(07BJ) (05BR) Redes Redes de Computadores Tema 2 Transmisión de señales Tema 2 Transmisión de señales Índice 1. Introducción 2. Representación y análisis de señales ([STA04] C3.1) 2.1. Dominio de la frecuencia 2.2. Ancho de banda y velocidad de transmisión 3. Medios de transmisión 3.1. Medios guiados ([FOR07] C7.1) 3.2. Factores que afectan a un medio de transmisión ([STA04] C3.3) 3.3. Capacidad de un medio de transmisión ([STA04] C3.4 ) 4. Multiplexión ([STA04] C8.1 a C8.3) 5. Conmutación ([STA04] C10.6) 2 Tema 2 Transmisión de señales Índice 1. Introducción 2. Representación y análisis de señales ([STA04] C3.1) 2.1. Dominio de la frecuencia 2.2. Ancho de banda y velocidad de transmisión 3. Medios de transmisión 3.1. Medios guiados ([FOR07] C7.1) 3.2. Factores que afectan a un medio de transmisión ([STA04] C3.3) 3.3. Capacidad de un medio de transmisión ([STA04] C3.4 ) 4. Multiplexión ([STA04] C8.1 a C8.3) 5. Conmutación ([STA04] C10.6) 3 Tema 2 Transmisión de señales 1. Introducción Transmisión de datos mediante señales (ondas electromagnéticas) que se propagan a través de un medio de transmisión entre un origen y un destino Retardo de propagación • Retardo temporal corto pero finito de origen a destino • Espacio libre: 3*108 m/s (velocidad de la luz) • Par trenzado/cable coaxial: 2*108 m/s El éxito de la transmisión de datos depende de la calidad de la señal y de las características del medio de transmisión 4 Tema 2 Transmisión de señales Índice 1. Introducción 2. Representación y análisis de señales ([STA04] C3.1) 2.1. Dominio de la frecuencia 2.2. Ancho de banda y velocidad de transmisión 3. Medios de transmisión 3.1. Medios guiados ([FOR07] C7.1) 3.2. Factores que afectan a un medio de transmisión ([STA04] C3.3) 3.3. Capacidad de un medio de transmisión ([STA04] C3.4 ) 4. Multiplexión ([STA04] C8.1 a C8.3) 5. Conmutación ([STA04] C10.6) 5 Tema 2 Transmisión de señales 2. Representación y análisis de señales La señal que recibe el receptor: • es una versión atenuada y distorsionada de la señal original (aún permite recuperar los datos originales) • contiene una componente externa no deseada que interfiere con la señal original (ruido que puede introducir errores en los datos originales) Representación matemática de la señal y el ruido para determinar sus implicaciones en el rendimiento Las señales se pueden representar en función del tiempo o en función de la frecuencia • Dominio del tiempo • Dominio de la frecuencia 6 Tema 2 Transmisión de señales 2.1 Dominio de la frecuencia Dominio de la frecuencia • Señal como componente de frecuencia F de altura A • La terna (A, F, θ) especifica completamente la señal • Si θ = 0, entonces (A, F) θ=0 7 Tema 2 Transmisión de señales 2.1 Dominio de la frecuencia Dominio de la frecuencia • Útil para representar señales complejas como suma de • • componentes (líneas espectrales) de distinta amplitud, frecuencia y fase (An, Fn, θn) Espectro de la señal: conjunto de líneas espectrales Análisis de Fourier: descomposición de una señal en un conjunto de líneas espectrales • Componente continua o DC (F = 0) • Armónicos de frecuencias, amplitudes y fases distintas 8 Tema 2 Transmisión de señales 2.1 Dominio de la frecuencia Ejemplo: 9 Tema 2 Transmisión de señales 2.1 Dominio de la frecuencia Dominio de la frecuencia • Una señal digital periódica se descompone en número infinito de armónicos de frecuencias 1/T, 3/T, 5/T,… 10 Tema 2 Transmisión de señales 2.1 Dominio de la frecuencia Ejemplo: 3 armónicos 4 armónicos ∞ armónicos 11 Tema 2 Transmisión de señales 2.2 Ancho de banda y velocidad de transmisión Ancho de banda (W) • El ancho de banda absoluto es la anchura del espectro • El ancho de banda efectivo comprende las líneas espectrales que contienen la mayor parte de la potencia de la señal (señal recibida distorsionada) Ancho de banda INFINITO ¿Ancho de banda? 