Version 3/02/12

Computer Networks I

application

transport

link

physical

network Medios de Transmisión

aplicación

transporte

enlace

física

red

inocente.sanchez@uclm.es

Computer Networks I 2

Sumario

DefinicionesAncho de BandaTipos de señales y datosTécnicas de codificaciónMedios GuiadosCables, fibra ópticaMedios no guiadosMecanismos de propagación de ondasEspectroServiciosRadioenlaces de microondasComunicaciones por satéliteInfrarrojos

Computer Networks I 3

Medios de transmisión

Cualquier cosa que pueda llevar información de un origen a un destino

Antecedentes

Siglo XIX – Telégrafo de Morse (medio metálico)1869 – Teléfono de Bell (medio metálico también)1895 – Transmisión de radio de Hertz (sin cables)

Más adelante Marconi aplica el descubrimento de Hertz al telégrafo

Capa física

Cable o aire

Canal de transmisiónCapa física

Computer Networks I 4

Código Morse

Computer Networks I 5

Canal de transmisiónLos datos se transmiten mediante la propagación

de las ondas electromagnéticas o de señales eléctricas

Los canales tienen una capacidad de transmisión limitada (ancho de banda)

Y tienen algún retardo para llegar a su destinoLas señales en los canales se pueden ver afectadas

porRuidoAtenuaciónDistorsión

Computer Networks I 6

Ancho de Banda

Cantidad de información que pasa por una conexión en un determinado tiempo

Es importante porque:Está limitada por el medio físico y la tecnologíaNo es gratisNecesita crecer a un ritmo muy rápidoEs crítico para las prestaciones de la red

Computer Networks I 7

Se mide en bits por segundo (bps)

Depende principalmente de:Medio de transmisiónTipo de tecnologíaCodificación

Cisco

Ancho de Banda

Computer Networks I 8

Para comunicaciones analógicasSe expresa con un intervalo:

Ej: de 3 kHz a 300 kHzY se mide en Hertz (Hz)

Onda cuadrada de 1 MHzAncho de banda de 1 MHz2 millones de bits por sg (2 Mbps)

Ancho de Banda y Tasa de Bits

Computer Networks I 9

Tasa de baudios y Tasa de bits sin ruido

Para 2 niveles

Velocidad binaria

Para M niveles

Velocidad binaria

1 Baudio = 1 estado señalización / sg

1 Baudio = 1 bps si M=2

La relación entre la velocidad de transmisión C y la velocidad de modulación V es:

Computer Networks I 10

Tasa de bits con ruido

Capacidad de Shannon

Ejemplo canal telefónico:

BW = 300 – 3300 Hz

S/N = 35 dB

S/N = 3162

)1(·log 2 N

SB(Hz)=C(bps)

bps=C(bps) 34860)3163(·log3000 2

Computer Networks I 11

Efectos del ancho de banda en las señales digitales

Tren de bits pasados por distintos filtros

Computer Networks I 12

Tipos de datos

AnalógicosValores continuos en un intervalo determinadoEj: sonido, video, ...

DigitalesValores discretosEj: texto, números enteros, ..

Computer Networks I 13

Tipos de señales

AnalógicasVariable de forma continuaCable, fibra óptica, espacio (aire o vacío)

DigitalesUsan dos componentes continuasSe puede usar un número mayor de dos

Computer Networks I 14

Datos y señales

Casos posibles Señal analógica Señal digital Datos analógicos

Hay dos alternativas: la señal ocupa el mismo espectro que los datos analógicos, los datos analógicos se codifican ocupando una porción distinta del espectro

Los datos analógicos se codifican utilizando un codec para generar una cadena de bits

Datos digitales

Los datos digitales se codifican usando un modem para generar señal analógica

Hay dos alternativas: la señal consiste en dos niveles de tensión que representan dos valores binarios, los datos digitales se codifican para producir una señal digital con las propiedades deseadas

Computer Networks I 15

Señales analógicas que portan datos analógicos y digitales

Distintos casos

Computer Networks I 16

Señales digitales que portan datos analógicos y digitales

Distintos casos

Computer Networks I 17

Técnicas de codificación

Datos digitales, señales digitalesDatos analógicos, señales digitales

(PCM)Datos digitales, señales analógicas

(modem)Datos analógicos, señales analógicas

(AM, FM, PM)

Computer Networks I 18

NRZ-L (Non Return Zero)NRZIBipolar AMI PseudoternarioManchesterManchester diferencial

Datos digitales sobre señales digitales

Computer Networks I 19

Comparación

Distintas formas de codificar datos digitales

Computer Networks I 20

Generación Manchester

Sencillo circuito generador de código Manchester

Computer Networks I 21

Datos digitales sobre señales analógicas

ASK Con o sin amplitud

FSK Dos frecuencias: f1 / f2

PSK Dos fases: 0 y π

Más de 2 fases (8-PSK,16-PSK)

Otros casos QPSK, 16-QAM, 64-QAM, etc...

