Técnicas de Comunicação de Dados

N O T A S D E A U L A , R E V 7 . 0 – U E R J 2 0 1 4 . 2 – F L Á V I O A L E N C A R D O R Ê G O B A R R O S

Redes de Comunicações 1

Comunicação de Dados, Camada

Física

Flávio Alencar do Rego Barros Universidade do Estado do Rio de Janeiro

E-mail: [email protected]

Fascículo

3

UERJ 2014 Redes de Comunicações 1 Pg.118

Para transmissão de dados interessa fundamentalmente os conceitos de:

Espectro = (de um sinal) é a faixa de freqüência que o sinal contém.

Banda = tamanho da largura do espectro (Hz). Quando se refere ao meio, dá a medida

de sua capacidade.

Data Rate = informação digital (bps) limitada por banda, ruído, error rate. No que se

refere ao emissor, dá a medida da sua capacidade de transmissão (também bit rate).

Para transmissão em redes de computadores (e outros) devemos diferenciar dados,

sinais, sinalização e transmissão:

Dados = entidade que contém a informação.

Sinal = representação do dado na transmissão (tipicamente eletromagnética).

Sinalização = propagação física do sinal no meio. No jargão de redes, diz-se de toda

mensagem de controle, em oposição a mensagens de dados.

Transmissão = comunicação do dado através da propagação e do processamento do

sinal.

Um dado pode ser digital (banda qualquer, exemplo: texto ASCII), áudio (banda

de 4 kHz, analógico), vídeo (banda de 6 MHz, analógico). A combinação dado – sinal


que será útil para nós é: 1) dado analógico, sinal analógico (exemplo: telefone); 2)

dado digital, sinal analógico (modems); 3) dado analógico, sinal digital (codecs); 4)

dado digital, sinal digital (transmissão digital).

Em redes de computadores os dados são produzidos na forma binária e em

paralelo dentro de uma estação. Para transmissão destes dados entre diversos

computadores da rede, a transmissão é serial e, freqüentemente, utiliza-se esquemas de

transmissão analógica, seja por razões técnicas, seja por razões econômicas. Uma

situação típica é o computador da rede produzir dado digital e na hora de transmitir este

dado transforma-o em sinal analógico. Na recepção, de maneira inversa, o sinal

analógico que chega é convertido para dado digital antes de ser consumido pela

máquina destino.

Esta seção analisa as diversas modalidades de combinação entre dados e sinais,

desde que um deles, pelo menos, seja digital. Chamaremos estas combinações de D-D

(dado digital, sinal digital), D-A (dado digital, sinal analógico), A-D (dado analógico,

sinal digital). Os dois primeiros são de interesse de redes de dados, o último é de

interesse de redes de telefonia digital.


A codificação D-D é mais barata que a modulação D-A, mas com NRZ temos

alguns problemas: 1) a perda de sincronização; 2) a presença de DC e, 3) não se

diferencia 0 de terra. Em termos práticos cada vez se usa menos NRZ (ON-OFF) por

razões de potência, como veremos a seguir.

Com AMI bipolar resolve-se o problema de DC, mas persiste a perda de

sincronização, além de exigir maior potência de sinal.

O padrão LAN IEEE 802 escolhe Manchester por resolver os problemas de

sincronização, de componente DC e de detecção de erro. Para longa distância não se usa

este padrão, pois ele requer alta taxa de sinalização para o data rate, ou seja, o receptor

tem a metade do tempo para detectar cada pulso do sinal, de modo que a taxa de bits é a

metade da taxa de bauds e a eficiência da codificação é de 50%. Para superar isto, usa-

se a técnica bit stuffing como em B8ZS (Bipolar with 8 Zeroes Substitution), HDB3

(High – Density Bipolar 3 – zeroes) ou 4B/5B. Nestas, insere-se bits extras no fluxo de

bits de modo a interromper seqüências longas de ´0´s ou ´1´s. Por exemplo, a

codificação 4B/5B é 80% eficiente.


