Propriedades Meio Físico - cavalcantetreinamentos.com.br · sempre no centro do período do bit Manchester (bifásico) 2 níveis • sempre existe uma transição no centro do per

Meio Físico

d Pág 2.1

© 1997–2000 Paulo Lício de Geus

Propriedades

r

soma com pesos da freqüência funda-mental f e de suas harmônicas 2f, 3f, 4f …periódicos = contínuo e constante (passado e futuro)

geralmente…

para evitar a audição de ruídos de alta freqüência, incômodos e talvez até danosos

Re

T

•

•

•

•

es de Computadores versão 1.3 – 21.Sep.02

ansmissão de informação sobre fios

variação no tempo de propriedade física

– corrente

– tensão

decomposição em série de Fourier

– sinais periódicos ➔ freq. fundamental + harmônicas

– sinais de duração finita ➔ repetição do padrão

– quanto mais harmônicas, mais perfeita a reconstrução

meios físicos reais atenuam sinais (distância)

– atenuação diferenciada conforme a harmônica» sinal resultante distorcido

– harmônicas superiores progressivamente mais atenuadas

➔ freqüência de corte

– linha telefônica: freqüência de corte imposta (3 KHz)

transmissão digital: dois valores transmitidos, 0 e 1

– há sistemas com mais valores (modems rápidos, p.ex.)

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d Pág 2.2


Modulação analógica

sinal modulador

portadora

AM (modulação de amplitude)

AM, composição dos sinais

FM (modulação de freqüência)

PM (modulação de fase)

Re
y 6 4x

2sin+⊄

⊇ 5xsin=

y 6 5xsin=

y 4x

2sin=

6 4x

2sin+ 6 4

x

2sin+⊄

⊇ 5xsin=

y 6 8ππx

13cos 12π+⊄

⊇cos=

y 6 πx

44,5 π

x

2⊄⊇cos+⊄

⊇cos=

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d Pág 2.3


Modulação digital com portadora

QAM = Quadrature Amplitude Modulation

combinação de AM e PM, permite obter um número de combinações bastante grande e ainda diferenciável de sinais, permitindo codificar uma taxa de bits bem maior que a fre-qüência básica da portadora

técnica usada nos modems de alta velocidade (lembrar que linhas tele-fônicas são limitadas em 3 KHz!

obs: a Figura 2-18 do Tanenbaum 3ª edição contém imperfeições; a volta-gem de um sinal não pode mudar abruptamente de valor, exceto com energia infinita…

Re
“1” “0”

AM

FM

PM

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d Pág 2.4


Modulação de Quadratura

usa-se a representação polar (qua-drante) para indicar as codificações de sinal

PSK = Phase Shift Keying, codifica-ção por desvio de fase

QAM = Quadrature Amplitude Modulation

baud = taxa de modulação do sinal, ou razão de mudança de código

bits por baud = quantos bits de informação são codificados a cada mudança no sinal

taxa de bits = taxa de transmissão efetiva de bits, produto de baud pela razão bits por baud

Re
– muito usada nos modems rápidos atuais» combina modulação de fase com de amplitude

» codifica maior número de bits em mesma freqüência de sinal

» sobrepõe facilmente limitação de 3 KHz do sistema telefônico

2-PSK (1 bit por baud) 4-PSK (2 bits por baud)

16-QAM (4 bits por baud) 64-QAM (6 bits por baud)

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d Pág 2.5


Codificação digital (pura)

NRZ ➔ 2 níveis, mapeamento inverso dos bits (lógica negativa)

RZ ➔ 3 níveis• 0: transição 1➔0• 1: transição -1➔0sempre no centro do período do bit

Manchester (bifásico) ➔ 2 níveis• sempre existe uma transição no centro do período do bit (mas não só aí…) ➔ bom para regenerar o sinal de clock (sincronismo) que está mis-turado…• transições alternadas para sinais alternados; transição de mesma pola-ridade para sinais repetidos• usado em Ethernet!

Bipolar AMI ➔ 3 níveis• 0: nível 0• 1: níveis 1 e -1, alternadamente(capaz de detectar erros simples de polaridade)

CMI ➔ 2 níveis• 0: transição 0➔1 no centro do período do bit• níveis 0 e 1 constantes no período do bit, alternadamente

» também conhecida como transmissão em banda base

Re
– alvos:» menor número de transições ➔ taxa efetiva de bits maior

» transições mais regulares ➔ maior recuperabilidade do clock

0 1 0 1 1 0 0NRZ (Nonreturn

to Zero)

RZ (Return to Zero)

Manchester

Bipolar AMI (Alternate Mark

Inversion)

CMI (Coded Mark Inversion)

seqüência de bits

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d Pág 2.6


Limitação de banda

Quanto mais harmônicas presentes, mais fiel é o sinal presente no meio, em relação ao sinal “perfeito” trans-mitido…

teorema de Nyquist: um sinal que passa por um filtro passa-baixa de freqüência de corte x necessita ape-nas 2x amostragens por segundo para sua completa reconstrução

harmônicas superiores são elimina-das pelo filtro passa-baixa…

Re
0 T

1

0 T

1

0 T

1

0 T

1

0 T

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415

ampl

itude

1

1 2

1 2 3 4

1 2 3 4 5 6 7 8

sinal quase completo…

1 harmônica

2 harmônicas

4 harmônicas

8 harmônicas

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d Pág 2.7


Limitação de banda

notar que a onda quadrada pura necessita poucas harmônicas superi-ores; a rigor, a primeira já basta, para freqüências rápidas (devido à alta velocidade de comutação dos chips atuais)

• onda quadrada com componente DC

Re
0 T

1

0 T

1

0 T

1

0 T

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415

ampl

itude

1

sinal quase completo…

1 harmônica

3 harmônicas

5 harmônicas

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5

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d Pág 2.8


Sincronia na transmissão

a ligação entre computador e modem (RS-232C) utiliza um outro par de fios para transportar o sinal de refe-rência (modems síncronos); modems síncronos operando em um par de fios da linha telefônica, dados e clock necessitam ocupar portado-ras diferentes; se o enquadramento obedecer o formato RS-232C, não é necessária a codificação do clock junto com os dados