Anchos de banda ASK y PSK similares, en función de régimen binario.

FSK depende tanto del régimen binario como de la separación de frecuencias

Computer Networks I 22

Otros códigos

QPSK 2 bits por elemento usando 4 fases

8-PSK 3 bits por elemento usando 8 fases

16-PSK 4 bits por elemento usando 16 fases

16-QAM 4 bits por elemento usando distintas amplitudes y fases

64-QAM 6 bits por elemento usando distintas amplitudes y fases

Computer Networks I 23

Datos analógicos sobre señales digitales

PCM (Pulse Coded Modulation)Cada muestra analógica se codifica con un código, por

ejemplo 8 bits, con lo que la resolución se establece entre 256 niveles

Se envían los códigos binarios unos tras otros a un cierto ritmo, respetando el criterio de Nyquist, por ejemplo a 8 KHz

En ese caso la velocidad sería 64 Kbps

Computer Networks I 24

Datos analógicos sobre señales digitales

DM (modulación Delta) La señal se aproxima por una “escalera”

Si la señal es mayor que la escalera, se genera un 1 lógico y se sube un ”escalón”

En caso contrario se genera un 0 lógico y se baja un “escalón”

Computer Networks I 25

Datos analógicos sobre señales analógicas. Modulación lineal

Modulación de Amplitud (AM) La señal moduladora x(t) cambia la amplitud de la portadora

Ancho de banda doble que en Banda Base (W)

Fácil detección. Derroche de energía

Doble Banda Lateral (DBL, Doble Side Band) Igual que la anterior, pero con la portadora suprimida

El mismo ancho de banda

Mejor eficiencia energética

Banda Lateral Única (BLU, Single Side Band) Portadora suprimida, como la anterior

Mejor aprovechamiento del ancho de banda (mitad casos anteriores)

Más difícil de generar y de detectar

t)πf(x(t)A+A=y(t) c1c 2cos

Computer Networks I 26

Datos analógicos sobre señales analógicas. Modulación angular

Modulación de Frecuencia (FM) La señal moduladora x(t) cambia la frecuencia instantánea de la portadora

Ancho de banda mayor en AM. Regla de Carson, BW=2(W+fd)

Mejor calidad, más inmune a ruidos que afectan a la amplitud

Modulación de Fase (PM) La señal moduladora x(t) cambia la fase de la portadora

Ancho de banda similar a FM

Tanto la FM como la PM modifican el interior del coseno

Computer Networks I 27

Medios de Transmisión

Guiados(cableados)

No guiados(Inalámbricos)

Par de cabletrenzado

Cable Coaxial

Cable deFibra óptica

Espacio libre(vacío / aire)

Forouzan

Medios de Transmisión

Computer Networks I 28

Medios guiados

Origen y destino unidos por un conductorConductor metálico

Cable par trenzado Cable coaxial

Conductor de Cristal/Plástico Cable de Fibra óptica

Computer Networks I 29

Par trenzado

La trenza proporciona apantallamiento del ruido y las interferencias

El tipo más habitual es el UTP (Unshielded twisted-pair)

Las categorías normalizadas del UTP son de 7 clases

Computer Networks I 30

Especificaciones del cable

T: par trenzadoF: Fibra Óptica

10 BASE-T

Computer Networks I 31

Par trenzado

El conector más usual es el RJ45Características:

Baja atenuación con la distancia (dB/Km)Crece rápidamente por encima de 100KHz

Aplicaciones:Voz y datos por las líneas telefónicasDSL (Digital Subscriber Line) para alto ancho de bandaRedes locales

Computer Networks I 32

Cable coaxial (I)

Trabaja a frecuencias más altas que el par trenzadoEl conector más habitual es el BNCCaracterísticas

Mayor ancho de banda que el par trenzadoPero también mayor atenuación

AplicacionesRedes telefónicas digitales (hoy sustituidas)Redes locales (10Base-2)TV por cable

Computer Networks I 33

Cable coaxial (II)

Impedancia característicaDepende sólo de la relación entre diámetros y de la

permitividad relativa del dieléctricoSe mide en ohm

d

D

ε=

d

D

ε=Z

rr

ln60

log138

0

Computer Networks I 34

Líneas de Transmisión (I)

Adaptación impedancias, óptima si RG=Z0=RL

Medida de la desadaptación: ROE (SWR en inglés)

mín

máx

V

V=ROE

Computer Networks I 35

Líneas de Transmisión (II)

Desadaptación– Onda estacionaria.