A característica de um meio é, via de regra, passa-baixa. Porém, com a

colocação dos elementos elétricos, sua característica passa a ser passa-faixa. Portanto,

meios com características passa-faixa não se casam bem com ON-OFF (muita potência

gasta no início e no final do espectro causam distorção na recepção!), mas sim com

Manchester, como ilustra o slide 3-4. Outro problema do NRZ-L é a perda de

sincronismo. Onde começa e onde termina um bit, que é transmitido serial? Uma

sucessão de (n) bits iguais pode não ser distinguível de uma sucessão de (n + 1) bits

iguais, caso o clock no receptor não seja muito preciso. Observe que dois clocks de dois

computadores nunca são exatamente idênticos, pois dependem da geometria do cristal

interno, e esta nunca é exatamente a mesma em dois computadores quaisquer!

Uma solução cara para o problema da recuperação do clock é enviá-lo em

separado para o receptor, outra, mais viável, é embutir o clock no próprio sinal de

dados, como em NRZ-I (Non-Return-to-Zero Level), e como também faz a codificação

Manchester.Uma outra característica do meio que distorce o sinal nele presente é a

interferência intersímbolos (ISI ou IES em português), que acontece pelo descaimento


exponencial de um sinal que originalmente é com transição abrupta (quanto mais alto o

data rate, pior o ISI). Outras fontes de distorção são o jitter de fase e o ruído.

A freqüência que um sinal pode se propagar no meio é chamada baud (número

de variações do sinal por segundo, também chamado de símbolo por segundo, pois

durante cada baud um símbolo é transmitido), e a relação entre bauds e bps dependerá

da forma de codificação do sinal. Se usar ON-OFF, um canal com capacidade de N

bauds poderá transportar N bps. Por outro lado se usar Manchester, poderá transportar

N/2 bps (que é ruim!). Se ainda usarmos ON-OFF, mas agora com 4 níveis de tensão

para representar 00, 01, 10 e 11, poderemos obter 2N bps (porém, lembrar que utilizar

vários níveis do sinal vai degradar a transmissão por causa da alta taxa de falhas na

decodificação do sinal, sendo, pois, pouco utilizada). Esta idéia de concentrar mais

informações por sinal será mais bem aproveitada nos casos de modulação, que veremos

a seguir.

EExxeemmpplloo 11: Construa a representação do dado 1 0 1 1 0 0 0 1 em NRZ, Manchester e

Manchester Diferencial.

Solução: Em sala de aula. Resposta: slide 3-5.


ASK: Características:

- Suscetível à súbita mudança de ganho;

- Em linhas telefônicas é usada até 1200 bps;

- Exemplo: transmissão digital sobre fibra ótica

- Considerada técnica de modulação ineficiente

BFSK: Características:

- Menos suscetível a erro que ASK;

- Usado em linhas telefônicas até 1200 bps;

- Exemplo: rádio transmissão (faixa 3 – 30 MHz) e LAN coaxial

PSK têm alcançado maior preferência pelas razões que veremos.

Em termos práticos são usadas variantes destas técnicas básicas de modulação

digital. A idéia primordial é concentrar o máximo de informação digital por símbolo

transmitido.Veremos algumas a seguir.


MFSK apresenta:

- Cada elemento de sinal codifica N bits, ou seja, existem 2N

= M níveis

possíveis;

- Maior eficiência de banda, porém é mais suscetível a erro;

- Banda requerida: 2M.fC


Um problema que surge com o esquema de modulação em freqüências é a

possibilidade de súbita mudança de fase quando se passa de um bit para outro.

MSK (Minimum Shift Keying) resolve este problema usando o esquema de

escolha de freqüência normal ou invertida. Primeiramente são separados os bits impares

de pares, cada um deles tendo a duração duplicada (slide 3-8). A seguir, é aplicado o

esquema para o par de bits impar-par:

- Se ambos bits são zero, usa-se a freqüência f2 invertida

- Se o bit impar é zero e o bit par é um, usa-se f1 invertida

- Se o bit impar é um e o bit par é zero, usa-se f1 original

- Se ambos são um, usa-se f2 original

Se acrescentarmos a este esquema os chamados filtros gaussianos passa-baixa,

obtemos a modulação GMSK (MSK Gaussiano), que é a modulação usada em GSM,

DECT e HIPERLAN (Europa).

MSK é basicamente o BFSK sem troca abrupta de fase.


Vamos agora discutir de forma mais precisa banda, baud, símbolo e data rate

(bit rate).

