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1 Capítulo 2 La Capa Física Autor: Santiago Felici Fundamentos de Telemática (Ingeniería Telemática)

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2 1 Capítulo 2 La Capa Física Autor: Santiago Felici Fundamentos de Telemática (Ingeniería Telemática)

3 2 Sumario Principios básicos Medios físicos de transmisión de la información Cableado estructurado El sistema telefónico. Multiplexación PDH y SONET/SDH Ejemplos: Interfaces serie: RS-232 y otros POTS: Modems RDSI ADSL

4 3 Capa FísicaN=1 Repetidor Conector en T Envía bits por el medio físico asociado. PDU=bit!!!!

5 4 Principios básicos Señal analógica vs señal digital –La señal analógica utiliza una magnitud con una variación continua. –La señal digital emplea valores discretos, predefinidos Módem vs Códec –Módem (MODulador-DEModulador): convierte de digital a analógico y viceversa –Códec (Codificador-DECodificador): convierte de analógico a digital y viceversa

6 5 CODEC DEMMO Codificador ModuladorDemodulador Decodificador g(t) m(t) x(t) m(t) s(t) g(t) Codificación en una señal digital Modulación en una señal analógica x(t) s(t) t t Analógica a digital Digital a analógica Analógica Técnicas de codificación y modulación

7 6 Modem vs Codec - Modems para transmistir analógico en el bucle de abonado - Codec para transmitir digital dentro de las centrales (Telco)

8 7 Teléfono Módem Códec Ejemplo: teléfono RDSI Transmisor digital Ejemplo: tarjeta RDSI para ordenador Datos digitales Señal analógicaSeñal digital Datos digitales Datos analógicosSeñal analógica Las señales digitales representan la información como pulsos de voltaje Las señales analógicas representan la información como variaciones continuas del voltaje Datos analógicos y digitales, señales analógicas y digitales

9 8 El proceso de modulación se utiliza para adaptar una señal a enviar, al medio físico por el cual va a ser transportada. Cada medio físico tiene las modulaciones más apropiadas, según las características intrínsecas al medio: ruido, atenuación, velocidad, ancho de banda, impedancias, distancias, sincronismo, probabilidades de error, etc También se puede interpretar la modulación como un proceso para robustecer la señal. Componentes: Señal portadora ( señal de adaptación al medio ) Señal moduladora (señal que lleva información) Modulación Señal modulada x

10 9 Clasificación de modulaciones Moduladora/ Portadora AnalógicaDigital AnalógicaAM, FM, PM: amplitude, frequency and phase modulations ASK, FSK, PSK: amplitude, frequency and phase shift keying QAM: Quadrature Amplitude Modulation. Ej modems analógicos DigitalPAM, PDM (o PWM), PPM, PCM: pulse amplitude, duration o wide, position, code modulation. Ej GSM Codificación NRZ-L o NRZI: no return to zero- Level o -Invert on ones, Bifase, Manchester,... Ej. RDSI Señal moduladora PortadoraPortadora

11 10 Cambios de fase Señal binaria PSK FSK ASK ( ejemplo On Off Keying, OOK) Modulación de una señal digital con portadora analógica

12 11 Modulación de una señal analógica con portadora digital PAM PCM Señal analógica PAM->Q (cuantificador)->PCM P.ej: 8.2 ->8->1000 binario 2.8 ->3->0011 binario

13 NRZ-L NRZI AMI-Bipolar Pseudoternario Manchester Diferencial Diversos formatos de codificación de señales digitales con portadora digital } Códigos de línea NRZ } Multinivel } Bifase

