05 - Camada de Fısica

10 de novembro de 2014

Conteudo

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Camada fısica

I Camada OSI mais baixa: PHYI Natureza do meio

I ConstituicaoI Forma (dimensoes dos fios)I Parametros fısicos (impedancia, atenuacao)

I Modo de interconexao fısica

I Mapeamento entre sinais do meio e bits

I Procedimento de modulacao e multiplexacao, se houver

I Padroes IEEE 802

I Comunicacao em 1 passo em meio nao confiavel

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Camada fısica segundo OSI

I Caracterısticas muito variadas

I Conexao pode 1-para-1 ou 1-para-NI Funcoes

I Ativacao e desativacao da ligacao fısicaI Transmissao da unidade de dados de servicos fısicosI MultiplexacaoI Gerenciamento da camada fısica

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Funcao: ativacao e desativacao

I Ativacao e desativacao da ligacao fısicaI Camada de enlace de dados pode pedir ativacao/desativacao

da ligacao fisicaI Inclui funcao de retransmissao para integracao de circuitos de

dados

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Funcao: transmissao

I Transmissao da unidade de dados de servicos fısicosI Sıncrono ou assıncronoI Reconhecimento da unidade de dados sendo transmitida

(opcional)

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Funcao: multiplexacao

I Multiplexacao (opcional)I Permitir que 2 ou mais conexoes fısicas sejam efetuadas

simultaneamento em um unico circuito de dadosI Reconhecimento do quadro correspondente a especıficas

conexoes fısicas

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Funcao: gerenciamento

I Documento especıfico: ISO7498-4

I “NOTE: The area of physical media connections in

OSI requires further study.”

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Subcamadas da camada fısica

I Subcamada de codificacao (inferior)I Negociacao e codificacao de transmissao 8b/10b

I Subcamada de ligacao ao meio (intermediaria)I Montagem de quadrosI Temporizacao e codificacaoI Deteccao e sincronizacao de octetos

I Subcamada de dependencia ao meio (superior)I Define detalhes de transmissor e receptor de bits dependentes

do meio

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Meios de transmissao

I Cabo coaxial

I Cabo par trancado

I Fibra otica

I Ondas

I outros

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Meio: Cabo coaxial

condutor

dieletricoCapa de isolamento

Blindagem

Figura: Cabo coaxial fino 10Base2

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Cabo Twinaxial

Figura: 100Gb Ethernet e Cabos SATA 3

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Meio: Par trancado

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Meio: Fibra otica

Figura: 1: nucleo de 8 micrometros; 2: revestimento com menos ındicede refracao de 125 micrometros; 3: protecao de plastico de 250micrometros; 4 camada mais rıgida de 400 micrometros.

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Figura: Fusao de fibras oticas: ar quente ou acido sulfurico aquecido pararemocao da protecao do vidro

https://www.youtube.com/watch?v=99BLGMtbRr8

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Meio: Ondas

I Antenas direcionais e omni-direcionais

I Frequencias de onda (2.4Ghz – microondas)

I WiFi IEEE 802.11

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Codificacao de Sinais Digitais

I Em circuitos, um bit 0/1 em geral e codificado por tensaoalta/tensao baixa

I Ondas quadradas de formato irregular

I Codigo PolarI Ondas quadradas polarizadas -V;+V

I Codigo ManchesterI Transicao entre bits ocorre no meio do tempo entre bitsI Se tensao sobe: 1, se desce 0I CSMA/CD IEEE 802.3

I E outros...

I Modulacao: de ondas quadradas para senoides

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ON/OFF

Polar NRZ

Unipolar RZ

Manchester

Relógio

Sinal Digital 0 000 01 1 1 1 1 1 1

Manchester Dif.

CMI

Figura: Formas de codificacao de sinais digitais.

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Analise de Fourier

Funcoes periodicas g(t), com

I perıodo T

I frequencia f = 1/T

pode ser escrita na forma:

g(t) =1

2c +

∞∑n=1

an sin(2πnft) +∞∑n=1

bn cos(2πnft)

onde:

I an e bn sao amplitudes dos termos de ondas n

I c e constante do nıvel da funcao g(t)

Sinais de duracao finita, sem perıodo, podem ser enxergados comorepetidos. Parte do perıodo [T , 2T ] sera igual a [0,T ].