• transmissão síncrona

para permitir a correta recepção de cada bit; o clock gerado no circuito de recepção a partir de uma base de tempo local sempre terá um certo erro em relação ao usado na trans-missão; o erro será sistemático, fazendo com que após muitos bits, por menor que seja tal erro, a recep-ção comece a amostrar bits em momentos errados (bit anterior ou posterior), comprometendo todo o processo de recepçãoo circuito gerador de clock é então realimentado e continuamente corri-gido pelas transições presentes no sinal transmitido, desde é claro que as transições aconteçam regular-mente

Re

•


– dois sinais básicos transmitidos, em bandas distintas» um transmitindo os dados propriamente ditos

» outro transmitindo uma referência (clock) para amostragem

– propósito: garantir correta amostragem de dados» exatamente no meio do período de cada bit

transmissão assíncrona

– não disponibilidade de bandas separadas» dados e referência codificados para ocupar uma banda apenas

» gerador de clock (recepção) corrigido pelas transições do sinal

sinalsíncrona

clock(referência)

assíncrona violação(código Manchester de códigocomo usado em Ethernet)

01 0 0 1

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d Pág 2.9


Meios de transmissão

…mas significativo quando o volume de informação a ser transportado é grande!

1 caixa de 125 litros, com 1000 fitas de 7 GB, enviada por DHL em 24 horas, equivale a 648 Gbps!

• mídia magnética: caso trivial…

sem repetidor…

sem repetidor…

Re

•


» taxas altíssimas… porém, atrasos enormes

cabo coaxial banda-base (50 Ohms)

– transmissão digital» alta banda passante

» excelente imunidade a ruído

» 1 Km ➔ 1 a 2 Gbps

– Ethernet, coaxial fino» flexível

» barato

» transceiver barato (built-in)

» comprimento máximo 170m

» interrupção acidental da rede bastante possível

– Ethernet, coaxial grosso» “maleável”

» caro

» transceiver caro (externo)

» comprimento máximo 500m

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d Pág 2.10



• cabo coaxial banda-larga (TV a cabo)

tipicamente de 6 MHz (necessária para televisão)

UTP = Unshielded Twisted Pair, par trançado não-blindado

ligação elétrica em estrela funciona na realidade como barramento, gra-ças a concentrador dedicado

Re

•


– transmissão analógica» 100 Km ➔ até 450 MHz

» divisão (multiplexação) da banda passante por canais

» codificação em altas freqüências ➔ vários bits por Hz

par trançado (UTP)» meio mais antigo (telefone)

» redescoberto para redes locais recentemente

» totalmente flexível

» bastante barato

» condutores de 1 mm ➔ vários quilômetros, vários Mbps

– Ethernet, 100 m de raio máximo:» categoria 3: passo longo, 10 Mbps

» categoria 5: passo curto, isolação melhor, 100 Mbps

» transceiver barato (built-in na placa)

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d Pág 2.11



princípio físico: luz tem ângulo de refração menor em substâncias com maior índice de refração (no caso, da sílica em relação ao ar), em relação à superfície de separação dos meios

na prática, a luz enviada longitudinal-mente não escapa pelas paredes late-rais, porque o ângulo de incidência sobre a superfície de separação é muito alto, além de um certo ângulo crítico

a fibra se comporta como um tubo para a luz…

• fibra óptica

≈ 30 GHz de banda passante

Re
– virtualmente imune a ruídos/interferências

– transmissão analógica (medicina) e digital» limite teórico para fibras atuais: 50 Tbps

» 1 Gbps atuais ➔ limitação da eletrônica de conversão

– fibras monomodo em relação às multimodo» mais caras

» mais difíceis trabalhar (núcleos mais finos)

» menor atenuação: vários Gbps a 30 Km (<5% / Km, 1,55µm)

» Ethernet a 10 Mbps: 10+ Km contra +/- 3 Km

» comprimentos de onda usados: 0,85 µm, 1,30 µm e 1,55µm

➔

fonte de luzfibra em formato de tubo maciço

multimodo

monomodo

detector

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d Pág 2.12



• fibra óptica (cont.)luz infravermelha…

camada protetora com menor índice de refração…

receptor-transmissor; computador acessa o nó pela eletrônica do repeti-dor

Re

•

•


– fontes de luz: LED ou lasers semicondutores

cabos de fibra óptica

– espessura da fibra condutora» multimodo: 50 µm

» monomodo: 8–10 µm

– camada de vidro protetora, ≈ 0,5 mm

– camada protetora de plástico

– emendas (reflexões provocam interferências no sinal)» soquetes: perdas de 10–20 %

» cizalhamento mecânico, com luva de fixação: perdas de 10%

» solda (derretimento): perdas bem pequenas

redes de fibra óptica» junções ativas: feitas com repetidores eletrônicos

» junções passivas: dois apêndices de fibra, soldados

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d Pág 2.13


Meios de transmissão - sem fio

independente da freqüência8

20-30 cm/ns, levemente dependente da freqüência…

conhecido um, o outro está automati-camente determinado…

VLF = Very Low FrequencyLF = Low FrequencyMF = Medium FrequencyHF = High FrequencyVHF = Very High FrequencyUHF = Ultra High FrequencySHF = Super High FrequencyEHF = Extra High FrequencyTHF = Tremendously High Fre-quency

banda passante:

exemplo para fibra óptica, 1,3µm:

spread spectrum = uso de bandas passantes bem mais largas que o usual (fins militares)

∆f c∆λ2

λ------------=

∆f 30THz=

Re

•

•

ƒ

ƒ


velocidade da luz (no vácuo): c = 3 x 10 m/s

velocidade em dielétricos reais: cr = 60–70%.c

– ➔ comprimento de onda inversamente proporcional à freqüência

– espectro eletromagnético

λ f c=

100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 (Hz)

infraver-melho

micro-ondasrádio UV raios-X raios-

gama

luz visível

104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 (Hz)