Casos extremos

Computer Networks I 36

Cable de Fibra óptica (I)

Fabricada con cristal o plásticoLas señales se transmiten en forma de luz, usando

la refracción del material

Multimodo: salto de índice y gradual

(varios haces en diferentes caminos)

Monomodo(salto de índice o

escalonado)

Computer Networks I 37

Prestaciones:Hasta 1600 Gps en transferencias de datos. Velocidad limitada por la electrónica, no por el medioMenor atenuación que el par trenzado. Necesita 10

veces menos repetidores para la misma longitudAplicaciones:

Redes neurálgicas (buena relación ancho de banda / precio)

TV por cableRedes locales 100Base-Fx 1000Base-X

Cable de Fibra óptica (II)

Computer Networks I 38

Otras ventajas:Inmunidad a interferencias electromagnéticasResistencia a materiales corrosivosLigeras (poco peso)

Algunos desventajas:Instalación y mantenimiento por personal expertoPropagación de la luz en una direcciónCoste. Sólo se justifica para necesidades de mucho

ancho de banda

Cable de Fibra óptica (III)

Computer Networks I 39

Fundamentos de la fibra óptica

Ley de Snell

RAYOINCIDENTE

RAYOREFLEJADO

RAYOREFRACTADO

NORMAL

MEDIO DE INDICE N2

MEDIO DE INDICE N1

R

i r

i = rn1 sen i = n2 sen R

Computer Networks I 40

Modos en fibra óptica

Monomodo Multimodo

Se adapta mejor a distancias cortas (<2Km).Se adapta mejor a distancias cortas (<2Km).

El ancho de banda de un sistema de fibras El ancho de banda de un sistema de fibras multimodo es más dependiente de su longitud. Para multimodo es más dependiente de su longitud. Para longitudes superiores de 2Km, utilizando fibras longitudes superiores de 2Km, utilizando fibras estándar, es posible alcanzar hasta 100 Mb/s.estándar, es posible alcanzar hasta 100 Mb/s.

El equipo óptico para fibra multimodo es El equipo óptico para fibra multimodo es generalmente más económico que el de monomodo. generalmente más económico que el de monomodo. Se utilizan a menudo diodos LED como generadores Se utilizan a menudo diodos LED como generadores de luz.de luz.

El cable es más caro que el monomodo, pero en El cable es más caro que el monomodo, pero en distancias cortas el ahorro en el equipo óptico puede distancias cortas el ahorro en el equipo óptico puede equilibrar el coste.equilibrar el coste.

La fibra óptica multimodo 62,5/125 es estándar para La fibra óptica multimodo 62,5/125 es estándar para comunicaciones de LAN, Ethernet, Token-ring.comunicaciones de LAN, Ethernet, Token-ring.

La fibra multimodo es adecuada para longitudes de La fibra multimodo es adecuada para longitudes de onda de 850 y 1310 nm. onda de 850 y 1310 nm.

Tienen la capacidad de transmitir el Tienen la capacidad de transmitir el mayor ancho de banda posible y son mayor ancho de banda posible y son ideales para transmisión a larga ideales para transmisión a larga distancia.distancia.

Poseen una atenuación más baja que Poseen una atenuación más baja que las fibras multimodo.las fibras multimodo.

Son más económicos que los cables Son más económicos que los cables multimodo.multimodo.

Disponemos de fibras monomodo que Disponemos de fibras monomodo que van de los 1310 a los 1550 nm de van de los 1310 a los 1550 nm de longitud de onda.longitud de onda.