14 13 Códigos de línea: explicación Los problemas de los códigos de línea para transmisión son: la transmisión de contínua (lo cual tiene inconvenientes en largas distancias porque se atenúa) y la sincronización (por ejemplo, en el caso de una secuencia larga de 0s). Los códigos NRZ, como NRZ-L no resuelve ninguno de los problemas anteriores. NRZ-I cambia la polaridad con los 1s (si hay 1 en la línea, el 0 pasa a 1 y el 1 a 0) tratando de mejorar NRZ-L. Para eliminar la componente contínua (DC, direct current), se utilizan los códigos multinivel (AMI-Bipolar y Pseudoternario), pero siguen sin introducir sincronismo. El AMI-Bipolar codifica 0 como 0voltios y 1 como +V o –V. El Pseudoternario, es igual que el AMI-Bipolar pero al revés, codifica 1 como 0voltios y 0 como +V o –V. Finalmente, para introducir sincronismo de utilizan códigos Bifase, como Manchester, que codificar 0 como transición de 0 a 1 y 1 como transición de 1 a 0 (realmente no están definidas las transiciones y se obtiene el código por los bits de preámbulo). La versión diferencial, actúa como Manchester, pero siguiendo la misma asignación de valores codificados que el NRZ-I

15 14 Códigos de línea: explicación Los códigos Manchester hemos visto introducen una transición al medio, lo que implica duplicar la frecuencia, por tanto estos códigos no son utilizados para largas distancias dado que sufrirían una fuerte atenuación. En el caso de largas distancias, son preferidos los códigos multinivel y para resolver su falta de sincronismo, se utilizan técnicas de inserción de bits, como B8ZS y HDB3 ( utilizada en EEUU y Europa respectivamente ), que consisten en: cuando existe una secuencia seguida de 1s o 0s, se modifica este secuencia de forma que rompa la secuencia. Obviamente, el receptor ha de deshacer dicho intercambio. Ejemplo, la RDSI utiliza en EEUU codificación B8ZS de forma que si se detectan 8 0s se sustituye la secuencia por , siendo – y + 1s con diferente polaridad.

16 15 Distinción entre bps y baudio Bits por segundo (bps) Baudio (concepto físico): veces por segundo que puede modificarse la onda electromagnética para transmitir la información o símbolos por segundo. El número de bits por símbolo depende del número de valores posibles de la magnitud utilizada para codificar la información. Ejemplo 1: con 2 valores (1 y 0) por símbolo 1 baudio = 1 bps Ejemplo 2: con 8 símbolos, puede asignar a cada símbolo 3 bits, por tanto 1 baudio= 3 bps El número de bits asignados por símbolo son: bits/símbolo=log 2 (número de niveles o símbolos)

17 16 Constelaciones de algunas modulaciones habituales: moduladora digital y portadora analógica Binaria simple 1 bit/símb B1Q (RDSI) 2 bits/símb. 2,64 V 0,88 V -0,88 V -2,64 V QAM de 32 niveles (Módems V.32 de 9,6 Kb/s) 5 bits/símbolo QAM de 4 niveles 2 bits/símb Portadora La transmisión se realiza en el espacio complejo con señales desfasadas 90º como seno y coseno

18 17 Muestreo: PAM+Q+PCM (codecs, A/D, D/A) Antes hemos partido de una secuencia binaria , pero esta secuencia binaria procede de un señal analógica digitalizada o muestreada. Este proceso se realiza en los CODECs, también conocidos como bloques A/D y D/A es decir Analógico/Digital y Digital/Analógico. El proceso de muestrear supone tomar una muestra de la señal analógica y codificarla en digital, pero ¿cuántas muestras tenemos que tomar para poder reconstruir la señal analógica original?¿se puede reconstruir? Obviamente, un ejemplo claro de la digitalización son los teléfonos GSM ;-)

19 18 Teorema de Muestreo (Nyquist) Sabemos que las señales se pueden descomponer como un sumatorio de senos y cosenos cada uno de una amplitud, frecuencia y fase diferente. Esto se llama Desarrollo Serie de Fourier. Si dichas sinusoides las muestreamos, el caso más crítico de muestreo será aquella de mayor frecuencia (frecuencia máxima f m que corresponde con el periodo mínimo T min =1/ f m ) la cual vamos a llamar: f(t)=A sin(2 f m t+ ) donde A: amplitud, t: tiempo y : fase de la señal. El Teorema de Muestreo formulado por Nyquist 1924 dice: que si queremos reconstruir una señal de frecuencia máxima f m, debemos de muestrear a 2f m y la frecuencia de muestreo (sampling) se llama f s o también frecuencia de modulación. Ejemplo1, si un instrumento musical emite tonos (o sinusoides) de 20KHz, debo muestrear a 40KHz ( muestras por segundo). Ejemplo 2: los CD de audio muestrean la señal veces por segundo, por tanto pueden captar frecuencias de hasta 22,05 KHz Ejemplo3, si la voz humana tiene un espectro de 4Khz, para poder muestrear y recuperar la señal requeriríamos muestras por segundo, o 8000 baudios.