LF MF HF VHF UHF SHF EHF THFbanda

rádio AMmarítimo

par trançadocoaxia

rádio FM

TV

satélitemicroondas terrestres

fibra óptica

104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7λ (m)

luz visível

VLF

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d Pág 2.14



• rádioprincipalmente motores, devido às interrupções súbitas de corrente nos contatos

regulamentação rígida dos gover-nos…

sem necessidade de alinhamento…

e portanto consegue atingir pontos remotos do globo… (rádio amador)

Re
– sujeito a interferências de equipamentos elétricos

– longo alcance ➔ interferência entre sinais

– propaga-se em todas as direções

– penetra inclusive em construções

– baixa freqüência» atravessa bem os obstáculos

» potência cai rapidamente (1/r3)

» seguem a curvatura da Terra (VLF, LF e MF)

– alta freqüência» propaga-se praticamente em linha reta

» reflete em obstáculos

» absorvido por chuva

» reflete na ionosfera (100-500 Km de altura), várias vezes (HF)

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d Pág 2.15



• microondasa maior parte da rede brasileira de telecomunicações é/foi baseada em links de microondas, estando agora sendo substituídos por fibra óptica

com o auxílio de antenas parabólicas

componentes podem chegar fora de fase

telefones sem fio, controle remoto de portões, alto-falantes sem fio etc (fai-xas completamente saturadas!)

Re
– 100 MHz a 10 GHz ➔ propagação em linha reta

– alcance típico: torres de 100 m ➔ 80 Km

– não atravessam construções facilmente

– feixes de sinal bem focados

– mas, a longas distâncias:» divergência espacial

» refração diferenciada por camadas baixas da atmosfera

– acima de 8 GHz ➔ absorção pela água (chuva)

– esgotamento do espectro (Tele’s, TV, celular)

– faixas de uso livre (não requerem licença)» 2400-2484 GHz

» 902-928 MHz

» 5725-5850 GHz

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d Pág 2.16



controle remoto de equipamentos eletrônicos caseiros

• infravermelho e ondas milimétricas

exemplo de vantagem: um sistema em um cômodo não interfere no de outro…

feixes de 1 mm, facilmente desviados por correntes de convecção de ar

Re

•


– não requerem licenças

– alcance curto

– razoavelmente direcionais

– hardware barato

– instalação fácil

– não atravessam obstáculos!» desvantagem ou vantagem, conforme o caso…

– transmissores/receptores não focalizados➔ propagação quase em todas as direções» notebooks podem constituir uma LAN instantaneamente!

– não funcionam ao ar livre (sol emite muito nessa faixa)

luz visível (laser)

– não requer licença

– unidirecional: lasers ➔ feixes extremamente colimados

– difícil mirar!

– não penetram chuva ou neblina forte

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d Pág 2.17


Sistema telefônico

modelo hierarquizado de conexão

contudo, sistemas modernos permi-tem que se instale conexões dedica-das entre centrais com tráfego alto, tornando a hierarquia de fato em uma conexão “macarrônica”…

• componentes

taxa de erros entre dois computado-res usando hardware típico de LANs:

1 em 1012 bits

problema da distorção: amplificado-res de áudio profissionais…

s

Re

•


– par de fios trançados saindo do aparelho

– centrais telefônicas locais

– centrais de chaveamento locais (tandem)

– centrais de chaveamento regionais e (inter)nacionais

– conexões de alta velocidade entre centrais superiores

principais características

– taxa de erros de 1 em 105 bits

– sinalização analógica (maioria): senóides» difícil regenerar sinal fielmente após passar por n repetidores

– sinalização digital (minoria ínfima): -5V e 5V» garantindo-se o reconhecimento correto de 0 e 1

➔ sinal regenerado perfeitamente após n repetidores

digital digital

digitaldigitalanalógica analógica

✕ ✕

✕

ituação típica

modem modem

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d Pág 2.18


Sistema telefônico

• imperfeições da linha telefônica

ou mesmo cair a um nível abaixo do nível do ruído elétrico de fundo

velocidade varia ligeiramente com a freqüência

spike = impulso de alta energia e curta duração, geralmente induzido por interferência externa (chavea-mento de sistemas de potência, moto-res, raios etc)

spikes são extremamente prejudiciais a transmissões digitais e aos dispositi-vos de interfaceamento…

Re
– atenuação (queda logarítmica com distância)» sinal pode cair abaixo do nível mínimo de reconhecimento

– distorção por atraso» componentes de Fourier viajam a velocidades diferentes

➔ sinal distorcido por defasamento de componentes

– ruído» ruído térmico: movimento aleatório dos elétrons

» cross talk: acoplamento indutivo entre condutores próximos

» ruído de impulso: spikes nas linhas de alimentação

– sinal digital: muitas harmônicas superiores➔ distorções inviabilizam longas distâncias➔ usa-se transmissão analógica (modem)

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d Pág 2.19


Sistema telefônico

• interface computador-modemligação computador-computador: null modem (eliminação do modem e cruzamento dos sinais correspon-dentes)TxD com RxD e vice-cersaRTS com CTS e vice-versa…

rejeição de modo comum

Re
– EIA RS-232-C» especificações mecânicas (conector DB-25)

» elétricas: “1” ➔ -18V a -3V; “0” ➔ 18V a 4V

» sinais principais: TxD, RxD, Terras lógico e de proteção, RTS, CTS, DSR, DTR, DCD

» 20 Kbps a 15m

– sucessor do RS-232-C: RS-449/RS-422-A/RS-423-A» circuitos desbalanceados (RS-423-A)

» circuitos balanceados (RS-422-A): melhor imunidade a ruídos

» RS-422-A: 2 Mbps a 60m

» dois conectores: um de 37 pinos, outro de 9 (segundo canal)

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d Pág 2.20


Sistema telefônico

• fibra óptica local

lembrar que os provedores de TV a cabo e as Teles estão cada vez mais competindo pelos mesmos serviços

Re
– FTTH (Fiber To The Home)» custo muito alto mesmo a longo prazo

– FTTC (Fiber To The Curb)» fibra até a vizinhança próxima (“meio-fio”, “guia”)

