Comunicacao_07_fisica_parte5

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Camada física – parte 5
Comunicação de Dados
Introdução
Cronograma
A Terças (Laboratório) Sextas (Sala)
1 12/03 Apresentação da disciplina 15/03 Introdução: modelos de referência
2 19/03 Tema do Trabalho 1 22/03 Palestra sobre BlockChain com prof. Avelino
3 26/03 Projeto do Trabalho 1 29/03 Camada física: introdução
4 02/04 Entrega Projeto do Trabalho 1 05/04 Camada física: sinais
5 09/04 Desenvolvimento do Trabalho 1 12/04 Camada física: taxa de transmissão
6 16/04 Trabalho 1: GNS3 19/04 FER. PAIXÃO DE CRISTO
7 23/04 Trabalho 1: PyPlot 26/04 Camada física: codificação
8 30/04 Trabalho 1: ajustes 03/05 Camada física: multiplexação & espalhamento
9 07/05 SBRC (ATIVIDADE GUIADA) 10/05 SBRC (NÃO HAVERÁ AULA)
10 14/05 Apresentação do Trabalho 1 17/05 Apresentação do Trabalho 1
11 21/05 Proposta do Trabalho 2 03/05 Avaliação 1 
12 28/05 Projeto do Trabalho 2 31/05 Camada de enlace: 
13 04/06 Camada de enlace: protocolos 07/06 Controle de acesso: 
14 11/06 Desenvolvimento do Trabalho 2 14/06 Controle de acesso: 
15 18/06 Desenvolvimento do Trabalho 2 21/06 Avaliação 2
16 25/06 SEMANA ACADÊMICA 28/06 SEMANA ACADÊMICA
17 02/07 Apresentação do Trabalho 2 05/07 Apresentação do Trabalho 2
18 09/07 Encerramento 12/07 Avaliação substitutiva
Introdução
Revisão
Digital - digital
Digital - analógico
Analógico - digital
Analógico - analógico
Introdução
Objetivos
• Na prática links possuem largura de banda limitada. 
• Emprego racional da largura de banda é um dos 
principais desafios da comunicação eletrônica
• Significado de racional pode depender da aplicação:
− Algumas vezes, precisamos combinar vários canais de baixa largura 
de banda para fazermos uso de um único canal com uma largura de 
banda maior
− Outras vezes, precisamos expandir a largura de banda de um canal 
para atingir objetivos como privacidade e imunidade a interferências 
• Multiplexação:
− combinar vários canais em apenas um
− visa eficiência
• Espalhamento: 
− expandir a largura de banda de um canal para 
inserir redundância
− visa privacidade e imunidade a interferências 
•Introdução
•Multiplexação
−visão geral
−por frequência
−por comprimento de onda
−por divisão de tempo
•Espalhamento
•Conclusão
Agenda
• Link pode ser compartilhado quando largura de banda de um 
meio que liga dois dispositivos é maior do que a necessidade de 
largura de banda dos dispositivos
• Multiplexação é o conjunto de técnicas que permite a 
transmissão simultânea de vários sinais em um único link de 
dados (compartilhamento do meio)
Multiplexação
Visão geral
•Existem três técnicas básicas:
−multiplexação por divisão de frequência
−multiplexação por divisão de comprimento de onda 
−multiplexação por divisão de tempo
•Duas primeiras para sinais analógicos e a terceira 
para sinais digitais
Multiplexação
Categorias
•Introdução
•Multiplexação
−visão geral
−por frequência
−por comprimento de onda
−por divisão de tempo
•Espalhamento
•Conclusão
Agenda
• Técnica analógica que pode ser utilizada quando a largura de 
banda de um link (em Hertz) for maior que a largura de banda 
combinada do conjunto de sinais a serem transmitidos
• Sinais gerados por dispositivo emissor vão modular frequências de 
portadora diferentes
• Esses sinais modulados são combinados em um único sinal 
composto que pode ser transportado pelo link
• Frequências de portadora são separadas de uma largura de 
banda suficiente para acomodar o sinal modulado.
− Esses intervalos de largura de banda são os canais através dos quais os 
diversos sinais trafegam. 