20 19 Teorema de Muestreo (Nyquist): demostración simple Podemos verlo fácilmente si tenemos en cuenta que, si sólo tenemos un valor o muestra por periodo, es decir muestreando a f m no seríamos capaces de conocer ni la amplitud ni la fase. Sin embargo con al menos 2 muestras como dice el Teorema, dos puntos de f(t) sí que somos capaces de trazarla, por ejemplo si tenemos el mínimo y el máximo de f(t) podemos trazar entre dichos puntos la sinusoide f(t). Además, los puntos están equidistantes, porque siempre se muestrea a la misma velocidad. Otra forma de verlo, es f m = f s /2 y f s la conocemos contando las muestras en un segundo. Si tenemos los puntos (t 1,f(t 1 )) y (t 2,f(t 2 )), siendo t 2 = t 1 +T min /2, podemos plantear el sistema de ecuaciones Ecuación 1: f(t 1 )=A sin(2 f m t 1 + ) Ecuación 2: f(t 2 )=A sin(2 f m t 2 + ) Por tanto, tenemos 2 ecuaciones y 2 incógnitas A y, con lo cual podemos resolver y despegar las incógnitas.

21 20 Interpretaciones prácticas sobre Nyquist En una señal cuando se transmite, la capacidad que posee para transportar información, o bien viene limitado por la propia señal (que es lo visto anteriormente, una señal con frecuencia máxima f m ) y su ancho de banda, o bien viene limitado por el ancho de banda del canal en la que es transmitida. En resumen, o el ancho de banda lo fija la fuente o bien el canal. Ej. La voz humana, tiene un BW >4KHz, pero los circuitos de las centrales operan hasta 4KHz.

22 Hz1 KHz 10 KHz Frecuencia 100 KHz 10 Hz Potencia relativa 0 dB -20 dB -40 dB -60 dB Rango dinámico aproximado de la voz Canal telefónico Límite superior de la radio AM Límite superior de la radio FM Rango dinámico aproximado de la música MÚSICA VOZ Ruido Espectro acústico de la voz y la música 3,4 KHz300 Hz Potencia relativa=Potencia/Potencia máxima

23 22 Teorema de Nyquist en un canal (limitación por canal) En un caso general, como un canal analógico (que transporta señales analógicas no moduladas), se puede demostrar que los baudios (símbolos por segundo) posibles enviados con un canal de ancho de banda BW es: Capacidad [baudios]=2*BW [Hz] Si fuera modulada, sería Capacidad [baudios]=BW [Hz] Y la capacidad binaria de dicho canal es: Capacidad [bits/segundo]= 2*BW*log 2 (número de niveles por símbolo)= 2*BW*log 10 (número de niveles por símbolo)/ log 10 (2) El número de niveles por símbolo lo determina la constelación de la modulación utilizada. Pero el número de símbolos a introducir en un canal tiene también un límite... En el caso del canal telefónico, como utilizamos de 300 a 3400 Hz, al ser modulada porque no parte de 0 Hz, sino que va metida en la banda 300 a 3400Hz, el máximo de baudios son 3100 baudios.