12 Tema 2 Transmisión de señales 2.2 Ancho de banda y velocidad de transmisión Velocidad de transmisión (VT) • Número de bits transmitidos por unidad de tiempo • bps, Kbps, Mbps, Gbps, … Velocidad de modulación (Vm) • Número máximo de cambios por unidad de tiempo • Baudios • Cada cambio de estado puede codificar varios bits Relación entre ambos conceptos • Te: duración de cada estado / n: nº de estados 13 Tema 2 Transmisión de señales 2.2 Ancho de banda y velocidad de transmisión Relación entre W y VT • La potencia mínima de la señal debe garantizar que el receptor es capaz de detectarla y distinguirla del ruido • Número mínimo de armónicos • Ningún medio de transmisión transporta señales sin pérdida de potencia • No hay degradación de potencia de 0 a fc (frecuencia de corte) • Frecuencias superiores a fc son fuertemente atenuadas • La frecuencia de corte puede ser natural o artificial: • Propiedad del medio o filtro para limitar el ancho de banda • Limitación del ancho de banda de la señal • El ancho de banda disponible limita la VT, ¿por qué? Problema 1. Calcula VT si Te es 1 µs con 16 estados. 14 Tema 2 Transmisión de señales Índice 1. Introducción 2. Representación y análisis de señales ([STA04] C3.1) 2.1. Dominio de la frecuencia 2.2. Ancho de banda y velocidad de transmisión 3. Medios de transmisión 3.1. Medios guiados ([FOR07] C7.1) 3.2. Factores que afectan a un medio de transmisión ([STA04] C3.3) 3.3. Capacidad de un medio de transmisión ([STA04] C3.4 ) 4. Multiplexión ([STA04] C8.1 a C8.3) 5. Conmutación ([STA04] C10.6) 15 Tema 2 Transmisión de señales 3. Medios de transmisión Medios guiados • Transmiten señales electromagnéticas a través de un • medio sólido Par trenzado / cable coaxial • Hilos de cobre • Transmisión eléctrica • Fibra óptica • Fibra de vidrio o plástico • Transmisión en forma de haces de luz Medios no guiados • Transmisión inalámbrica a través de aire, agua o vacío • Microondas (WLAN), telefonía inalámbrica y satélites 16 Tema 2 Transmisión de señales 3.1 Medios guiados Par trenzado • Medio más antiguo usado en telecomunicaciones para • • • • transmisión de voz y datos (analógica y digital) Dos hilos de cobre dispuestos de forma helicoidal cubiertos por un aislante de plástico Varios pares se agrupan en troncales protegidas Frecuencias de hasta 250 MHz La señal se propaga varios Kms sin amplificar 17 Tema 2 Transmisión de señales 3.1 Medios guiados Par trenzado • Ampliamente utilizado en LANs • Ethernet (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet) y Token Ring • Conector RJ-45 • Categorías (estándar ANSI/TIA/EIA-568-B) • UTP (Unshielded Twisted Pair) • Tipo 5(E): hasta 100 Mbps (1Gbps) • Tipo 6: hasta 1 Gbps Reduce interferencias • STP (Shielded Twisted Pair) • Carcasa metálica que rodea el par 18 Tema 2 Transmisión de señales 3.1 Medios guiados Par trenzado • Conector RJ-45 • Estándares T568A y T568B • Cable directo (A↔A o B↔B) • PC – Hub/Switch/Router • Cable cruzado (A ↔ B) • PC – PC • H/S/R – H/S/R • Configuración automática MDI/MDI-X • Uso de ambos tipos de cables Tema 2 Transmisión de señales 3.1 Medios guiados Cable coaxial • Núcleo de cobre recubierto por un aislante envuelto a • • • su vez en un conductor externo Frecuencias de hasta 900 MHz Mayor velocidad de transmisión e inmunidad al ruido que el par trenzado Mayor atenuación y coste que el par trenzado 20 Tema 2 Transmisión de señales 3.1 Medios guiados Cable coaxial • Ampliamente usado en telefonía, TV y LAN • Conectores BNC (Bayonet Network Connector) • Categorías • RG-8 (Ethernet grueso) / 50 Ω • RG-58 (Ethernet fino) / 50 Ω • RG-59 (TV) / 75 Ω • Transmisión digital (banda base) • Transmisión analógica (banda ancha) • múltiples canales (FDM) 21 Tema 2 Transmisión de señales 3.1 Medios guiados Fibra óptica • La presencia/ausencia de luz codifica un bit • Núcleo de fibra de vidrio (mayor densidad) • Revestimiento de cristal o plástico (menor densidad) • Fuente: LED (Light Emitting diode) o ILD (Injection • Laser Diode) Destino: fotodiodo generador de impulsos eléctricos 22 Tema 2 Transmisión de señales 3.1 Medios guiados Fibra óptica • Tipos de fibras (de menor a mayor coste/VT) • Multimodo • Múltiples haces de luz inciden con diferentes ángulos (LED) • Índice escalonado: núcleo de densidad constante • Índice gradual: núcleo de densidad variable que decrece hacia el borde de la fibra (ITU-T G.651 – 50 ó 62,5/125 µm) • Monomodo • Haz de luz único (ILD) • Núcleo de menor diámetro y menor densidad (ITU-T G.652 - 10/125 µm) 23 Tema 2 Transmisión de señales 3.1 Medios guiados Comparación entre par trenzado y fibra óptica • Ventajas de la fibra óptica • Mayor inmunidad al ruido • Menor atenuación de la señal • Mayor ancho de banda (frecuencia de la luz visible) • Menor grosor que cualquier otro medio guiado • Desventajas de la fibra óptica • Mayor coste (fabricación de la fibra y conectores, LED/ILD,…) • Dificultad de instalación/mantenimiento (conexiones,…) • Fragilidad La fibra óptica es el medio de transmisión preferido para distancias medias/largas 24 Tema 2 Transmisión de señales 3.2 Factores que afectan a un medio de transmisión Durante la transmisión, las señales se deterioran debido a: atenuación, distorsión y ruido Atenuación: NdB = 10·log10 (P2/P1) • • • • • • • • Pérdida de potencia de una señal Relación logarítmica entre dos niveles de potencia (decibelios) Medida de la diferencia relativa (no absoluta) Medios guiados: la atenuación se expresa en dB/m Medios no guiados: condiciones atmosféricas La señal recibida debe tener suficiente potencia para ser detectada por el receptor, y debe mantenerse a un nivel de potencia más alto que el ruido para que se reciba sin errores La atenuación es una función que aumenta con la frecuencia (distorsión de atenuación) Factor crítico en transmisión de señales analógicas 25 Tema 2 Transmisión de señales 3.2 Factores que afectan a un medio de transmisión Distorsión (de retardo) • • • La velocidad de propagación de una señal varía con la frecuencia La distorsión es una función que aumenta con la frecuencia Factor crítico en transmisión de señales digitales Ruido • Señales no deseadas que aparecen en el medio • Tipos de ruido: • Ruido térmico o ruido blanco: agitación térmica de los electrones en • • • el medio que se distribuye uniformemente en el espectro de la señal (amplificar la señal amplifica el ruido) Diafonía (crosstalk): acoplamiento no deseado entre líneas cercanas Ruido de intermodulación: aparición de señales con frecuencias suma o resta de dos señales que comparten el medio Ruido impulsivo: pulsos irregulares o picos de corta duración y gran amplitud (factor crítico en transmisiones digitales) 26 Tema 2 Transmisión de señales 3.2 Factores que afectan a un medio de transmisión 27 Tema 2 Transmisión de señales 3.3 Capacidad de un medio de transmisión Canal libre de ruido • La velocidad de transmisión depende sólo del ancho de • banda Teorema de Nyquist: C = 2·W·log2 M • Dada una señal que se hace pasar a través de un filtro pasobajo (con un ancho de banda W), ésta se puede reconstruir tomando 2W muestras por segundo • El muestreo a más velocidad no tiene sentido • Dado un ancho de banda fijo, se puede incrementar la velocidad aumentando el número de niveles (M) • Distinguir entre M niveles complica la lógica del receptor que debe distinguir entre más niveles • El ruido limita el número de niveles Problema 2. Calcula C si W es 3100 Hz con 8 niveles. 