Sabemos que a banda de um meio é o conjunto de freqüências (medida em Hz)

que por ele passa sem atenuação, e é uma propriedade física do meio (por exemplo,

fibra ótica apresenta maior banda que cabo coaxial, e este apresenta mais banda que par

trançado). O baud rate é o número de amostras feitas por segundo. Cada amostra envia

um pedaço da informação, que é o símbolo. Portanto, o baud rate e taxa de símbolo são

a mesma coisa! As técnicas de modulação (como BPSK, QPSK) determinam o número

de bits por símbolo. O bit rate é a quantidade de informação enviada por sobre um canal

e é igual ao número de (símbolos/seg) vezes o número de (bits/símbolo):

Bit rate = (símbolos/seg)x(bits/símbolo) ..... medido em bps. O objetivo dos modems

mais modernos é enviar o maior número de bits por baud (ou símbolo).

As técnicas delineadas no slide 3-9 apresentam como diferencial a mudança de

fase relativa ao símbolo anterior. O seu efeito mais notável é a sincronização.


Neste ponto, podemos formular (sem demonstração) exemplos de desempenho

de banda para várias delas. Considere:

R = data rate;

r = como o sinal é filtrado (0 < r < 1);

DF = f2 – fc = fc –f1;

N = bits/elemento;

M = número de elementos de sinal;

BT = banda disponível.

Então:

ASK, PSK: RrBT )1(

FSK: RrDFBT )1(2

MPSK: Rr

BNT

2log

1

MFSK: RMr

BMT

2log

]1[

Vejamos a seguir detalhes de técnicas de quadratura. Elas objetivam codificar n

bits em um único símbolo. A idéia é combinar diferentes amplitudes com diferentes

fases.



Em termos práticos, QAM-16 é usado para transmitir 9600 bps por sobre uma

linha de 2400 bps. Da mesma maneira QAM-64 combina modulação em amplitude e

modulação em fase para obter 64 diferentes combinações, vale dizer, transmitir 6 bits

em cada símbolo. É feita ainda alguma modificação deste esquema de modo a prevenir

(ou reduzir) erros, e o padrão resultante é o V.32. De forma análoga, para modems de

14400 bps, é usado o padrão V.32bis com QAM-128. QAM-256 é usado apenas em

redes a cabo. O padrão de modem V.43 alcança 28800 bps rodando sobre 2400 bauds

(12 bits por símbolo). V.34bis alcança 33600 bps rodando sobre 2400 bauds (14 bits

por símbolo). O limite de Shannon para linhas telefônicas é de aproximadamente 35

Kbps, como veremos. O limite teórico de 56 Kbps tem a ver com o teorema de Nyquist,

que também veremos. O padrão correspondente a esta velocidade é o V.90, fornecendo

33,6 Kbps do usuário até a concessionária e 56 Kbps da concessionária para o usuário.

O último padrão, V.92, é usado por modems capazes de 48 Kbps (upstream).

Os diagramas ilustrados no slide 3-11 são chamados diagrama de constelação.

Cada modem apresenta seu próprio padrão de diagrama de constelação, dois modems só

se comunicam se ambos empregarem a mesma constelação.


Usando-se múltiplas sub-portadoras a cada intervalo de freqüência constante e

determinado (ortogonalidade), então a forma do espectro de potência do sinal OFDM é

próxima da onda quadrada, vale dizer, vai apresentar alta eficiência de uso de

freqüências.

A idéia por trás de OFDM é dividir o alto bit rate (susceptível a ISI!) em vários

streams de baixo bit rate, cada qual usando sua (sub)portadora. Por exemplo, se

tivermos que transmitir n símbolos/seg, cada (sub)portadora apresentará n/c

símbolos/seg.Esta técnica de modulação é usada em:

- telefonia celular 3G

- TV digital (padrão japonês)

- FM digital

Uma outra família de dados digitais e sinal analógico, o Spread Spectrum,

particularmente importante para redes sem fio, será vista em outro contexto: o de

múltiplos acessos, próximo capítulo.


É hoje praticamente só utilizado o sistema telefônico digital, para que se tire

proveito das técnicas digitais até mesmo para tratamento de sinais analógicos, como é a

voz. Isto é feito mesmo que, a seguir, se utilize técnicas de modulação (que são

analógicas para representar sinais digitais) para a efetiva transmissão, seja porque em

freqüências altas se necessite uma transmissão efetiva, seja porque com modulação se

permite multiplexar vários usuários em um mesmo meio.

