CAPA FÍSICA

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

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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 adaptarse a 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.

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

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Especificación funcional

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Especificación funcional Qué circuitos se conectan a cada pin y su significado. 

Ej. 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)

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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

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RS232. Conexión asíncrona

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Límites impuestos por la naturaleza Nyquist:

V max =2W log 2 N

 Vmax: velocidad máxima (bps)  W: ancho de banda  N: número de niveles de la señal

Shannon:

V max =W log 2 (1+S/ N )

 Vmax: velocidad máxima (bps)  W: ancho de banda  S/N: Relación señal a ruido en el canal

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Nyquist: capacidad de un canal 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 Dmax en un ancho de banda H con V niveles de señal

Dmax =2 H log 2 V Dmax velocidad máxima de la información (bits/s) H ancho de banda del canal V cantidad de niveles de la señal

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Ejemplo: Capacidad de un canal un canal sin ruido de 3000 Hz 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 ?

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Teorema de Shanon (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: 10 log10 (S/N) 14

Ejemplo : Shanon 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 ¿cómo se llega a este resultado numérico?

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Características de los medios Ancho de banda (rango de frecuencias) utilizable Características de propagación  

Atenuación Dispersión

Ruido e interferencia

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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” 17

Medios magnéticos No es un medio de transmisión “tradicional” capacidad de una cinta LTO 6:  2,5 TB (2,5 x 1012 bytes) viaje Montevideo/Buenos Aires: 3 horas velocidad de transferencia de la información 12

2,5∗10 ∗8 ≈1,8 Gbps 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? 18

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) 19

Par trenzado mejor inmunidad al ruido y a la diafonía velocidades de algunos Mbps a distancias de pocos kilómetros (adsl, vdsl, etc.) 250+Mbps por par en ambiente LAN comportamiento dependiente del paso del trenzado y del calibre del alambre definidas categorías para pares no blindados (UTP)   

Cat. 3: 10 Mbps Cat. 5: 100+ Mbps Cat. 5e, cat.6, cat 7, etc

par trenzado blindado (STP) menor sensibilidad a interferencia, más caro. 20

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

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Cable Coaxial

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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 23

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 (fibra-coaxial) 24

Arquitectura actual

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Fibras ópticas Ancho de banda útil mayor que 50000 Gbps (50 Tbps) Límite comercial actual: 100 Gbps (1 flujo). 

(>10 Tbps con DWDM)

Es el medio de preferencia para muy altas capacidades o distancias largas Hoy en día estamos lejos del límite de Shannon 27

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. c Longitud de Onda: λ=

nf

Indice de Refracción: n=

c vacío v mat 28

Espectro Electromagnético

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Ley de Reflexión: Ley de Snell t

i = r

n2

sen ( q t ) =

n1 i

n1 n2

sen ( qi )

r

n2

Si n1>n2, para sen ( q i ) > hay reflexión n1 total 30

Principio de funcionamiento

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Fibras Ópticas

Vista de una fibra, y de un cable de fibras 33

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

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¿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 35

Atenuación y Ventanas de Transmisión

Las 3 bandas usualmente usadas en fibras ópticas (infrarrojo)

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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

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Sistemas Opticos: Enlace Simple

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Margen de Potencia Margen de potencia de Extremo a Extremo: Diferencia entre potencia transmitida y sensibilidad del receptor Margen de potencia en Recepción: Diferencia entre potencia esperada en recepción y sensibilidad del receptor Considera pérdidas debido a:     

Pérdidas por acoplamiento (ej. 0.5 db) Pérdidas por atenuación por distancia (ej. 1 db/km) Conectores (ej 0.5 db/conexión) Uniones (ej. 0.5 db) etc.

Ejemplo: Transmisor: -18.5 dBm Sensibilidad de Receptor: -30 dBm - > Margen de Potencia de Extremo a extremo (dB): 11,5 dB 4 conectores, 3 uniones, 10 km fibra monomodo (0,5 dB/km) - > Pérdida 4 x 0,5 + 3 x 0,5 + 10 x 0,5= 8,5 dB Márgen de Potencia en recepción (dB)= -18.5 dBm + 30 dBm - 8.5 dB = 3dB

Transmisión inalámbrica

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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 (Bandas para uso sin licencia):   

2400-2484 MHz 902-928 MHz 5725-5850 MHz

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Power budget Es necesario calcular si suficiente potencia llega al receptor Factores:  

  



Potencia del transmisor (dBm o dbW) 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 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 44

Propiedades de distintos satélites

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Ejemplo: VSAT

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Transmisión óptica por medio abierto

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Sistema telefónico

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Conexión entre computadoras

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MODEMS módem (MOdulator DEModulator) canal telefónico 300-3300Hz modulación de amplitud modulación de frecuencia (FSK) modulación de fase

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Modulación

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Patrones de constelación

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Patrones de constelación

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

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

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Sistema ADSL típico

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WLL (Wireless Local Loop) Distintas tecnologías    

LMDS WiMax (802.16) WiFi Otras

Tecnologías punto-multipunto

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Multiplexado División en frecuencia

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Multiplexado por División en longitud de onda

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Multiplexado en el tiempo

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La jerarquía 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 

En Uruguay se siguen normas europeas, se utiliza la “E1” (2048 kbps) y múltiplos:  30 canales de voz  1 canal señalización  1 canal framing

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La 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

SONET/SDH Fundamentalmente usada para troncales ópticas Sincrónica (Sincronizado con un reloj maestro) Objetivos originales:    

Interconexión de carriers Unificación de sistemas Extensión mas allá del Gb Soporte de operaciones, administración y mantenimiento 64

Arquitectura SONET

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Estructura de capas SONET

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Multiplexación en SONET

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Jerarquía SONET/SDH

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