− Canais podem ser separados por faixas de largura de banda não utilizadas -
bandas de proteção - para impedir que os sinais se sobreponham
Multiplexação
Frequency Division Multiplexing (FDM)
• Cada fonte gera um sinal em um intervalo de frequências similar
• No multiplexador sinais similares modulam frequências de portadoras diferentes 
(f1, f2 e f3)
• Os sinais modulados resultantes são combinados em um único sinal composto 
que é enviado por um link de comunicação que tem largura de banda suficiente 
para acomodá-lo
Multiplexação
FDM: processo de multiplexação
• Demultiplexador usa uma série de filtros para separar o sinal 
multiplexado em seus sinais componentes constituintes
• Sinais individuais são passados para um demodulador, que os separa 
de suas portadoras e os passa para as linhas de saída
Multiplexação
FDM: processo de demultiplexação
• Suponha que um canal de voz ocupe uma largura de banda de 4 kHz. 
Precisamos combinar três canais de voz em um link com uma largura 
de banda de 12 kHz, de 20 a 32 kHz. Suponha que não existam 
bandas de proteção
• Mostre a configuração, usando o domínio de frequências. 
Multiplexação
FDM: exemplo 1 
• Solução: 
− Modulamos cada um dos três canais de voz para uma largura de banda diferente
− Usamos a largura de banda de 20 a 24 kHz para o primeiro canal, a largura de 
banda de 24 a 28 kHz para o segundo canal e 28 a 32 kHz para o terceiro. 
− No receptor, cada canal recebe o sinal inteiro; usando um filtro, o receptor separa 
seu próprio sinal. 
− O primeiro canal utiliza um filtro que deixa passar frequências de 20 a 24 kHz e 
rejeita (descarta) quaisquer outras frequências, segundo canal usa um filtro que 
deixa passar frequências entre 24 a 28 kHz e o terceiro canal emprega um filtro 
que deixa passar frequências entre 28 a 32 kHz
− Ao final, cada canal desloca a frequências do sinal original para iniciar do zero
Multiplexação
FDM: exemplo 1 
• Cinco canais, cada um dos quais com uma largura de banda de 
100 kHz, devem ser multiplexados juntos. Qual é a largura de 
banda total mínima do link, se há a necessidade de uma banda 
de proteção de 10 kHz entre os canais para evitar 
interferências? 
Multiplexação
FDM: exemplo 2 
• Solução: Para cinco canais, precisamos pelo menos de quatro 
bandas de proteção. Isso significa que a largura de banda total 
é no mínimo de 5 x 100 + 4 x 10 = 540 kHz
• Quatro canais de dados (digitais), cada um dos quais transmitindo a 1 
Mbps, usam um canal de satélite de 1 MHz. Projete uma configuração 
apropriada usando FDM
Multiplexação
FDM: exemplo 3 
• Solução: Dividir 1 MHz em quatro canais, cada um com uma largura 
de banda de 250 kHz
• Para que 1 Mbps seja transportado em 250 kHz, precisamos modular 
4 bits em cada 1 Hz. Uma solução seria a modulação 16-QAM. 
• Sistema de operadoras de longa distância foi projetado para transmitir sinais 
de banda de voz através de links de transmissão de alta capacidade, como 
sistemas de cabo coaxial e microondas
• Para maximizar a eficiência de suas infraestruturas, companhias telefônicas 
têm multiplexado sinais de linhas de baixa largura de banda em linhas com 
maior largura de banda
• Dessa forma, muitas linhas comutadas ou alugadas podem ser combinadas em 
um número menor de canais maiores
• Para linhas analógicas, o FDM é tipicamente utilizado
• Um desses sistemas hierárquicos usados pela AT&T é formado por grupos, 
supergrupos, grupos mestre e grupos jumbo
Multiplexação
FDM: hierárquica
•Introdução
•Multiplexação
−visão geral
−por frequência
−por comprimento de onda
−por divisão de tempo
•Espalhamento
•Conclusão
Agenda
• Potencial da fibra ótica é totalmente explorado quando 
múltiplos feixes de luz em frequências diferentes são 
transmitidos na mesma fibra. 
• Com WDM, a luz que flui através da fibra consiste em 
muitas cores, ou comprimentos de onda, cada uma 
carregando um canal separado de dados. 
• Em 1997, um marco foi alcançado quando a Bell 
Laboratories conseguiu demonstrar um sistema WDM com 
100 feixes cada operando a 10 Gbps, para uma taxa de 
dados total de 1 trilhão de bits por segundo (também 
referida como 1 terabit por segundo ou 1 Tbps)Multiplexação
Wave Division Multiplexing (WDM)
• Multiplexação permite combinar várias linhas de diversos usuários em 
um único circuito
• WDM é conceitualmente igual ao FDM, exceto pelo fato da 
multiplexação e a demultiplexação envolverem sinais óticos 
transmitidos através de canais de fibra 
− Na prática, diferença é que as frequências são muito altas. 