Assim que um dado analógico seja convertido para digital, das 3 uma: (1) ele é

transmitido usando NRZ; (2) ele é codificado como sinal digital e transmitido com

outra técnica que não NRZ; (3) ele é convertido para sinal analógico usando uma das

técnicas de modulação anteriormente descrita.

PCM se destina à telefonia digital, na verdade, digitalização do dado analógico.

Os sinais analógicos são digitalizados no núcleo da concessionária por um equipamento

chamado codec (codificador-decodificador). Na produção do sinal PCM envolve os

passos ilustrados no slide 3-13 (geração de amostras PAM – Pulse Amplitude

Modulation, quantificação das amostras e codificação digital). O número de bits

transmitidos vai depender do número de bits atribuídos a uma amostra. Evidentemente

quanto mais bits por amostra forem atribuídos, mais precisa (e mais cara!) será a

transmissão. O resultado do processo PCM é ilustrado no slide 3-14.

Considere a voz (banda de 4 KHz). Então, pelo Teorema da Amostragem,

deverá ser produzidas 8000 amostras/seg. Se utilizarmos 8 bits (7 bits de dados, 1 bit de

controle) por amostra: 8000x8 = 64 Kbps. Em outras palavras, o codec produz 8000

amostras de voz por segundo (125 mseg/amostra).Um refinamento do PCM envolve

técnicas de codificação não linear e compressão/expansão.

A utilização final dos códigos PCM lança mão das técnicas de multiplexação,

como veremos brevemente.


Um melhoramento do PCM é o differential PCM, onde se reduz o número de

bits de codificação de 7 para 5, através da colocação na saída da diferença de valor entre

o valor corrente e o anterior. Como as mudanças no sinal não são abruptas, saltos de 16

códigos ou mais para frente ou para trás na escala de 128 possibilidades são bastante

improváveis, o que significa a boa precisão deste método.

Um refinamento maior ainda é predizer o próximo valor e então codificar a

diferença entre o valor atual e o predito, diminuindo mais ainda o número de bits a

serem enviados.


Em Modulação Delta (DM) o bit stream é gerado por comparação com a função

escada, por aproximação da derivada, não da amplitude. Comparado com PCM, DM

reduz a complexidade, mas apresenta problemas de sinal/ruído para altas freqüências.

As técnicas PCM ou DM são preferíveis, pois:

a) Repetidores não acrescentam ruído ao sinal;

b) TDM, que veremos a seguir, não apresenta ruído de intermodulação;

c) Em vídeo, técnicas de codificação interframes, como as que já mencionamos,

reduzem a banda de 15 Mbps para até 64 Kbps.



A transmissão digital é preferível, pois: tecnologia digital é mais simples e mais

barata; é maior a integridade dos dados (repetidor ser efeito cumulativo de ruídos);

melhor utilização da capacidade do meio (TDM é também mais barato que FDM);

apropriado para segurança e privacidade (encriptação); apropriado para integração voz,

vídeo e digital.


Existem vários empecilhos para transmissão:

1.Atenuação: depende da distância, das condições atmosféricas e varia com a freqüência

(analógico);

Ganho e atenuação são meios de expressar uma relação entre sinais emitidos e

recebidos. A atenuação de um sinal em um meio é medida em decibéis, de forma similar

a de um ganho:

entrada

saída

entrada

saída

P

PGANHO

P

PATN log10;log10

Portanto, ambas são medidas relativas. Mais ainda, atenuação, algumas vezes, relaciona

voltagens e não potência: entrada

saída

entrada

saída

V

VGANHO

V

VATN log20;log20 . A

racionalidade por detrás desta mudança é simples. Como R

VP

2

, potência e tensão

apresentam uma relação quadrática (não linear). Se usarmos uma escala semi-

logarítmica, como é caso muito comum em eletrônica, a relação potência-tensão se


torna

tecons

RVP

tan

loglog2log . Isto explica que para esta escala potências usam a

constante 10, tensões a constante 20.

Sensibilidade de recepção é definida como o menor valor que a potência do sinal pode

ser recebido para que ele seja efetivamente interpretado.

2.Delay: é crítico para sinais digitais;

3.Ruído: apresenta-se em diversas modalidades: térmico, intermodulação (mistura de

freqüências), crosstalk (linha cruzada); impulsivo (pior para transmissão digital).

Ruídos podem ser classificados quanto ao modo de propagação, ao tipo e quanto

à duração.

