por ende la atenuación El tubo exterior puede ser en forma de malla y siempre irá recubierto por otro aislante y protector.
Cable Coaxial Conductor ext. D Conductor int. d d dieléctrico
Atenuación del Cable Coaxial f at = k 1/ log( D / d ) ( 1/ D + d) k = constante que depende del dieléctrico utilizado como aislante f = frecuencia en Hz D= diámetro interior del tubo d= diámetro del conductor central
Cable Coaxial La atenuación es proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia e inversamente proporcional al tamaño del cable El cociente entre los diámetros de los conductores determina la impedancia característica del cable La velocidad de propagación varía entre 0.7c y 0.9c
Cable Coaxial Su uso en redes de área local ya no es recomendado, siendo sustituido por el par trenzado no apantallado a distancias cortas y la fibra óptica para distancias mayores o ancho de banda elevados. Se sigue utilizando para la conexión entre antenas y radios
Atenuación de cables coaxiales de uso frecuente en db/ 100 ft y (db/ 100 m) Tipo de Cable 144 MHz 220 MHz 450 MHz 915 MHz 1.2 GHz 2.4 GHz 5.8 GHz RG-58 6.2 (20.3) 7.4 (24.3) 10.6 (34.8) 16.5 (54.1) 21.1 (69.2) 32.2 (105.6) 51.6 (169.2) RG-8X 4.7 (15.4) 6.0 (19.7) 8.6 (28.2) 12.8 (42.0) 15.9 (52.8) 23.1 (75.8) 40.9 (134.2) LMR-240 3.0 (9.8) 3.7 (12.1) 5.3 (17.4) 7.6 (24.9) 9.2 (30.2) 12.9 (42.3) 20.4 (66.9) RG-213/214 2.8 (9.2) 3.5 (11.5) 5.2 (17.1) 8.0 (26.2) 10.1 (33.1) 15.2 (49.9) 28.6 (93.8) 9913 1.6 (5.2) 1.9 (6.2) 2.8 (9.2) 4.2 (13.8) 5.2 (17.1) 7.7 (25.3) 13.8 (45.3)
LMR-400 1.5 (4.9) 1.8 (5.9) 2.7 (8.9) 3.9 (12.8) 4.8 (15.7) 6.8 (22.3) 10.8 (35.4) 3/8" LDF 1.3 (4.3) 1.6 (5.2) 2.3 (7.5) 3.4 (11.2) 4.2 (13.8) 5.9 (19.4) 8.1 (26.6) LMR-600 0.96 (3.1) 1.2 (3.9) 1.7 (5.6) 2.5 (8.2) 3.1 (10.2) 4.4 (14.4) 7.3 (23.9) 1/2" LDF 0.85 (2.8) 1.1 (3.6) 1.5 (4.9) 2.2 (7.2) 2.7 (8.9) 3.9 (12.8) 6.6 (21.6) 7/8" LDF 0.46 (1.5) 0.56 (2.1) 0.83 (2.7) 1.2 (3.9) 1.5 (4.9) 2.3 (7.5) 3.8 (12.5) 1 1/4" LDF 0.34 (1.1) 0.42 (1.4) 0.62 (2.0) 0.91 (3.0) 1.1 (3.6) 1.7 (5.6) 2.8 (9.2) 1 5/8" LDF 0.28 (0.92) 0.35 (1.1) 0.52 (1.7) 0.77 (2.5) 0.96 (3.1) 1.4 (4.6) 2.5 (8.2)
La Fibra Optica Tiene la menor atenuación y el mayor ancho de banda entre los sistemas de transmisión Es inmune a las intereferencias electromagnéticas y al acceso no autorizado Aunque es más costosa que el par trenzado, se recomienda en instalaciones de altas prestaciones
Medios de Transmisión: Comparación dela atenuación entre diversos cables
Estructura de la Fibra Optica revestimiento núcleo recubrimiento
Fibras Monomodo y Multimodo
Espectro Optico, Ventanas de Transmisión
Las Fibras Opticas Presentan la mayor resistencia a la interferencia y a la intrusión Tienen el máximo ancho de banda y alcance Soportan las velocidades de transmisión del futuro Representan un mayor costo, pero son una buena inversión
Estándar TIA/EIA 568 - Cableado Estructurado Cableado Troncal (Backbone) Par Trenzado - Cable UTP (Unshielded Twisted Pair) de 100 ohmios (máximo 800 m). Par Trenzado Apantallado - Cable STP (Shielded Twisted Pair) de 150 ohmios (máximo 700 m). Fibra Óptica Multimodo de 62.5/125 µm (máximo 2000 m). Fibra Óptica Monomodo (máximo 3000 m). Cableado Horizontal Cable de cuatro pares UTP (Unshielded Twisted Pair) (conductores sólidos 24 AWG). Cable de dos pares STP (Shielded Twisted Pair) de 150 ohmios. Cable de Fibra Óptica de dos Fibras de 62.5/125 µm.
Importancia del Cableado en una Red 40% de los empleados se mudan dentro del mismo edificio cada año. Hasta un 70% de las fallas en una red están relacionadas con el cableado. El cableado representa alrededor del 5% del costo de una red local. El cableado es el elemento que menos obsolece en la red y el que típicamente sobrevive a los cambios de Software y Hardware.
