capa fisica

CAPA FÍSICA
1
Capa física
Objetivo: Transmisión de bits por un canal de
comunicación
Uso eficiente del medio físico, tomando en
cuenta sus características
2
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
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
Especificación mecánica
Conector DB-25
-
Separación entre pines
Espesor de los pines
Altura de los pines
Dimensiones del conector
Etc., etc.
5
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
Especificación funcional
7
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
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
RS232. Conexión asíncrona
10
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
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
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
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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
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 = 2
2 . 3000 . Log2(2) = 6000
tentación: ¿ y si aumentamos V ?
15
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
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 30000 bps
No importa con cuántos niveles queramos
representar la señal
17
Características de los
medios
Ancho de banda (rango de frecuencias)
utilizable
Características de propagación


Atenuación
Dispersión
Ruido e interferencia
18
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
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:
800∗1024∗1024∗1024∗8
≈635 Mbps
3∗3600
¿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
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
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
Cableado 802.3 con RJ45
T568A/B RJ45 Wiring
Pin
T568A T568B
Wire T568A Color T568B Color
Pair
Pair
1
3
2 tip
2
3
2 ring
3
2
3 tip
4
1
1 ring
5
1
1 tip
6
2
3 ring
7
4
4 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
Cable Coaxial
24
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
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
Arquitectura actual
27
Fibras ópticas
Ancho de banda útil mayor que 50000 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
La luz
Onda Electromagnética que ocupa la banda
visible del espectro (entre 450 y 750 THz)
Velocidad de la luz en el vacío:
c = 300.000km/s.
Longitud de Onda:
Indice de Refracción:
c
λ=
n
n=
c vacío
v material
29
Espectro Electromagnético
30
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
Principio de funcionamiento
32
Fibras multimodo y monomodo
33
Fibras Ópticas
Vista de una fibra, y de un cable de fibras
34
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
¿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
Atenuación en Fibras Opticas
y Ventanas de Transmisión
Las 3 bandas usualmente usadas en fibras ópticas (infrarrojo)
37
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
Sistemas Opticos: Enlace
Simple
39
Transmisión inalámbrica
40
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: 2400-2484 MHz
Otras (902-928 MHz y 5725-5850 MHz)
41
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
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
Propiedades de distintos
satélites
44
Ejemplo: VSAT
45
46
Sistema telefónico: Conexión
entre computadoras
47
MODEMS
módem (MOdulator DEModulator)
canal telefónico 300-3300Hz
modulación de amplitud
modulación de frecuencia (FSK)
modulación de fase
48
Modulación
49
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
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
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
Patrones de constelación
53
DSL (Digital Subscriber Line)
Ancho de banda vs. distancia (cable cat.3)
54
ADSL
Utiliza el mismo par de cobre de la telefonía
tradicional, en otras frecuencias
55
Sistema ADSL típico
56
WLL (Wireless Local Loop)
Distintas tecnologías




LMDS
WiMax (802.16)
WiFi
Otras
Tecnologías punto-multipunto
57
Multiplexado
División en frecuencia
58
Multiplexado
División en longitud de onda
59
Multiplexado en el tiempo
60
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
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
Multiplexación de mayor
orden
En el sistema europeo, se multiplexa 4:1 en cada nivel
63