− Faixas de luz muito estreitas de diferentes fontes são combinadas 
para formar uma faixa mais larga de luz. 
− No receptor, os sinais são separados pelo demultiplexador
Multiplexação
Wave Division Multiplexing (WDM)
• Combinação e a divisão de fontes luminosas são tratadas por um prisma
• Recordando conceitos da física básica, um prisma desvia um feixe de luz 
baseado no ângulo de incidência e na frequência
• Assim, multiplexador pode ser construído para combinar vários feixes de luz de 
entrada, cada um dos quais contendo uma faixa estreita de frequências, em um 
único feixe de saída com uma faixa de frequências mais ampla
• Também podemos construir um demultiplexador para fazer processo inverso 
Multiplexação
Wave Division Multiplexing (WDM)
•Introdução
•Multiplexação
−visão geral
−por frequência
−por comprimento de onda
−por divisão de tempo
•Espalhamento
•Conclusão
Agenda
• Em vez de compartilhar parte da 
largura de banda, compartilha 
tempo
• Um único link é usado, assim 
como no FDM:
• Nesse caso, canais de entrada 
compartilham o tempo de 
transmissão no link em vez da 
frequência
Multiplexação
Time Division Multiplexing (TDM)
• Observe na figura que estamos preocupados apenas com a multiplexação e 
não com a comutação:
− Todos os dados em uma mensagem da fonte 1 sempre vão para um destino 
específico, seja ele 1, 2, 3 ou 4
− A entrega é fixa e invariável, diferentemente da comutação
• Importante recordar que TDM é uma técnica de multiplexação digital
− Dados analógicos precisam ser digitalizados para serem multiplexados com TDM
− Podemos combinar combinar vários canais de baixa taxa de transmissão em um 
único canal de alta taxa
• Dois tipos: síncrono e estatístico
Multiplexação
Time Division Multiplexing (TDM)
• Fluxo de dados de cada conexão de entrada é dividido em unidades, em que 
cada entrada ocupa um time slot 
− Uma unidade pode ser de 1 bit, um caractere ou um bloco de dados 
• Cada unidade de entrada gera uma unidade de saída e ocupa um time slot de 
saída
• Para n conexões, temos:
− Duração de um time slot de saída é n vezes mais curta que a duração de um time slot de entrada
− Para um time slot de entrada for T segundos, o time slot de saída é T/n segundos
• Os time slots são agrupados em frames
− Um frame consiste em um ciclo completo de time slots, com um slot dedicado a cada um dos 
dispositivos emissores
− Em um sistema com n linhas de entrada, cada frame tem n slots, com cada slot alocado para 
transportar dados de uma linha de entrada específica. 
Multiplexação
TDM Síncrono
• Na figura, taxa de dados de cada conexão de entrada é de 1 kbps. Se 1 bit for 
multiplexado por vez (uma unidade é 1 bit), qual a duração de: 
− (a) cada time slot de entrada; (b) cada time slot de saída; e (c) cada frame? 
a. A taxa de dados de cada conexão de entrada é de 1 kbps. Isso significa que a duração 
de um bit é igual a 1/1.000 s, ou seja, 1 ms. A duração de um time slot de entrada é
de1 ms (a mesma que a duração dos bits). 
b. Duração de cada time slot de saída é de um terço do time slot de entrada. Isso significa 
que a duração de um time slot de saída é de 1/3 ms. 
c. Cada frame transporta três time slots de saída. Portanto, a duração de um frame é 3 x
1/3 ms ou 1 ms. A duração de um frame é a mesma de uma unidade de entrada. 
Multiplexação
TDM: exemplo 1
• Multiplexador TDM síncrono com um fluxo de dados em cada entrada e um 
fluxo de dados na saída. A unidade de dados é de 1 bit. Encontre: (a) a 
duração dos bits de entrada; (b) a duração dos bits de saída; (c) a taxa de 
bits de saída; e (d) a taxa de frames de saída. 
a. A duração dos bits de entrada é o inverso da taxa de bits: 1/1 Mbps = 1micro 
segundo 
b. A duração dos bits de saída é um quarto da duração dos bits de entrada, ou 
seja, 1/4 micro segundo 
c. A taxa de bits de saída é o inverso da duração dos bits de saída, 1/4 micro 
segundos ou 4 Mbps. Isso também pode ser deduzido do fato de que a taxa 
de saída deve ser quatro vezes mais rápida que a taxa de entrada; portanto, 
a taxa de saída = 4 x 1Mbps = 4 Mbps. 
d. A taxa de frames é sempre a mesma que a taxa de entrada. Portanto, a taxa 
de frames é de1.000.000 frames por segundo. Como estamos enviando 4 bits 
em cada frame, podemos verificar o resultado da questão anterior 
multiplicando a taxa de frames pelo número de bits por frame. 