» cobre da caixa de junção até as casas (UTP ou TV a cabo)

✕

✕

✕

caixa de junção

✕

✕

✕

caixa de junçãoTV a cabo

UTP

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d Pág 2.21


Multiplexagem

exemplo: rádio AM

variante: WDM (Wavelength Divi-sion Multiplexing), que se aplica a fibras ópticas

dois sinais ópticos em freqüências diferentes são combinados em uma única fibra por um prisma ou uma rede de difração; processo seme-lhante recupera os dois sinais origi-nais na saída

tecnologia de chaveamento e multi-plexagem de sinais ópticos ainda inci-piente e cara…

demultiplexagem é feita usando fil-tros passa-banda, lembrando o meca-nismo usado por rádios comuns

• FDM (Frequency Division Multiplexing)

linhas de 56 Kbps: group

há padrões até 230.000 canais de voz…

0

0

0

Re

3

c

3

c

3

c


– faixas de freqüências contíguas (sistema analógico)» banda limitada na transmissão de informação

» margens de segurança acima e abaixo da banda

» canal de voz: banda de 3 KHz, margens de 500 Hz➔ faixa de 4 KHz

– agrupamentos» group: 12 canais de voz de 4 KHz, na faixa de 60 a 108 KHz

» supergroup: 5 groups (60 canais de voz)

» mastergroup: 5 supergroups (CCITT), 10 supergroups (Bell)

0 3100 60 64 68 72

anal 1

KHzHz

0 3100 60 64 68 72

anal 2

KHzHz

0 3100 60 64 68 72

anal 3

KHzHz

60 64 68 72 KHz

canal 1canal 2

canal 3

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d Pág 2.22


Multiplexagem

• TDM (Time Division Multiplexing)muito mais fácil manipular, por envolver apenas circuitos digitais…

teorema de Nyquist garante que 8000 amostras capturam toda a informa-ção de um canal limitado a 4 KHz; com menos amostras perde-se alguma informação, com mais não se acrescenta nada de novo

…respectivamente…

Re

0

1


– bits de cada canal usam fatias de tempo (sistema digital)

– combina-se vários canais digitalizados, um cabo apenas

– digitalização em 7–8 bits, 8000 amostras/seg (125 µs)» PCM (Pulse Code Modulation)

– multiplexagem em canais mais rápidos» T1 americano e japonês: 24 canais de voz (7 bits), 1,544 Mbps

» E1 europeu (CCITT): 32 canais de 8 bits, 125 µs, 2,048 Mbps

» T2 = 4 x T1, T3 = 6 x T2 e T4 = 7 x T3➔ 6,312, 44,736 e 274,176 Mbps

» En = 4 x E(n-1) ➔ 8,848, 34,304, 139,264 e 565,148 Mbps

– dados podem ainda ser comprimidos» DPCM, modulação Delta, métodos preditivos etc

canal 1 canal 2 canal 3 canal 24

quadro de 193 bits (125 µs)

7 bits de dados + 1 de controle

primeiro bit para sincronismo de quadro; alterna entre 0 e 1

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d Pág 2.23


Multiplexagem

SONET = Synchronous Optical NetworkSDH = Synchronous Digital Hie-rarchy

• SONET/SDH (Bell/CCITT)

e por isso ATM quer dizer asynchro-nous…

Re
– necessidade de padronização entre Tele’s mundiais

– multiplexagem a velocidades bem mais altas

– suporte (i.e. banda) para gerenciamento

– síncrono: bits temporizados com precisão de 1 em 109

– próprio para fibra óptica» conectando switches, multiplexadores e repetidores

– nomenclatura» seção (section): trecho de fibra entre dois dispositivos

» linha (line): trecho entre dois multiplexadores(podendo conter repetidores)

» caminho (path): entre origem e destino da comunicação

– topologia qualquer, mas normalmente um anel duplo

– quadro SONET básico (STS-1): 810 bytes/125 µs➔ 51,84 Mbps brutos, 50,112 Mbps de carga líquida

Meio Físico

d Pág 2.24


Multiplexagem

STS = Synchronous Transport Sig-nal

OC = Optical Carrier, portadora óptica para STS

SDM ➔ notação de canais SDH (CCITT)

SPE = Synchronous Payload Enve-lope

overhead aqui é a informação de controle adicionada para resolver todos os assuntos relativos à enti-dade: enquadramento, paridade, acompanhamento de erros, identi-dade de quadros, sincronismo etc; há até canais de voz para manutenção do equipamento

• detalhamento do quadro SONET/STS-1

contribui para diminuir a latência (atraso) nas transmissões

OC-3c ➔ 155,52 Mbps de uma única fonte (sem multiplexação), própria para transportar um fluxo de ATM a 155 MBps

oe

Re

9

cdq


» 9 linhas de 90 colunas (bytes)

» dados do usuário (SPE): início em qualquer ponto dos “dados”

» 3 x STS-1 = STS-3, 4 x STS-3 = STS-12, … até STS-48➔ 155,52, 622,08 … até 2,49 Gbps

colunas/bytes3 (controle) 87(dados)

linhasquadro SONET 125 µs

quadro SONET 125 µs

meço novo

uadro

overhead de seção

overhead de linha

overhead de caminho/path

SPE (carga útil)

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d Pág 2.25


Comutação (switching)

exemplo: sistema telefônico

nó intermediário: comutador ou roteador

• comutação de circuitos

lembrar que multiplexadores atuais tornam a expressão “fios de cobre” inverídica

que pode chegar a muitos segundos se só houver centrais eletro-mecâni-cas no circuito

…com matrizes bem menores…

Re

•


» comunicação entre dois aparelhos telefônicos

» linhas fixas entre aparelhos e centrais locais

» linhas comutadas entre centrais locais, comutadoras etc➔ estabelecimento de circuito físico completo (fios de cobre)