Computer Networks I 41

Comparación de medios guiados

Cable coaxialMuy usado en la actualidad

Cable de Fibra ópticaMayor ancho de banda, pero más caroInmune a las perturbaciones electromagnéticas

Cable de par trenzadoFácil de conectarBarato

Computer Networks I 42

Medios no guiados

Las ondas transportan información sin conductor físico

También se llama comunicación sin hilos o inalámbrica

Usa parte del espectro radioeléctrico

Tanen

Computer Networks I 43

Transmisión inalámbrica

Transmisióninalambrica

Ondas de radio MicroondasSatélites Infrarrojos

Forouzan

Computer Networks I 44

Mecanismos de Propagación de ondas

Propagación de onda de superficie:Parte baja de la atmósferaLas señales se adaptan a la curvatura de la

Tierra

Propagación de onda de cielo Las señales se “reflejan” en la ionosferaDistancias grandes con potencias pequeñas.

Propagación de Línea de horizonte (visibilidad directa) Frecuencias más altas, pero menores alcances

Forouzan

Computer Networks I 45

¿Qué es una comunicación sin hilos?

MEDIO (AIRE O VACÍO)

x(t)Transmisor de RADIO

Receptor de RADIO

RX

Una pequeña fracción de la energía radiada por TX llega a

RX

TX

Onda electromagnética

x(t)

Computer Networks I 46

¿Qué es una onda electromagnética?

Doble dependencia: tiempo y espacioConcepto de longitud de onda

E

H

Longitud de onda

Puntos en concordancia de fase

Onda electromagnética con polarización vertical

Computer Networks I 47

¿Cómo se produce y cómo se detecta una onda electromagnética?

Una corriente eléctrica variable en el tiempo recorriendo un conductor produce la presencia simultánea de un campo eléctrico y un campo magnético, perpendiculares entre sí, y a la dirección de propagación. Antena transmisora

• Un conductor situado en la presencia de un campo electromagnético induce en él un voltaje proporcional al campo eléctrico. Antena receptora

Computer Networks I 48

Ondas de superficie (<3 MHz)

Grandes alcances sólo con polarización vertical La polarización horizontal la absorbe el suelo Rodea obstáculos y se curva por difracción Afecta poco la curvatura de la Tierra y las

montañas Difícil realizar cálculo analítico. Se emplean curvas publicadas por organismos

internacionales (CCIR, Comité Consultivo Internacional de Radiocomunicaciones)

Computer Networks I 49

Ondas ionosféricas (3-30 MHz)

Ventajas:Barato

Lugares inaccesibles

Poca potencia

Inconvenientes:Aleatoriedad de la ionosfera

Mucho ruido

Interferencias: muchos usuarios con mucha potencia

Desvanecimiento por multitrayecto

Poco ancho de banda (frecuencias bajas)

Computer Networks I 50

Capas Ionosfera

CAPA D

60-90 Km. Sólo existe durante el día. Depende del ángulo cenital del Sol. Refleja rayos frecuencias bajas y absorbe frecuencias medias y altas

CAPA E

90-130 Km. Muy estable. Depende del ángulo cenital del Sol. Altura variable según estación del año

CAPA F1

150-250 Km. Sólo durante el día. Máxima al mediodía. Habitualmente no es “espejo”, aunque puede serlo.

CAPA F2

300-450 Km. “Espejo” HF gran distancia. Altura y densidad de ionización varían a lo largo del día, de una estación a otra y según ciclos solares.

De noche F1 y F2 se funden en una única capa llamada F a 300 Km

Computer Networks I 51

Fundamentos comunicación ionosférica (índice de refracción)

22

2

4π1

fmε

(r)Ne=n(r)

0

e

1

21

2sen

sen

n

n=

Φ

Φ

máx9 eN=fv2

811

f

(r)N=n(r) e

La máxima concentración de electrones que hay en un determinado lugar a una determinada hora fija la máxima frecuencia de radio de incidencia vertical fv que es devuelta a tierra o se escapa al espacio exterior.

Dicha concentración depende directamente el ángulo cenital del Sol

Computer Networks I 52

Fundamentos comunicación ionosférica (Ley de la secante)

5 MHz 6 MHz 8 MHz

máx9 eN=fv

La máxima frecuencia que es devuelta a tierra depende del ángulo de incidencia del rayo con la vertical.

A mayor ángulo, mayor frecuencia, supuesta la misma concentración de electrones a lo largo de todo el recorrido

Computer Networks I 53

Espectro radioeléctrico

Forouzan

Computer Networks I 54

Algunos servicios: radiodifusión sonora

Onda Larga (LW)

153 KHz – 261 KHz

Onda Media (MW)

531 KHz – 1602 KHz

Onda Corta (SW)

Varias subbandas en el rango de 3 a 30 MHz, también conocidas por sus longitudes de onda: 49 m, 31 m, 25 m, 19 m, etc...