28 Tema 2 Transmisión de señales 3.3 Capacidad de un medio de transmisión Canal con ruido • La velocidad de transmisión está limitada por el ruido • Medición de relación entre la potencia de la señal y la potencia del ruido • SNRdB = 10 log10 (S/N) donde S es la potencia de la señal y N es la potencia del ruido (mayor número de decibelios indica señal de mejor calidad) • Teorema de Shannon: C = W log2 (1 + S/N) • Máximo teórico (sin errores y sólo ruido térmico) • Independiente del número de niveles • Incrementar W o S aumenta también el nivel de ruido Problema 3. Calcula C si W es 3100 Hz y SNRdB es 30 dB. 29 Tema 2 Transmisión de señales Índice 1. Introducción 2. Representación y análisis de señales ([STA04] C3.1) 2.1. Dominio de la frecuencia 2.2. Ancho de banda y velocidad de transmisión 3. Medios de transmisión 3.1. Medios guiados ([FOR07] C7.1) 3.2. Factores que afectan a un medio de transmisión ([STA04] C3.3) 3.3. Capacidad de un medio de transmisión ([STA04] C3.4 ) 4. Multiplexión ([STA04] C8.1 a C8.3) 5. Conmutación ([STA04] C10.6) 30 Tema 2 Transmisión de señales 4. Multiplexión Transmisión simultánea de varias señales o canales a través de una única línea o enlace W/VT de la línea mayor que la suma de las líneas de entrada Técnicas de multiplexión: • 4 dimensiones posibles • División de espacio (SDM) • División de frecuencia (FDM) • División de tiempo (TDM) • División de código (CDM) • Objetivos: • Mínima interferencia entre canales • Máxima utilización del medio 31 Tema 2 4. Multiplexión Transmisión de señales Multiplexión por división de espacio (SDM) • División del espacio en distintas zonas de cobertura • Espacio de guarda • Cada canal utiliza todo el espectro dentro de su zona • de cobertura Ejemplo: radio FM c t c t s1 f s2 k1 k2 k3 k4 k5 f c k6 t s3 f 32 Tema 2 4. Multiplexión Transmisión de señales Multiplexión por división de frecuencia (FDM) • Transmisión analógica • División del espectro en bandas de frecuencias • Cada canal usa una banda de frecuencias distinta • Ventajas: • No necesita coordinación entre canales • Desventajas • Consumo de ancho de banda • Bandas de guarda c f • Esquema poco flexible • Ejemplo: TV por cable t 33 Tema 2 Transmisión de señales 4. Multiplexión Multiplexión por división de longitud de onda (WDM) • • • • Conceptualmente equivalente a FDM sobre fibra óptica La señal de varias fibras se combina, se envía a través de una única fibra compartida, y la señal resultante se replica en el destino en cada fibra saliente que, a su vez, posee un filtro Velocidades de transmisión elevadas (100 canales a 10 Gbps) Permite superar límites conversión entre los medios óptico y eléctrico 34 Tema 2 Transmisión de señales 4. Multiplexión Multiplexión por división de tiempo (TDM) • Transmisión digital • Cada canal emplea todo el espectro temporalmente • Nomenclatura: • Ranura o slot: porción de tiempo asociada a una línea de entrada • Canal: secuencia de slots de una misma línea de entrada • Trama: secuencia de slots de distintos canales c f t 35 Tema 2 Transmisión de señales 4. Multiplexión Multiplexión por división de tiempo (TDM) • Agrupación de slots de diferentes canales para formar tramas cíclicamente • Ventajas: • Buen rendimiento incluso con muchos canales • Desventajas: • Necesita