– necessidade de estabelecimento da conexão a priori

– após a conexão, toda a banda passante estará disponível

– banda não utilizada na conexão é desperdiçada

– dados sempre chegam na ordem correta

– parâmetros básicos de transmissão» determinados pelo par origem-destino

– contabilidade de custos usualmente:» depende da distância e do tempo, mas não do tráfego

comutadores tradicionais

– cross-bar: matriz n x n, hardware caro

– comut. de divisão de espaço: estágios múltiplos

– comut. de divisão de tempo: usa multiplexadores

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d Pág 2.26



exemplo: Internet• comutação de mensagens

alguma outra mensagem pode tam-bém estar em processo de transmis-são, usando o mesmo roteador em questão

Re
– não há estabelecimento de circuito com fios de cobre

– dados enviados em blocos completos

– blocos armazenados em roteadores e daí repassados» checagem de erros no processo…

– blocos repassados entre comutadores, de nó em nó» mensagens enfileiradas em nós, pois o uso é coletivo

– store-and-forward (armazenagem-e-repasse)

– sem limite de tamanho: grande espaço em disco nos nós

– linha bloqueada até a mensagem ser transferida» linha pode ser monopolizada por muito tempo…

Meio Físico

d Pág 2.27



• comutação de pacotes

quando falta memória para armaze-namento dos pacotes sendo recebi-dos e antes de serem repassados

Re
– quebra das mensagens em blocos bem menores» blocos monopolizam a linha por pouco tempo

» ótimo para uso interativo

– destino começa a receber mensagem com menor atraso» blocos menores ➔ armazenagem nos nós em memória

» transmissões de blocos em paralelo ao longo do caminho

– banda passante entre roteadores sempre bem utilizada

– demanda repentina alta» roteadores sujeitos a afogamento

– alguns sistemas ➔ pacotes podem chegar fora de ordem

– diferenças de bandas nos canais entre roteadores» diferenças de velocidades escondidas por buffers

– parâmetros básicos de transmissão» determinados pelos roteadores

– contabilidade de custos usualmente:» depende do tráfego (bytes/pacotes) e do tempo

➔ mas não da distância

Meio Físico

d Pág 2.28



origem da comunicação: A; destino: Dsinal de requisi-

tes

riac te

e

Re

b


A B C D A B C D A B C D

nós intermediários (roteadores): B e Cte

mpo

tempo de busca por um canal disponível

ção de chamada

circuitos mensagens pacotes

msg tempo de es-pera na fila do roteador

pac1

pac1

pac1

pac2

pac3 pac2

pac2pac3

pac3tempo de propagação do sinal

msgsinal de con-firmação de chamada

dados msg

item comut. circuitos comut. pacocaminho de cobre dedicado sim não

banda disponível fixa dinâmicaanda potencialmente desperdiçada sim nãotransmissão store-and-forward não simpacotes seguem mesma rota sim nãoestabelecimento de chamada necessária não necessá

ongestionamentos podem ocorrer estabelecimento chamada cada pacocontabilidade por tempo por pacot

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d Pág 2.29



• comutação de células

células, por serem pacotes pequenos e de tamanho fixo, permitem ao sis-tema comportar-se de maneira pare-cida a um circuito real comutado, com relação à possibilidade de reserva de banda e garantia de atraso máximo

funcionamento de um comutador: • inspeciona-se o cabeçalho do pacote recém-recebido para saber a qual circuito virtual ele pertence• procura tal circuito virtual em suas tabelas e descobre por qual canal o pacote deve ser repassado

recursos reservados geram custo fixo

somente uso real gera custo flutuante

Re

•


– células: pacotes pequenos, de tamanho fixo

– B-ISDN (ATM)» solução de compromisso entre pacotes e circuitos

circuitos virtuais

– comutadores de células podem emular circuitos» células pequenas permitem tal emulação

– inteligência nos comutadores» alocação de banda mínima para uma dada conexão

– conexão estabelecida» rota entre origem e destino escolhida (circuito)

» comutadores envolvidos com entradas em suas tabelas➔ podem rotear pacotes da conexão em questão

» recursos de roteadores e canais reservados para tal circuito

– vantagens sobre circuitos físicos» circuito virtual permanente: sem atraso de estabelecimento

» banda não usada pode ser aproveitada por outras conexões

Meio Físico

d Pág 2.30


N-ISDN (RDSI)

N = Narrowband (banda base ou estreita)

ISDN = Integrated Services Digital Network

RDSI = Rede Digital de Serviços Integrados

– primeira proposta de melhoria do serviço público

t

t

Re
» disponível em vários lugares

» crescimento de uso bastante lento (hoje algo obsoleto)

» até 8 dispositivos ISDN

– serviços oferecidos» integração de voz e dados, basicamente

NT1

elefone ISDN terminal ISDNalarme ISDN

dependências do usuário pequeno

equipa-mento da Tele

T U

telefone ISDN

LAN

erminal ISDN

roteador

NT2central ISDN

terminal não-ISDN

dependências do usuário grande

comutador ISDN

NT1

UT

adaptador de terminais

TAR

S

Meio Físico

d Pág 2.31


N-ISDN (RDSI)

• tipos padronizados de canais

taxa básica, indicada para o usuário “pequeno” (residência, home office)

notar que não é exatamente 64K!

primary rate é melhor traduzido como taxa principal ou prioritária; indicada para usuários “grandes”

Re

•


A: 4 KHz, canal telefônico analógico

B: 64 Kbps, canal digital PCM para voz ou dados

C: 8 ou 16 Kbps, canal digital

D: 16 Kbps, canal digital para sinalização fora de banda

E: 64 Kbps, canal digital para sinalização ISDN interna

H: 384, 1536 ou 1920 Kbps, canal digital

mas, apenas 3 combinações padronizadas de canais

– Basic rate: 2B + 1D

➔ total: 144 Kbps» 64.000 bps permitem 8.000 amostras/seg com 8 bits

– Primary rate: 23B + 1D USA e Japão, 30B + 1D Europa

➔ total: 1488 Kbps (USA e Japão, cabe em T1)

➔ total: 1936 Kbps (Europa, cabe em E1)