Multiplexação
TDM: exemplo 2
• TDM pode ser visto como duas chaves comutadoras de alta rotação:
− uma do lado da multiplexação e a outra do lado da demultipexação
• Chaves são sincronizadas e giram na mesma velocidade, mas em 
direções opostas:
− No lado da multiplexação, à medida que a chave abre diante de uma 
conexão, essa conexão tem a oportunidade de enviar uma unidade de 
dados pelo link
− No lado da demultiplexação, à medida que uma chave abre diante de uma 
conexão, ela tem a oportunidade de receber uma unidade do link
Multiplexação
TDM: Interleaving
• Quatro canais são multiplexados usando TDM. Se cada canal de entrada enviar 100 bytes e 
multiplexarmos 1 byte por canal, mostre o 
• a) frame trafegando pelo link, b) seu tamanho, c) sua duração, d) sua taxa e e) taxa de bits para o 
link
•
Multiplexação
TDM: exemplo 3
• Solução
• a) O multiplexador é indicado na figura. 
• b) Cada frame carrega 1 byte de cada canal; o tamanho de cada frame é, portanto, 4 bytes, ou 32 
bits. 
• c) Como cada canal envia 100 bytes/s e um frame carrega 1 byte de cada canal, a taxa de frames 
tem de ser 100 frames por segundo. Portanto, a duração de um frame é 1/100 s
• d) O link transporta 100 frames por segundo e já que cada um contém 32 bits, a taxa de bits é de 
100x32, ou 3.200 bps. 
• e) Isso é quatro vezes a taxa de bits de cada canal, que é de 100x8=800 bps
• Um multiplexador combina quatro canais de 100 kbps usando um time slot de 
2 bits. Mostre a saída com quatro entradas arbitrárias. Qual é a taxa de 
frames? Qual é a sua duração? Qual é a taxa de bits? Qual é a duração de 
bits? 
• Solução
• A Figura aponta a saída para quatro entradas arbitrárias. O link transporta 
50.000 frames por segundo já que cada um contém 2 bits por canal. A 
duração do frame é, portanto, 1/50.000 s ou 20 s. A taxa de frames é
50.000 frames por segundo e cada um transporta 8 bits; a taxa de bits é de 
50.000 3 8 = 400.000 bits ou 400 kbps. A duração de bits é de 1/400.000 s
ou 2,5 μs. Note que a duração do frame é oito vezes a duração de bits, pois 
cada um transporta 8 bits. 
Multiplexação
TDM: exemplo 4
• O TDM síncrono não é tão eficiente quanto poderia ser. 
• Se uma fonte não tiver dados a serem enviados, o slot correspondente no 
frame de saída fica vazio (ver figura)
• Exemplo:
− Primeiro frame de saída tem três slots preenchidos, o segundo apresenta dois slots preenchidos e 
o terceiro contém três slots preenchidos. 
− Nenhum frame está lotado. 
• Solução?
Multiplexação
TDM: Síncronos… slots vazios
• Multiplexação multinível é uma técnica que pode ser utilizada quando 
a taxa de dados de uma linha de entrada for um múltipla das demais
• Permite dividir uma capacidade padrão em tamanhos menores
• Exemplo: duas entradas de 20 kbps e três entradas de 40 kbps. 
− As duas primeiras linhas de entrada podem ser multiplexadas 
juntas, fornecendo uma taxa de dados igual às três últimas
− Um segundo nível de multiplexação criará uma saída multiplexada 
de 160 kbps
MultiplexaçãoTDM: multiníveis
• Algumas vezes, é mais eficiente alocar mais de um slot em um frame a 
uma única linha de entrada. 
• Assim poderíamos, por exemplo, ter uma linha de entrada com uma 
taxa de dados múltipla de outra entrada
• Permite multiplicar uma capacidade padrão
• Exemplo:
− a linha de entrada com taxa de dados de 50 kbps possui dois slots 
alocados na saída
− Inserimos um conversor serial-paralelo na linha para criar duas entradas a 
partir de uma
Multiplexação
TDM: múltiplos slots
• As vezes, taxas de bits das entradas de um multiplexador não são
iguais nem múltiplos inteiros entre si
− Assim, nenhuma das duas técnicas descritas anteriormente podem ser utilizadas!