Quanto ao modo de propagação, podem ser irradiados ou conduzidos. Quanto ao tipo

podem ser modo comum – quando se propagam pelas linhas de fase e neutro; e modo

diferencial – quando se propagam apenas pela linha de fase. Quanto à duração podem

ser contínuos ou não.

Os formatos genéricos de ruídos em sistemas de comunicações são o branco e o

impulsivo. O ruído térmico é uma nomenclatura alternativa ao ruído branco para meios

guiados.

Ruído branco – é de duração contínua. A densidade espectral de potência é

independente da freqüência (uniformemente distribuída), e é ruído presente em todo

lugar e em todo momento. Seu nome deriva da luz branca, que contém iguais

quantidades de todas as freqüências na faixa do visível da radiação eletromagnética. Em

sistemas de comunicações ele afeta mais dados que voz.

Ruído térmico – é de duração contínua. Surge de movimentos aleatórios de elétrons no

condutor, tal movimento é tanto maior quanto for a agitação térmica das cargas, daí o

seu nome.

Ruído impulsivo – é de duração não contínua. Consiste de pulsos irregulares de grande

amplitude que se apresenta geralmente em forma de rajadas, e é responsável por grande

parte dos erros em sistemas de comunicações na transmissão de dados e voz. A

deterioração do sinal provocada por ruídos impulsivos é difícil de compensar, o que se

costuma concluir é a probabilidade de compensá-lo.


A capacidade de um canal dá a medida do data rate máximo. Se desconsiderar o

ruído (teorema de Nyquist):

C = 2B log2 L

Se considerar o ruído branco (teorema de Shannon):

C = B log2 (1 + S/N), onde S/N é a relação sinal-ruído expresso normalmente em

decibéis. Este é o limite máximo da capacidade de um canal em presença de ruído.

Obs: S/NdB = 1 dB, então 10 log (S/N) = 1, o que significa que S/N = 10 !!!

O Teorema da Amostragem. fornece uma medida do quanto se deve amostrar

um sinal de modo a obter na recepção um sinal restaurado com boa qualidade. Em

termos práticos, a taxa máxima da transmissão digital é amarrada segundo a taxa de

amostragem e o número de bits alocados para cada amostra, como ilustra o slide 3-19. O

tipo de dado que se tem em mente é a voz. Nestes termos, sabemos que devem existir

8000 amostras/seg. Como é praxe em TDM alocar 8 bits para amostragem (o sinal pode

ser amostrado em 256 níveis, não é mesmo!), fica claro de onde vem o limite teórico (56


Kbps) de velocidade dos modems para linha discada (dos 8 bits de cada amostra, um

deles é reservado para sinalização).

EExxeemmpplloo 22: Se S/NdB = 24 dB em um canal de espectro entre 3 MHz e 4 MHz, qual a

capacidade do canal? Quantos níveis de sinal são requeridos?

Solução: Em sala de aula. Respostas: 8 Mbps; 16.

Tanto o Teorema da Amostragem quanto Diagramas de Constelação, que já

vimos, são ferramentas de análise e síntese no tratamento de sinais digitais. Um

problema da lista explora a inter-relação entre ambos.

Um problema

sensível na

transmissão de dados

digitais em meio sem

fio é o IES

(Interferência Entre

Símbolos, ou ISI em

inglês). Os dados

digitais são

convertidos para

sinais analógicos,

amostrados e transmitidos. Na recepção são novamente reconvertidos para digital. Por

conta da possibilidade de propagação por múltiplos caminhos (reflexão, espalhamento,

difração), diferentes tempos de chegadas do mesmo dado no receptor podem ocasionar

superposição de componentes de símbolos diferentes. Acontecendo isto, na prática, se

inviabiliza a correta recepção. Para lidar com este problema se deve manter entre duas

amostras sucessivas um tempo suficiente para conseguir transmitir todos símbolos

amostrados, como ilustra a figura acima.

O Teorema da Amostragem preconiza que a taxa de amostragem seja duas vezes ou

mais a freqüência do sinal transmitido, 12 ff A , sendo Af a freqüência de amostragem,

1f a freqüência do sinal.


Principais meios guiados:

Par trançado: é mais barato, porém é mais limitado em data rate e distância e apresenta

maior atenuação (UTP – cabo não blindado, STP – cabo blindado):

UTP3 : 16 MHz; UTP4 : 20 MHz; UTP5 : 100 MHz; STP: 300 MHz

Coaxial: é menos suscetível a interferências e crosstalk, porém é mais suscetível à

atenuação, ruído térmico e intermodulação.