– Hybrid: 1A + 1C

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d Pág 2.32


Comutadores (switches) ATM

…em relação ao comutador, i.e. não há um clock de sincronismo único governando a entrada e saída de bits como em SONET/SDH; cada linha de comunicação ponto-a-ponto tem sua própria taxa de transmissão (nominal de 155, 622 etc Mbps), com recep-ção assíncrona (hunting mode para sincronismo de bit)o transmissor pode não transmitir nada: basta gerar células sinalizadas como vazias, sem dados úteis

normalmente as portas são bi-direci-onaiscélulas pequenas, de tamanho fixo, ajudam bastante…

portanto, é possível que haja perda de células!

complica um bocado o projeto do comutador, mas é requisito ATM

Re

•


– células chegam assincronamente

– células de 53 bytes, 155 Mbps ➔ ≈ 360.000 células/seg➔ tempo de ciclo do comutador ≈ 2,7 µs

– 622 Mbps ➔ tempo de ciclo de 700 ns

– número de portas: de 16 a 1024, tipicamente➔ potencialmente comutar 1024 células em 700 ns!

objetivos básicos de um comutador ATM

– comutar com taxa de descarte mais baixa possível

» taxa de perda de 1 em 1012: 1-2 células por hora, tipicamente

– nunca reordenar células de um circuito virtual

tecido de comutação

Meio Físico

d Pág 2.33


Comutadores (switches) ATM

• enfileiramento

head-of-line blocking

notar que a célula destinada à porta 3 no ciclo 2 podia ser comutada, mas o enfileiramento na entrada impediu

variando n consegue-se alterar parâ-metros de desempenho neste pro-blema

2

0

2

1

2

0

2

1

Re
– células de portas diferentes, mesmo destino» escolha deve ser sem “vício” (aleatória ou rotativa)

» célula preterida entregue no ciclo seguinte

– enfileiramento na chegada: bloqueio de início de linha

– solução: enfileiramento na saída

» Knockout: fila de saída simulada por n filas de saída

» Batcher-Banyan: múltiplos estágios➔ minimiza circuitos em comutadores grandes

0

2

1

0

23 2

3

3

ciclo 1 ciclo 2 ciclo 3 ciclo 40

0

2

1

0

3 2

3

ciclo 1 ciclo 2 ciclo 30

2

Meio Físico

d Pág 2.34


Rádio celular

• pager (bip)

dentro da banda de operação…

Re

•


– remetente disca para central de operação

– central recebe mensagem e código do destinatário» transmite mensagens textuais (normalmente curtas)

– central envia mensagem ao sistema de distribuição

– bip recebe sinal e compara com seu nº de identificação» se identificação do destinatário confere, bipa e imprime na tela

– já sendo usado por computadores (notebooks, PDAs)» limitação: unidirecional (central ➔ destinatários)

– pequena banda (msgs típicas ≈ 30 bytes)» sistema antigo: 150–174 MHz

» sistema novo: 930–932 MHz

telefones sem fio

– sem controle oficial, bandas livres» 43–49 MHz, 900 MHz, 2,4 GHz

– alcance: dezenas/centenas de metros (com sorte:-):-)

– modelos mais sofisticados: usuário escolhe freqüência» evitar conflito com aparelho vizinho, interferências etc

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d Pág 2.35


Rádio celular

• telefone celular analógico

IMTS = Improved Mobile Tele-phone System

AMPS = Advanced Mobile Phone System

cada letra indica um subconjunto de freqüênciasneste esquema sempre há uma mar-gem de segurança de aproximada-mente duas células antes de se re-usar freqüênciaso hexágono é na realidade uma apro-ximação para a área de alcance, que tende a ser circular…estações conectadas digitalmente com o sistema telefônico, por cabos ópticos ou microondas

Re
– 1946: rádio CB (Citizen-Band): taxi, polícia etc» sem privacidade ➔ um único canal de transmissão para todos

» alternância entre transmissão e recepção

– 1960: IMTS» dois canais ➔ transmissão e recepção simultâneas

» privacidade ➔ terceiros não podiam ouvir conversas

» 23 canais de 150 a 450 MHz ➔ pouco para a demanda

» transmissor único ➔ alta potência impedia vizinhos

– 1982: AMPS» região geográfica dividida em células (diâmetros de 10–20 Km)

» cada célula usa um subconjunto de freqüências

» maior capacidade: células não vizinhas “re-usam” freqüências

» menor potência nos aparelhos0,6 W em aparelhos portáteis3 W em carros

» uma estação por célula

GBA

CF D

E

GBA

CF D

EG

BA

CF D

E

Meio Físico

d Pág 2.36


Rádio celular

• detalhes AMPSMTSO = Mobile Telephone Swi-tching Office

menor potência…

alocação de canais: MTSOem geral evita-se handoff ao máximo, i.e. enquanto possível permanece-se na mesma célula

canais separados por FDM

freqüências altas: propagação retilí-nea, absorção por plantas, reflexão na superfície e em construções; ecos e distorções, porém alta direcionali-dade com baixa potência…

Re
– MTSO: conecta coleção de estações-base

– sobrecarga na demanda: divisão em células menores

– controle: estação da célula onde aparelho se encontra

– deslocamento para células vizinhas» estação com sinal mais forte do aparelho recebe controle

» aparelho recebe ordem de mudar para outro canal➔ handoff dura cerca de 300 ms

– bandas (canal simplex de 30 KHz), 25 MHz total» 832 canais simplex, 824–849 MHz

» 832 canais simplex, 869–894 MHz

– canais: 832 full-duplex (par de canais simplex)

– canais divididos em 2 grupos: banda A e banda B

– canais divididos em 4 categorias:» controle (base para aparelho): gerenciar sistema

» paging (base para aparelho): indicar chamadas ao aparelho

» acesso (bidirecional): estabelecimento de chamada e canal

» dados (bidirecional): voz, fax ou dados

Meio Físico

d Pág 2.37


Rádio celular

• detalhes AMPS (cont.)