• Uma solução é fazer que a taxa de dados de entrada mais elevada 
fosse a taxa de dados dominante, e então, inserir bits fictícios nas 
outras linhas de entrada com taxas menores
− Aumentamos taxas de transmissão das linhas, igualando velocidades de transmissão
− Técnica denominada inserção de pulsos, preenchimento de bits ou inserção de bits
• Exemplo:
− São inseridos pulsos fictícios (pulse stuffing) na linha de entrada de 46 kbps de 
forma a aumentar sua taxa de transmissão para 50 kbps
Multiplexação
TDM: inserção de pulsos
• Sincronização entre o multiplexador e o demultiplexador é desafiadora
− Se o multiplexador e o demultiplexador não estiverem sincronizados, um bit pertencente a um 
canal pode eventualmente ser recebido por outro canal, incorretamente
• Para evitar esse problema, um ou mais bits de sincronização podem ser 
inseridos no início de cada frame
− bits de sincronização, seguem um padrão, frame por frame, que permite ao demultiplexador
sincronizar-se com o fluxo de entrada, de modo a ser capaz de separar os slots de forma precisa
− Na maioria dos casos, essas informações de sincronização são constituídas de 1 bit por frame, 
alternando entre 0 e 1
Multiplexação
TDM: sincronização
• Conforme vimos, no TDM síncrono, cada entrada tem um slot reservado no 
frame de saída
− Isso pode ser ineficiente quando alguma linha de entrada não tiver dado para enviar
• No TDM estatístico, slots são alocados dinamicamente
− Somente quando uma linha de entrada tiver uma quantidade de dados que valha a pena ser 
enviada, ela receberá um slot no frame de saída. 
− Multiplexador verifica cada linha de entrada em um sistema de rodízio; ele aloca um slot para 
uma linha de entrada quando a linha tiver dados a serem enviados; caso contrário, ela pula a 
linha e verifica a próxima 
• TDM estatístico, um slot necessita transportar endereço de destino. 
− No TDM síncrono, não há nenhuma necessidade de endereçamento; a sincronização e as relações
pre ́-designadas entre as entradas e saídas servem como endereço. 
Multiplexação
TDM: Estatístico
•Introdução
•Multiplexação
•Espalhamento Espectral
−Visão geral
•Conclusão
Agenda
• Enquanto multiplexação combina sinais de várias fontes para atingir a 
máxima eficiência de largura de banda; disponível de um link é dividida 
entre as várias fontes
• Espalhamento espectral (SS — Spread Spectrum) combina sinais 
de diferentes fontes para se encaixarem em uma largura de banda de 
maior capacidade
• Projetado para ser utilizado em aplicações wireless (sem fio) para 
ambientes de redes LANs e WANs, que apresentam outros desafios:
− Aplicações sem fio, todas as estações usam o ar (ou o vácuo) como seu meio de 
transmissão. 
− As estações devem ser capazes de compartilhar esse meio sem estarem suscetíveis a 
interceptação da comunicação de dados e interferências por um intruso mal-
intencionado (em operações militares, por exemplo)
Espalhamento espectral
Visão geral
• Técnicas de SS adicionam redundância; elas espalham o espectro 
original necessário de cada estação. 
− Se a largura de banda necessária para cada estação for B, o espalhamento espectral 
vai expandi-lo para Bss de modo que Bss >> B.
− A largura de banda expandida possibilita que a fonte envolva sua mensagem em um 
envelope protetor, permitindo uma transmissão mais segura
•
Espalhamento espectral
Visão geral (cont.)
•Introdução
•Multiplexação
•Espalhamento Espectral
•Conclusão
Agenda
•Multiplexação
−visão geral
−por frequência (analógica, par trançado)
−por comprimento de onda (analógica, fibra)
−por divisão de tempo (digital
•Síncrono (menor overhead, possível slot vazio)
•Estatístico (maior overhead, melhor ocupação)
Conclusão
Revisão
1. Moodle!
Conclusão
Exercícios de fixação
Conclusão
Referências
• KUROSE, J.; ROSS, K. Redes de Computadores e a 
Internet: uma abordagem top-down, 6ª Edição, 
Editora Pearson, 2009, 2013. 
•Andrew S. Tanenbaum. Redes de 
Computadores. Campus, Rio de Janeiro, RJ, 
2003
•Comunicação de Dados e Redes de 
Computadores, 4ª Edição, Behrouz A. 
Forouzan
•Willian Stallings. Data and Computer 
Communications