24 23 Relación señal/ruido La relación señal/ruido, también SR o S/N (Signal to Noise Ratio) se mide normalmente en decibelios (dB): S/N (en dB) = 10* log 10 (S/N)=S(db) – N(db) Ejemplo 1: S=10Kwatios N=5Kwatios, por tanto S/N (db)= 10* log 10 (10/5) Ejemplo 2: S/N = 36 dB, por tanto la señal es 10 3,6 = 3981 veces mayor que el ruido

25 24 Ley de Shannon (1948) La cantidad de información digital (límite y teórica) que puede transferirse por un canal analógico está limitada por su ancho de banda (BW) y su relación señal/ruido lineal (S/N), según la expresión: Capacidad [bits por segundo] = BW [Hz] * log 2 (1 + S/N) = BW * log 10 (1+S/N)/log 10 (2) Ejemplo: En el sistema telefónico, la máxima S/N que se puede obtener debido al proceso A/D y D/A realizado sobre la voz es de 36 dB (= ). Si el canal utilizado para enviar la voz es de 3,1KHz[1], por tanto la capacidad binaria del canal es : Capacidad [bps] = 3,1 KHz * log 2 (1+3981) = 37,07 Kbps Que es la máxima capacidad teórica según Shannon que puede transmitirse en bps en un canal analógico, donde la S/N del canal, queda fijada por el proceso de cuantificación A/D de los conversores en la entrada a las centrales. [1]Los 3.1KHz proceden de utilizar márgenes de seguridad en los propios canales de voz con 4KHz reservados.

26 25 Sumario Principios básicos Medios físicos de transmisión de la información Cableado estructurado El sistema telefónico. Multiplexación PDH y SONET/SDH Ejemplos: Interfaces serie: RS-232 y otros POTS: Modems RDSI ADSL

27 26 Conceptos básicos: ondas Onda electromagnética: es un campo eléctrico magnético que se propaga por un medio a una velocidad propia de éste (por ejemplo en el caso del aire, la velocidad de propagación es la misma que la velocidad de la luz c=10 8 m/s), vibrando a una frecuencia determinada (como un plano desplazándose en longitudinal), con un comportamiento periódico en el eje longitudinal de su propagación, con periodo o repetición a longitudes constantes, que se llaman longitudes de onda ( ) y se define =c/f, siendo c la velocidad de la luz y f la frecuencia de oscilación. Problemas: Esta onda, en el caso de chocar con alguna imperfección puede producir reflexiones, y además, si el medio tiene muchas pérdidas, se puede atenuar.

28 27 Velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas MedioVelocidad (Km/s) Vacío o aire Cobre (aprox.) Fibra Óptica (aprox.) La velocidad de propagación impone un retardo mínimo en la transmisión de información; además hay que contar el que introducen los equipos

29 28 Medios físicos de transmisión de la información Medios guiados (Ondas electromagnéticas) –Cables metálicos (normalmente de cobre) Coaxiales De pares trenzados (apantallados o sin apantallar) –Cables de fibra óptica Multimodo Monomodo Medios no guiados (también Ondas electromagnéticas) –Enlaces vía radio –Enlaces vía satélite

30 29 Conceptos básicos: CABLES METALICOS Impedancia característica de un cable: es la impedancia que ve una fuente conectada a un extremo de un cable, estando el otro extremo del cable abierto. Es un valor característico e intrínseco de la construcción del cable (la R, L y C por metro de cable) y su valor es Z 0 = (L/C) Adaptación de impedancias: se dice que la fuente y la carga están adaptadas al cable, cuando sus impedancias coinciden con Z 0 Coeficiente de reflexión =(Z l -Z 0 )/(Z l +Z 0 ) La carga (load en inglés) o fuente que se conecta al extremo de un cable tiene una impedancia de Z l. En el caso que exista adaptación =0, sin embargo si NO existe adaptación, es diferente de cero y por tanto aparecen ondas electromagnéticas reflejadas en el cable. Esta desadaptación, pueda ser debidida a equipos no adaptados, a empalmes y conectores mal realizados, imperfecciones del cable, etc

31 30 CABLES METALICOS Problemas de la transmisión de señales Atenuación –La señal se reduce con la distancia debido a: Calor (resistencia) Emisión electromagnética al ambiente –La pérdida por calor es menor cuanto más grueso es el cable –La pérdida por emisión electromagnética es menor cuanto más apantallado está el cable (menos emisión electromagnética) –La atenuación aumenta con la frecuencia (aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada de ésta)