Fibra ótica: apresenta maior capacidade, espaçamento entre repetidores e atenuação,

menos peso e volume. A desvantagem do preço tem sido reduzida com o passar

do tempo. Apresenta-se nas modalidades de multimodo step-index, com limitado

data rate e apropriada para curtas distâncias; multimodo grade index, com mais

alto índice de refração no meio; monomodo, com data rate superior, apropriada

para longas distância.

No campo dos meios não guiados, microondas terrestres apresenta as seguintes

relações entre freqüência (GHz), banda (MHz), Data Rate (Mbps):


2, 7, 12

6, 30, 90 (telecomunicações de longa distância – voz, TV)

11, 40, 135 (CATV para estações locais)

18, 220, 277 (links entre edifícios)

Microondas por satélites, usadas para distribuição de TV, transmissão de

telefonia de longa distância e redes privadas (VSAT), apresentam o espectro de 1 GHz

a 10 GHz, serviço ponto a ponto (4/6 GHz - uplink: 5.925 GHz a 6.425 GHZ;

downlink: 4.7 GHz a 4.2 GHz; 12/14 GHz; 19/29 GHz), mas, como ponto fraco temos

o retardo (0.25 s) e difícil controle de erro e fluxo.

Difusão de rádio tem como principal diferença quando comparada a microondas

o fato de ser multidirecional. O espectro vai de 30 MHz a 1 GHZ, e é menos sensível a

atenuação da chuva (cf. microondas). O maior problema é a interferência

multicaminhos.

Infravermelho necessita linha de visão (não penetra paredes), mas a banda é não

regulamentada, o que é uma vantagem.


Quando analisamos as relações entre dados e sinais, verificamos diversas

técnicas para dados analógicos e sinais digitais. Na realidade, estas técnicas se inserem

em um contexto maior que é a multiplexação. Pense da seguinte forma: redes de dados

e de telefonia devem, no seu núcleo, atender a vários usuários ao mesmo tempo. Seus

dados devem com freqüência compartilhar um mesmo meio físico. Em termos mais

genéricos, o compartilhamento de dados pode ser na freqüência (FDM – Frequency

Division Multiplexing) ou no tempo (TDM – Time Division Multiplexing). No entanto,

veremos também outras formas de multiplexação, por código e por espaço.


Hierarquia FDM da AT&T:

No. de canais Banda Espectro Nome

12 48 KHz 60 – 108 KHz grupo

5x12=60 240 KHz 312 – 552 KHz supergrupo

10x60=600 2.52 MHz 564 – 3084 KHz mastergrupo

FDM é bastante empregado na agregação de canais de voz e o respectivo

transporte em enlaces de alta capacidade (troncos). Outros exemplos de FDM são

transmissões de rádio e de TV (difusão e a cabo).


WDM é uma variação de FDM usando sistema ótico, completamente passivo e,

portanto, altamente confiável. Tecnologias óticas incluem:

Broadband WDM – 1ª “encarnação” de WDM, com 2 sinais na mesma fibra (1994)

Amplificadores óticos – a tecnologia que descartou a necessidade de converter ao campo

elétrico para realizar algumas das funções de redes.

DWDM – 40 a 80 canais na mesma fibra.

As tecnologias óticas que são aqui brevemente mencionadas merecem um

tratamento à parte.


TDM se apresenta em duas modalidades: TDM síncrono e TDM estatístico (ou

assíncrono). No TDM síncrono a alocação de um canal é fixa (canal dedicado). Um

aspecto do TDM refere-se à sincronização das várias fontes de dados. Como cada fonte

possui um relógio local e existem variações entre estes relógios, pode ocorrer uma perda

de sincronismo entre o emissor e o receptor. A maneira de se contornar este problema

corresponde à introdução de bits (pulse stuffing) em posições especiais do quadro.

Como a taxa de saída do multiplexador é superior à soma das taxas de dados dos sinais

de entrada, este excesso é utilizado para introdução de bits extras em cada sinal de

entrada até que a taxa do sinal do relógio gerado no local seja alcançada. Como estes

bits são introduzidos em posições fixas, é fácil identifica-los e retira-los no

demultiplexador.