Frecuencia Modulada

88 MHz – 108 MHz en saltos de 0,1 MHz

DAB (Digital Audio Broadcasting)

Totalmente digital en la banda de 200 MHz

Computer Networks I 55

Algunos servicios: TV Banda VHF baja (EN DESUSO DESDE HACE VARIOS AÑOS)Canales 2 a 4, de 47 MHZ a 68 MHzBanda VHF alta (EN DESUSO DESDE HACE VARIOS AÑOS)Canales 5 a 11, de 174 MHZ a 223 MHz

Banda UHF analógica (EN DESUSO DESDE 2010)

Canales 21 a 69, de 470 MHZ a 852 MHz

Banda UHF digital (DVB-T) (Digital Video Broadcasting Terrestrial)extinguida parcialmente desde el 31 de marzo de 2015 Canales 21 a 69, de 470 MHZ a 852 MHz

Banda UHF digital (DVB-T) desde el 1 de abril de 2015 Primer Dividendo Digital a favor de la telefonía móvil 4GCanales 21 a 60, de 470 MHZ a 790 MHz

Probable recorte de esta banda en un futuro próximo para nuevas frecuencias asignadas a la telefonía móvil 5G, en un segundo Dividendo Digital

Computer Networks I 56

Microondas

Cubren desde 1 GHz a 300 GHzUnidireccionales => Hay que orientar las antenasPropagación con visibilidad directa (la curvatura de la

Tierra es un problema)No atraviesan las paredesMayor capacidad de transmisión de datos que las

ondas de radioParte del espectro regulado por las autoridadesBandas ISM (Industrial Scientific Medical) ( 2.4 & 5.7GHz)

usadas para WiFi sin necesidad de licencia

Computer Networks I 57

Ventajas e inconvenientes

• Ventajas de los Radioenlaces de Microondas respecto a la línea física

• Más baratos

• Sencillos y fáciles de instalar

• Conservación cómoda

• Superación irregularidades del terreno

• Desventajas de los Radioenlaces de Microondas respecto a la línea física

• Necesita visibilidad directa

• Acceso a repetidores y alimentaciones

Computer Networks I 58

Enlaces de microondas

Plan 2 frecuencias

Plan 4 frecuencias

Computer Networks I 59

Enlaces de microondas

Ganancia antena parabólica

Anchura del haz

Ejemplo, f=6 GHz, D=2 m, k=0,7

D(m)f(GHz)=

D

λ=dos)BW(

21

70gra

f(GHz)+D(m)+k+=G(dB) 20log20log10log20,4

dB 40,4=G º=BW 1,75

Computer Networks I 60

Pérdidas en el espacio libre

Fórmula de Friis

Cálculo de radioenlaces

NOTA: Las potencias están en dBm, es decir

P(dBm)=10*log P(mW)

)(·log20)(·log2045,32 KmdMHzf=(dB)LB

Computer Networks I 61

Satélites (I)

1. Estación terrena transmisor: equipos MUX y radio

2. Enlace ascendente.

3. Satélite: repetidor. Transpondedor: convertidor de frecuencia y amplificador

4. Enlace descendente: limitación de potencia, frecuencias más bajas, menor pérdida en espacio libre

5. Estación terrena receptora: equipos MUX y radio

Computer Networks I 62

Satélites (II)

¿Por qué no se caen?Respuesta: Peso=fuerza centrífugaMasa Tierra y G conocidas, por tanto

Órbita geoestacionaria

dωm=d

dωm=

d

vm=

d

mMG 2

222

2

Computer Networks I 63

Satélites (III)Orientación desde estación terrena

Azimut A en grados, referido al Sur, ESTE POSITIVO, OESTE NEGATIVO

Elevación sobre el horizonte

Latitud (, longitud estación terrena () y posición orbital satélite (1)

Latitud Norte positiva, longitudes Este positivas

λ

)(=A

sen

tgarctg 01

λ)(h+R

Rλ

=E2

012

01

coscos1

coscosarctg

Computer Networks I 64

Infrarrojos

Cubren de 300 GHz to 400 THzUsados para comunicaciones de corto alcanceBaja interferencia entre distintos sistemasMuy alta velocidad de datos