32 31 Dispersión. Variación de la velocidad de propagación de la señal en función de la frecuencia, dado que el cable es un sistema formado por L y C cuyo comportamiento varía con la frecuencia. Se considera una interferencia interna que genera ensanchamiento de pulsos. Conexión entre edificios con diferente potencial, lo cual crea una corriente estática de gran intensidad por el conductor metálico que puede dañar los equipos conectados. Esa diferencia de potencial es debida a la propia construcción de la arqueta de toma de tierra, lo cual hace que exista potencial diferente entre diferentes tomas. Solución: conexión óptica por fibra Interferencias electromagnética externas: Los cables se comportan como antenas y por tanto captan los campos eléctrico magnéticos del ambiente (motores, monitores, tormentas, emisoras...). CABLES METALICOS Problemas de la transmisión de señales

33 32 Tormentas: La diferencia de potencial generada con una tormenta es V=E*l, es decir el producto escalar del campo eléctrico ambiente (E) por la longitud del cable (l). En una tormenta E puede ser de miles de voltios por metro, por lo tanto con un tendido de cable de 1 km, pueden haber problemas, que pueden destruir todos los equipos conectados a dicho cable. Solución: utilizar fibras en estos tendidos tan largos. Motores, emisiones de radio y TV, etc.: Son campo eléctricos pequeños. Existen especificaciones y normativas para guardar distancias entre los cables de alimentación y los de datos, normalmente 1 metro. Solución: apantallamiento metálico Señales paralelas: diafonía o crosstalk (efecto de cruce de líneas). La diafonía es un fenómeno por el que conversaciones en otros pares, por proximidad se introducen en otro para. Solución: apantallar o trenzar cada par. Este fenómeno aumenta con la frecuencia y puede ser: –Del extremo cercano o NEXT (Near End Crosstalk): señal inducida en el lado del emisor –Del extremo lejano o FEXT (Far End Crosstalk): señal inducida en el lado receptor Fuentes de interferencia externa

34 33 CABLE COAXIAL Es el que tiene menor atenuación y menor interferencia. La impedancia puede ser de 50 o : usado en redes locales Ethernet (10BASE2 y 10BASE5) para banda base 75 : usado en conexiones WAN y redes CATV (Community Antenna TeleVision) o TV en radiofrecuencia

35 34 Partes del cable coaxial Conductor de cobre o alumnio Material asilante Malla o papel aluminio funda (polyethylene) Este tipo de cables por su apantallamiento, evita que la señal interna radie y que las señales externas inyecten interferencias. Sin embargo, son más complicadas de manipular que los pares trenzados. La atenuación es la principal causa de error.

36 35 CABLE DE PARES TRENZADOS La base del bucle de abonado del sistema telefónico. También se utiliza en todos los sistemas de red local modernos Los pares suelen ir trenzados para minimizar interferencias Inadecuado para largas distancias por la atenuación Según el apantallamiento puede ser: –UTP (Unshielded Twisted Pair) –STP (Shielded Twisted Pair) –FTP o ScTP (Foil Twisted Pair o Screened Twisted Pair)

37 36 Conceptos básicos: Pares trenzados Los cables en función de su construcción y su respuesta en frecuencia, se clasifican en categorías (cat1- cat7) según EIA/TIA 568. Además, para las características de conducción, según el tipo de hilo de cobre, sus características, etc....existe una clasificación americana aceptada internacionalmente, llamada la AWG (American Wire Gauge), donde relaciona para cada tipo de cable, el diámetro en mm del hilo de cobre, el área del conductor, de forma que permite asignar y catalogar los cables con una escala arbitraria definida por la AWG. Cabe destacar que a mayor escala de AWG, se asocia a diámetros más pequeños. Además cada cable, también tiene asociadas características adicionales en función de la cubierta utilizada, temperaturas, resistencia a la corrosión, etc Ejemplo: los cables más utilizados como categoría 5 son 24AWG de 0,51 mm de diámetro y para categoría 7, 23 AWG de 0,57 mm de diámetro.