informações são enviadas digital-mente modulando portadoras analó-gicasquem na realidade acha o sinal mais potente são as estações base monito-rando a transmissão em varredura do aparelho móvel

colisão: tentativa posterior

Re
– gerenciamento de chamadas» identificação do aparelho em PROM

➔ nº de série (32 bits) e nº do telefone (10 dígitos)➔ código de área: 3 dígitos em 10 bits➔ nº do assinante: 7 dígitos em 24 bits

– aparelho é ligado» varre 21 canais de controle para achar sinal mais potente

» canal de controle informa os canais de paging e acesso

» aparelho difunde nº de série (32 bits) e de telefone (34 bits)

» estação base avisa MTSO local sobre novo aparelho

» MTSO local avisa posição atual ao MTSO-origem do aparelho

» aparelho registra-se novamente a cada 15 minutos

– aparelho faz chamada» usuário bate nº e aperta SEND

» aparelho envia sua identidade e nº chamado (canal de acesso)

» estação base informa MTSO, que procura canal livre

» MTSO envia nº do canal de voz livre pelo canal de controle

» aparelho muda para canal indicado e aguarda atendimento

Meio Físico

d Pág 2.38


Rádio celular

• detalhes AMPS (cont.)

…aguardando possível chamada…

provavelmente vindo de um telefone de outro provedor, fixo ou celular

sob algum MTSO, informado ao MTSO-origem por ocasião de seu registro e atualizações do mesmo

isso significa sintonizar os dois canais, de transmissão e recepção

…e as despesas caem na conta do nº vítima…

Re
– aparelho recebe chamada» aparelhos sem uso sempre ouvem canal de paging

» chamada ao aparelho móvel é iniciada

» pacote é enviado ao MTSO-origem para descobrir localização

» MTSO-origem envia pacote à estação-base, última localização

» estação-base difunde pergunta via canal de paging➔ “unidade X, voce está ouvindo?”

» aparelho responde “sim” pelo canal de controle

» estação-base diz “unidade X, chamada para voce no canal Y”

» aparelho muda para canal Y e soa campainha de chamada

– segurança» não existe, ponto!

» sinais analógicos podem ser captados por rádio na banda

» captura fácil das identificações ➔fácil impersonar

» venda de telefones reprogramados com id’s roubados

Meio Físico

d Pág 2.39


Rádio celular

• telefone celular digitalcompatível para funcionamento na mesma banda (A ou B)

usa FDM e TDM

GSM = Global Systems for Mobile communications

Re
– primeiro padrão: IS-54 e IS-135 (freqüências do AMPS)» TDMA atual do Brasil ➔ IS-136

– segundo padrão: IS-95 (espectro amplo)» CDMA atual do Brasil

– IS-54: 3 aparelhos compartilham 48,6 Kbps (canal AMPS)» ≈ 13 Kbps por aparelho, mais sinalização de controle

– sistema europeu: GSM, em 1,8 GHz, 75 MHz de banda» espectro disponível quebrado em 50 faixas de 200 KHz

» 8 aparelhos por freqüência, via TDM, total 3.000 canais

» pode usar smart cards e criptografia

Meio Físico

d Pág 2.40


Rádio celular

PCS = Personal Communications Services

PCN = Personal Communications Network

• PCS/PCN

WLL = Wireless Local Loop

maneira rápida de disponibilizar ser-viço, ante o esforço necessário para implantar uma rede física de cabos; Vésper pretende implantar fibra à medida que as condições permitam

contudo já se descobriu que não há nenhuma restrição de mobilidade na Vésper; há evidências concretas de que tanto a estação residência quanto um celular CDMA convencional em 1,9 GHz operam sem problemas em qualquer célula…

Re

•


– união do celular e do telefone fixo» microcélulas de 50-100 m

» baixíssima potência: 0,25 W

» infra-estrutura problemática: muitíssimas estações-base

» uso de postes atuais para hospedar estações-base: menos mal

» difícil decolar: problemas políticos de alocação de banda

exemplo local de WLL

– Vésper usa (empresa espelho de telefonia fixa em SP)

– idéias do PCS com tecnologia CDMA» banda de 1,9 GHz

– estação rádio não é móvel (não deve ser movida…)» simplifica projeto do CDMA original

» pluga-se aparelho de telefone comum à estação

– permite 9,6–13,6 Kbps via modem convencional

– estação rádio permitirá módulo para dados rápidos» via rádio, 128Kpbs, ISDN

Meio Físico

d Pág 2.41


Rádio celular

aAil)

CDMA(Brasil)

a 25Hz 1,25 MHz

≈ 30 hoje, no Brasil

r 12 de 20(restante p/

infraestutura)5 ≈ 360

s 1

360

s rvado; o de conde parte

difícil detecção; codificador

diminui taxa (bps) ➔ voz metálica

Re

T

b

f

e

c


bela comparativa dos vários sistemas

item AMPS(analógico) GSM 800 GSM 1800

(europeu)TDM(Bras

nda total (MHz) 25 25 75 25faixa de cada freqüência

30 KHz 200 KHz 200 KHz 30 K

canais por freqüência

1 8 8 3

eqüências totais 825 125 375 825

canais totaisno sistema

825 1000 3000 247

quema de reuso de freqüências

(células)

7 7 7 7

anais totais por célula

118 143 428 353

ensibilidade a sobrecarga de

chamadas

interferência analógica (crosstalk)

sinal preservado; correção de

erros esconde maior parte

sinal preservado; correção de

erros esconde maior parte

sinal presecorreçã

erros esmaior

Meio Físico

d Pág 2.42


Satélite

• mecanismo básicousa energia solar para seus amplifica-dores ➔ baixa potência!

evita interferência com sinal original

…geograficamente…

precisamente 23h 56m 4,09s

notar que há somente uma circunfe-rência útil!

aí pode-se ter vários satélites no mesmo slot de órbita

banda C: interferência com links ter-restres de microondas; saturada

banda Ku: ainda não congestionada, principalmente porque o espaça-mento pode ser de 1 grau; porém, a chuva é problema: são necessárias várias estações base distantes para contornar uma tempestade

to

Re

•

b


– comporta-se como repetidor de microondas

– contém vários transponders, um para cada banda» transponders repetem sinal em banda diferente

– feixe de retorno pode ser amplo ou estreito

satélite geossíncrono

– altitude de 36.000 Km, equador: período orbital de 24 h» mantém posição fixa em relação a um observador terrestre

– limitação tecnológica: separação mínima de 2 graus» máximo de 180 satélites geossíncronos!