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A funcao g(t)

Para a funcao de Fourier:

g(t) =1

2c +

∞∑n=1

an sin(2πnft) +∞∑n=1

bn cos(2πnft)

Ao multiplicar por sin(2πkft) e integrar no intervalo [0,T ]:

an =2

T

∫ T

0g(t) sin(2πnft)dt

Ao multiplicar por cos(2πkft) e integrar no intervalo [0,T ]:

bn =2

T

∫ T

0g(t) cos(2πnft)dt

Ao integrar no intervalo [0,T ]:

c =2

T

∫ T

0g(t)dt

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Exemplo

I Transmissao da letra “b”: 01100010

0 1 1 0 0 0 1 0

Numero harmonico

Frequencias originais

Tempo

Am

plit

ud

eR

MS

Vol

tage

m

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Exemplo

I Transmissao da letra “b”: 01100010I Amplitudes RMS (raiz-media-quadratica)

√a2n + b2n

I Proporcional a energia transmitida

I Na analise de Fourier, os coeficientes de “b” sao:

an =1

πn[cos(πn/4) − cos(3πn/4) + cos(6πn/4) − cos(7πn/4)]

bn =1

πn[sin(3πn/4) − sin(πn/4) + sin(7πn/4) − sin(6πn/4)]

c = 3/4

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Perdas na transmissao

I As amplitudes dos sinais sofrem distorcoes para transmissao

I Diferentes amplitudes sofrem diferentes nıveis de distorcao

I Depende do meio, frequencias sofrem pouca distorcao ate umlimite fc hz

I O intervalo de frequencias que sofre pouca distorcao echamado de largura de banda logica

I A largura de banda e uma propriedade fısica do meio detransmissao

I Canais de TV analogica usam ate 6 MhzI 802.11 usam ate 20Mhz de largura de banda

I Meta na transmissao digital e transmitir o mınimo possıvelpara reconstrucao da sequencia de bits

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Teorema de Nyquist

Se a frequencia maxima (ou largura de banda analogica) usada forB hz, entao e possıvel usar 2B amostras por segundo paradecodificacao.

taxa maxima de transmissao = 2B log2 Vbit/s

onde V e o numero de nıveis discretos que o canal e capaz detransmistir.

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Teorema de Shannon

I Transmissoes apresentam ruıdos aleatorios(termais/eletromagneticos)

I SNR - Razao Sinal Ruıdo (Signal-Noise Ratio)I Potencia do sinal (S)I Potencia do ruıdo (R)

I SNR = 10 log10 S/N dB (decibeis)

transmissao maxima em bit/s = B log2(1 + S/N)

I ADSL, com largura de banda de 1 mhz

I Com 40dB para linhas de 1km a 2km

I 40 = 10 log10 S/N, ou seja, S/N = 10000

I Resulta em log2(1 + 104) ≈ 13.28Mb/s

I Para mais que isso, aumentar largura de banda ou reduzirSNR.

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Modulacao/demodulacao – Modem

I Modulacao: variacao de amplitude, frequencia ou fase pararepresentar um sinal digital

I Modulacao por chaveamento de amplitude (ASK)I ASK = Amplitude-Shift keyingI Frequencia fixaI Dois nıveis de amplitude (bit 0/1)

I Modulacao por chaveamento de frequencia (FSK)I FSK = Frequency-Shift keyingI Duas frequencias (bit 0/1)I Token Bus IEEE 802.4

I Modulacao por chaveamento de fase (PSK)I PSK = Phase-Shift keyingI Bits representados por avanco ou retrocesso de fase

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Sinal Digital 0 000 01 1 1 1 1 1 1

ON/OFF

PSK

FSK

ASK

Figura: Modulacao de sinais digitais

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Multiplexacao

I Multiplexacao: processo de compartilhamento do meio fısicoI Divisao por frequencia: Frequency Division Multiplex (FDM)

I fibras oticas

I Divisao por tempo: Time Division Multiplex (TDM)I aloca o tempo independentemente do uso

I Divisao por Comprimento de Onda: Wavelength DivisionMultiplexing

I Fibras oticas

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Tipos de transmissao

I Simplex: comunicacao em 1 sentido

I Half-duplex: comunicacao em 2 sentidos alternada

I Full-duplex: comunicacao em 2 sentidos simultaneaI Transmissao de bits

I Serial vs. ParalelaI Um bit por vez ou varios simultaneos

I Sıncrona vs. AssıncronaI De acordo com um relogio ou em momentos arbitrarios

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Codificacao na camada fısica

I delimita quadros com codigos – sequencias de sinais deidentificacao

I Codigo Manchester Diferencial (IEEE 802.) 11001100I Modulacao FSK coerente (IEEE 802.4)

I e possıvel misturar frequencias altas e baixas no perıodo deum bit, gerando um codigo invalido

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Capacidade de transmissao de um canal

I A frequencia de propagacao de um sinal e descrita pelaunidade baud

I Um canal de 10 Mbaud propaga 106 variacoes do sinal porsegundo

I Relacao entre bauds e bits depende da codificacaoI Para sinal digital com quadrada N bauds = N bit/sI Para codificacao Manchester N bauds ≈ N/2bit/s

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Referencias

I Material didatico de Luıs F. Faina (Faculdade deComputacao/UFU)

I Material didatico de George Varghese (University of California,San Diego)

I Redes de Computadores: Modelo OSI. Eleri Cardozo,Mauricio F. Magalhaes (FEEC, Unicamp)

I Howto Cantenna: http:

//www.turnpoint.net/wireless/cantennahowto.html

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