Medios no Guiados Las ondas electromagnéticas se pueden transmitir eficazmente mediante una antena que tenga dimensiones comparables a la longitud de onda de la señal que se quiere enviar El ancho de banda máximo que se puede transmitir es proporcional a la frecuencia de la portadora
Medios no Guiados En radiodifusión AM se utilizan antenas de decenas de metros de altura, típicamente de ¼ de longitud de onda correspondiente a unos 75m, a la frecuencia de 1 MHz El ancho de banda que se transmite en este caso es de 5 khz
Medios no Guiados En radiodifusión FM se utilizan frecuencias 100 veces mayores, con lo que las antenas efectivas son del orden de un metro El ancho de banda que se transmite en este caso es de 15 khz Pero ahora el alcance de la transmisión es menor
Medios no Guiados En General, a mayor frecuencia mayor ancho de banda disponible, pero menor alcance A frecuencias bajas las ondas son guiadas por la superficie terrestre y reflejadas por las capas ionosféricas A frecuencias altas las ondas de radio se comportan como la luz, por lo que se requiere línea visual entre el transmisor y el receptor
El Espectro Electromagnético Abarca desde 30 Hz hasta 300 exahertz En términos de longitud de onda, desde las ondas kilométricas hasta las femtométricas c = velocidad de la luz, 300.000 km/s f = c λ
Propagación de radio Onda Directa Onda terrestre Onda Reflejada Reflexiones en la ionosfera Refracción en un obstáculo Efecto de la curvatura terrestre
Transmisión por Radio Gt Gr Pt Tx At Ar Rx db L Pr km
Factores que determinan el alcance Potencia de salida del TX (típica entre 0.1 y 4 W) Sensibilidad del RX Frecuencia de operación, a mayor frecuencia, mayor atenuación Ganancia de las antenas. A mayor frecuencia, una antena dada tendrá mayor ganancia para el mismo tamaño. Pérdidas en el sistema: espacio, alimentadores, conectores.
Características de las Antenas Ganancia de la antena: es el cociente entre la potencia emitida por la antena en su dirección de máxima emisión respecto a una antena isotrópica. Se expresa en dbi Ancho del haz: es el ángulo subtendido por la radiación emitida entre los puntos en que disminuye a la mitad (3 db)
Características de las Antenas Area efectiva: es el cociente entre la potencia disponible en los terminales de la antena y la potencia por unidad de área incidente sobre la misma. Para un dipolo corto Ae = 0,12λ 2 Para un dipolo de media onda Ae = 0,13λ 2 Para una antena isotrópica Ae = λ 2 /4π*G
Características de las Antenas Para una antena parabólica, la ganancia es: G = R (πd/ λ) 2 donde R es el rendimiento, típicamente de 0,6 y D es el diametro. Expresando λ en terminos de la frecuencia en MHz y D en m, la ganancia en db será: G(dB) = - 42 + 20logD(m) + 20 log f(mhz)
Características de las Antenas Diagrama de radiación o patrón de radiación de una antena, es una gráfica de la intensidad de campo emitido en función del ángulo a partir de la dirección de máxima emisión. El ángulo entre los los dos puntos en los que la potencia se ha reducido a la mitad (3 db) se denomina ancho del haz
Características de las Antenas Polarización: Corresponde a la dirección del campo eléctrico emitido por una antena. Puede ser: Vertical Horizontal Elíptica La desadaptación de polarización puede introducir una pérdida de hasta 20 db
Características de las Antenas Diagrama de radiación Ancho del Haz Punto de media potencia
Ancho de Banda de Transmisión En los sistemas clásicos de comunicaciones se utiliza el mínimo ancho de banda que permita transmitir la señal Existe una alternativa que consiste en utilizar un ancho de banda mucho mayor, con el propósito de hacer la señal mas resistente a las interferencia, o compartir ese espectro con otras señales
Ancho de Banda de Transmisión Se habla entonces de sistemas de: Banda Estrecha Banda Esparcida (Spread Spectrum)
Banda Esparcida (Spread Spectrum) Secuencia Seudoaleatoria (Pseudo Noise Sequence) también llamados Direct Sequence Salto de Frecuencia (Frequency Hopping)
Banda Esparcida (Spread Spectrum) Frecuencias mas usuales 915 MHz, 2.4 GHz o 5.8 GHz En muchos países estas bandas de frecuencia no requieren de permiso gubernamental, siempre que no se excedan ciertos límites en la potencia de transmisión
Espectros en Transmisión DSSS
Transmisión por Infrarrojos La luz visible se ha utilizado desde la antiguedad para transmitir información a distancia El primer sistema moderno fue desarrollado por Chappe en Francia y estaba formado por una serie de torres que retransmitían las señales a grandes distancias
Transmisión por Infrarrojos En la segunda guerra mundial se utilizaron también sistemas de transmisión de voz basados en luz a distancias cortas El problema que se presenta es que la atmósfera no es muy transparente a grandes distancias y la lluvia y otros meteoros degradan la comunicación
Transmisión por Infrarrojos Los sistemas modernos son de tres tipos Redes de alcance local, generalmente transmisión difusa, distancias de pocos metros Sistemas punto a punto, con velocidades de decenas de Mbit/s y alcances de unos pocos km Sistemas espaciales