» alternativa: trabalhar em bandas diferentes

– bandas comerciais

» banda típica: 36–50 MHz ➔ 50 Mbps

anda freqüências downlink (GHz) uplink (GHz) problemas

C 4/6 3.7–4.2 5.925–6.425 interferência terrestreKu 11/14 11.7–12.2 14.0–14.5 chuvaKa 20/30 17.7–21.7 27.5–30.5 chuva, custo equipamen

Meio Físico

d Pág 2.43


Satélite

VSAT = Very Small Aperture Termi-nals

• VSAT

é necessária uma antena grande, com grande potência, para haver qualquer comunicação (hub); o satélite não toma parte ativa na potência dos sinais

Re

•


– micro-estações (antenas de 1 m, 1 W)

– uplink ≈ 19,2 Kbps, downlink ≈ 512 Kbps

outras características

– atraso (não há como evitar, velocidade da luz)» mínimo: 72/300, i.e. 240 ms; típico: 300 ms; VSAT: 600 ms

– intrinsecamente um meio de difusão» privacidade zero; necessita-se criptografia

– taxas de erros baixíssimas; custo de transmissão fixo

1

23

4

hub

Meio Físico

d Pág 2.44


Satélite

• satélites de baixa órbita

o Irídio tem nº atômico 77…a dinâmica do sistema completa asse-melha-se a um átomo, a Terra como núcleo e os satélites como elétrons…

atraso bastante baixo…

igual ao celular convencional

a antena não é tão portátil assim, lembra mais um cassetete:-):-)

Re
– passagem rápida, tempo de operação muito curto

– solução: rede de satélites apropriadamente espaçados

– pioneiro: Iridium» inicialmente 77 satélites, revisado para 66

» funções do celular convencional, “obsoleta” PCS/PCN…

» diferença: estações-base também se movem; restante similar

» órbitas polares circulares, altitude 750 Km

» um satélite a cada 32 graus em cada órbita➔ 11 por órbita, total deve ser múltiplo de 11…➔ 6 laços (órbitas) em torno da Terra, igualmente espaçados

» cada satélite com 48 feixes de cobertura➔ total de 1628 células na Terra➔ bandas “re-usadas” com separação de 2 células

» cada célula com 174 canais full-duplex➔ 283.272 canais no sistema completo

» banda L (1,6 GHz): equipamento portátil a bateria…

» comunicação entre os satélites: banda Ka

» banda necessária para o link satélite-Terra: 200 MHz

» futuro: complementar serviços existentes

Meio Físico

d Pág 2.45


ADSL

DSL é de concepção simétrica em ter-mos de velocidades up e down

• DSL assimétrico

filtrado previamente (antes de chegar ao dispositivo ADSL)

POTS ➔ Plain Old Telephone System

Re

•

•

•

•


– mais banda para download (cerca de 10 vezes mais)

total: 3 canais

– velocidade alta, simplex ➔ 1,5–6,1 Mbps

– velocidade média, duplex ➔ 16–640 Kbps

– velocidade baixa (POTS/ISDN)

voz ➔ continua funcionando

– com falha no dispositivo ADSL

– com queda de luz

cancelamento de eco ➔ espaço para POTS (4 KHz)

correção de erro avançada

– permite suportar tráfego real-time

Khz

ganho

up down

4 26 138 1100

voz

Meio Físico

d Pág 2.46


Cable modem

MCNS = Multimedia Cable Network System PartnersDOCSIS = Data Over Cable System Interface Specification

• padrão: MCNS DOCSIS

Re

•


modulação

– QPSK e 16 QAM (up)» 320 Kbps–10 Mbps

– 64 e 256 QAM (down)» 27–36 Mbps

Meio Físico

d Pág 2.47


Comparações xDSL

modulações ➔ CAP e DMT usam QAM

CAP = Carrierless Amplitude Phase(técnica de suprimir portadora)

DMT = Discrete Multitone Modula-tion(divisão em subcanais) ➔ otimiza cada sub-banda individualmente após treinamento (cujo objetivo é mapear ruídos e interferências)

com uso de FDM, múltiplos canais são usados e suas bandas combina-das

CDSL ➔ não necessita splitter/filtro no assinante para separar POTS, 1 Mbps

Re

te

m

A


cnologia velocidade limitação na distância(fios AWG 24)

odem 56 Kbps

56 Kbps down<< 56 Kbps up

nenhuma(28,8 ou 33,6 up)

ISDN até 128 Kbps full duplex 5.400 m (+ repetidores)cable

modem10–30 Mbps down128K–10Mbps up

50 Km coaxial(repetidores: 300 Km)

DSL centenas Kbps, linhas comuns 5,5 Km (linhas banda 80 KHz)ADSL 6–8 Mbps down, 600–800

Kbps up1,5–2 Mbps, 0,5 mm ➔ 5,5 Km1,5–2 Mbps, 0,4 mm ➔ 4,6 Km6,1–8 Mbps, 0,5 mm ➔ 3,7 Km6,1–8 Mbps, 0,4 mm ➔ 2,7 Km

DSL Lite 1 Mbps down, 384 Kbps up 6.600–7.500 mADSL

R-ADSL1,5–8 Mbps downaté 1,544 Mbps up

2.600–5.400 m

HDSL 1.544–2,048 Mbps full duplex(2–3 pares de fios)

3.600–4.500 m

SDSL 1,544–2,048 Mbps full duplex(1 par de fios)

3.000 m

VDSL 13–52 Mbps down, 1,5–2,3 Mbps up, 34 Mbps simétrico

300–1.350 m(dependendo da velocidade)

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Propriedades Meio Físico - cavalcantetreinamentos.com.br · sempre no centro do período do bit Manchester (bifásico) 2 níveis • sempre existe uma transição no centro do per