EExxeemmpplloo 33: Sistemas de Tempo-Real podem ser desenvolvidos em uma de duas

estratégias: “Event-Triggered” (ET) e “Time-Triggered”(TT). Considere um sistema

em rede de meio compartilhado que consiste de um Objeto Controlado, 10 nós sensores

e um Monitor de Alarme. Cada interface de nó observa 40 alarmes binários no Objeto


Controlado. Dentro de 100 ms após um sinal de alarme, o operador deve ser avisado

(deadline). O canal de comunicação uma banda que comporta 100 Kbps e usa um

protocolo com overhead de 44 bits, inter-quadros de 4 bits e dados de qualquer número

inteiro de bytes. a) Analisar as duas estratégias ET e TT. b) Generalizar analisando

(%Banda x No. de Alarmes Ativos), por 100 ms.

Solução: Em sala de

aula.

O TDM estatístico reduz a banda desperdiçada em troca de overhead. O data

rate da saída TDM assíncrono é menor que a soma dos data rates das entradas. Para que

em períodos de pico a média agregada das entradas não exceda a capacidade de saída,

utiliza-se o buffer, que por sua vez aumenta o retardo. Existe, pois, um tradeoff entre a

resposta do sistema e a velocidade da linha multiplexada.

EExxeemmpplloo 44: Analise a produção e a organização dos bits de um sinal TDM obtido a

partir de 3 fontes analógicas e 11 fontes digitais, como ilustrado no slide 3-28.

Resposta: Em sala de aula e no slide 3-29.




Conforme se deseje transitar voz ou dados, a capacidade de uma hierarquia T1

(DS-1) terá uma funcionalidade diferente:

VOZ: adiciona-se 1 bit de framing: 24 X 8 + 1 = 193 bits

cada canal 8000 amostras/seg Þ transmissão = 8000 X 193 = 1,544 Mbps

DADOS: 24 canais = 23 de dados + 1 de sync_error 1 canal 7 bits_dados +

1 bit_sel_control/dados

transmissão = 8000 X 7 bits = 56 Kbps (limite teórico de modems)

EExxeemmpplloo55: Cálculo de data rate de DS-1 para 1 quadro:

1 quadro = 24 canais de 8 bits + 1 bit framing, então:

24 x 8 + 1 = 193 bits/quadro

Como voz tem 8K amostras/seg (Teorema da Amostragem), então:

8000 x 193 = 1.544 Mbps

As hierarquias de DS-2 em diante são formadas por intercalamento de bits de

hierarquias imediatamente inferior, acrescido de bits de controle.

A Europa definiu uma hierarquia com as mesmas características, denominada

E1, com a diferença de que o quadro é formado por 30 canais de voz e 2 canais de


controle em um sinal básico E-1 correspondendo a uma taxa de 2,048 Mbps. O

esquema E-1 é o mesmo adotado no Brasil.

Observe que este tempo do quadro E-1 (125 msegs) é diretamente derivado do

Teorema da Amostragem para a banda da voz, que produzirá 8000 amostras/segs.

O valor agregado da taxa de bits provém de 30 canais de dados mais dois de

frame, usando-se 8 bits:

E-1 = (30 + 2) x 8 x 8000 = 2,048 Mbps

canais frame bits amostras/seg

Finalmente observe que cada multiplexação incorpora bits de framing e de

controle. Porisso 8,448 Mbps > 4 X 2048 = 8,192 Mbps!


A hierarquia SONET (EUA) / SDH (Europa) foi proposta para tirar proveito da

alta capacidade das fibras óticas. O sinal básico STS-1 (ou OC-1) pode ser combinado

para formar hierarquias superiores, como no caso de T-1 e E-1 e mostrado no slide 3-

33.São objetivos da SONET:

1) Permitir diferentes portadoras interoperar,

2) Unificar T-1 e E-1, já que ambos são baseados em canais PCM 64 Kbps,

3) Continuar a hierarquia acima de T-4,

4) Suporte para OAM (Operation, Administration, Maintenance)

Observe também que a taxa líquida é menor que taxa bruta de dados (por

exemplo, OC-1 = 51,84 Mbps = 810 x 8 x 8000), pois existem overheads envolvidos.

frame byte amost/seg


Artigo de apoio indicado:

Artigo sobre camada física do curso Redes de Computadores elaborado pelo prof.

Maurício Magalhães – DCA/FEC/UNICAMP (camada_fis.pdf)

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Técnicas de Comunicação de Dados