coordinación precisa entre canales 36 Tema 2 Transmisión de señales 4. Multiplexión Ejemplo TDM: Portadora T1 • 24 canales de voz de 4 KHz digitalizados • Cada canal se muestrea 8000 veces por segundo (64 Kbps) e inserta 8 bits en la señal compuesta (7 datos + 1 control) • Tramas de 193 bits (24 x 8 + 1 control) • Duración de la trama: 125 µs (8000 tramas/seg) • Velocidad de transmisión total: 1,544 Mbps 37 Tema 2 Transmisión de señales 4. Multiplexión Ejemplo TDM: Portadora T1 • • Variante europea E1 (30 canales datos + 2 control): 2.048 Mbps Multiplexión jerárquica de portadoras T1 Otros estándares de TDM síncrona para fibra óptica: • SONET (Synchronous Optical Network): USA • SDH (Synchronous Digital Hierarchy): Europa 38 Tema 2 4. Multiplexión Transmisión de señales Multiplexión en tiempo (TDM) y en frecuencia (FDM) • Combinación de ambos métodos • Cada canal obtiene una banda temporalmente • Ventajas: • Protección contra intercepción • Protección contra interferencias selectivas • en una banda de frecuencias Desventajas: c • Necesita coordinación precisa • Ejemplo: GSM t f 39 Tema 2 Transmisión de señales 4. Multiplexión Multiplexión por división de código (CDM) • • • • Todos los canales utilizan todo el espectro al mismo tiempo Cada canal utiliza un código único c Uso de códigos ortogonales Ventajas: • Desventajas: • Uso eficiente del ancho de banda • No necesita coordinación entre canales • Buena protección contra intercepción • Robustez ante interferencias f • Señal compleja • Complejidad de emisor/receptor • Tasa de envío de datos baja • Requiere misma potencia en las señales de entrada • Ejemplo: GPS t 40 Tema 2 Transmisión de señales Índice 1. Introducción 2. Representación y análisis de señales ([STA04] C3.1) 2.1. Dominio del tiempo 2.2. Dominio de la frecuencia 2.3. Ancho de banda y velocidad de transmisión 3. Medios de transmisión 3.1. Medios guiados ([FOR07] C7.1) 3.2. Factores que afectan a un medio de transmisión ([STA04] C3.3) 3.3. Capacidad de un medio de transmisión ([STA04] C3.4 ) 4. Multiplexión ([STA04] C8.1 a C8.3) 5. Conmutación ([STA04] C10.6) 41 Tema 2 Transmisión de señales 5. Conmutación Conmutación de circuitos (red telefónica) • La línea está desocupada la mayor parte del tiempo • Emisor/receptor deben transmitir/recibir a la misma velocidad Conmutación de paquetes (almacenamiento y reenvío) • Mayor aprovechamiento de la línea • Emisor/receptor pueden transmitir/recibir a diferentes • • • velocidades Mejor respuesta ante situaciones de congestión Gestión de prioridades Circuitos virtuales o datagramas 42 Tema 2 Transmisión de señales 5. Conmutación Conmutación de circuitos y conmutación de paquetes 43 Tema 2 Transmisión de señales 5. Conmutación Problema 4. Compare el retardo al enviar un mensaje de x bits por una trayectoria de k saltos en una red de conmutación de circuitos y en una red de conmutación de paquetes en ausencia de congestión: • El tiempo de establecimiento de circuito es de s seg • El retraso de propagación es de d seg por salto • El tamaño del paquete es de p bits • La tasa de transmisión de datos es de b bps ¿En qué condiciones tiene un retardo menor la red de conmutación de paquetes? 44 Tema 2 Transmisión de señales Resumen Representación en el dominio de la frecuencia Relación entre Vm y VT Relación entre W y VT Medios de transmisión guiados • Par trenzado, cable coaxial y fibra óptica Factores que afectan a un medio de transmisión • Atenuación, distorsión y ruido Capacidad de un medio de transmisión • Teorema de Nyquist y teorema de Shannon Tipos de multiplexión: SDM, FDM, TDM y CDM Conmutación de circuitos / conmutación de paquetes 45