38 37 Vista transversal de un cable UTP-5 de cuatro pares Alambre de cobre. Normalmente AWG 24 ( 0,51 mm) Cubierta hecha con material aislante Aislante de cada conductor

39 38 Atenuación A 10 MHz la potencia de la señal en un cable tipo RG-58 (coaxial fino, Z 0 =50 ohms) se reduce a: –la mitad en 75m 1/2 = 10 -0,3 = 3 dB –la cuarta parte en 150m 1/4 = 10 -0,6 = 6 dB –la octava parte en 225m 1/8 = 10 -0,9 = 9 dB Información obtenida de especificaciones según fabricante. S recibida = S transmitida –Atenuación (dB)

40 ,1 0,3 1 KHz 1 PHz 1 THz 1 GHz 1 MHz Frecuencia Atenuación (dB/Km) Fibra óptica Cable coaxial grueso ( 0,95 cm) Cable de pares trenzados galga AWG 24 ( 0,51 cm) Atenuación en función de la frecuencia de algunos cables típicos

41 40 Atenuación en función de la frecuencia para un bucle de abonado típico 3,7 Km 5,5 Km Frecuencia (KHz) Atenuación (dB)

42 41 Categorías de cables de pares trenzados TIA/EIA 568 CategoríaVueltas/mFrec. Máx. (MHz) Capac. Máx. datos (Mb/s) 10No espec.No se utiliza 2011 (2 pares) (2 pares) (2 pares) (4 pares) 5e (4 pares) (desarrollo)

43 42 Atenuación (en dB/100m) de diversos tipos de cable a varias frecuencias MHzUTP-3UTP-5STPRG-58 (10BASE2) 12,62,01,1 45,64,12,2 53,2 106,54,6 1613,18,24,4 2510,46, ,012, ,4

44 43 Cat. 3 Cat. 5 Cat. 5E Cat. 6 Fibra 1 Mb/s 1 Gb/s 100 Mb/s 10 Mb/s 10 Gb/s T. R. 4 Mb T. R. 16 Mb Eth. F. Eth. FDDI G. Eth. ATM 155. ATM 622. ATM 2,5. Requiere tecnología sofisticada Requiere tecnología sofisticada Requiere tecnología sofisticada (dudoso) Por definir Aplicación de los tipos de cables de pares más habituales G. Eth : Gigabit Ethernet, F. Eth: Fast Ethernet, T. R. Token Ring

45 44 Diafonía o Crosstalk La señal inducida en cables vecinos se propaga en ambas direcciones La señal eléctrica transmitida por un par induce corrientes en pares vecinos

46 45 El NEXT lo produce la señal inducida que vuelve y es percibida en el lado del emisor Near end Crosstalk (NEXT)

47 46 El FEXT lo produce la señal inducida que es percibida en el lado receptor. Es mas débil que el NEXT Far end crosstalk (FEXT)

48 47 Cálculo de FEXT y NEXT NEXT (o NEXT–A en los Fluke DSP 2000 de prácticas): se transmite dos señales de referencia por par x e y y se mide en el par x, la potencia emitida menos la interferencia generada producida por la señal emitida en el otro par. Se transmite y recibe en local: NEXT-A=S par x -I emitida en par y pero recibida por el x FEXT (o NEXT–B en los Fluke DSP 2000 de prácticas): se transmite dos señales de referencia por el extremo remoto y se mide en un par local, la potencia recibida menos la interferencia generada localmente producida por la señal emitida por el otro par remoto. Se transmite en remoto y se recibe en local: NEXT-B=S( recibida ) par x -I( recibida ) emitida en par y pero recibida por el x

49 48 Componentes del Crosstalk: FEXT y NEXT El NEXT-A y el NEXT-B disminuye con la frecuencia, es decir aumenta la interferencia. El NEXT-A es más fuerte que el NEXT-B porque la intensidad de la señal inducida en el extremo cercano (local) es mayor. Si se usa una frecuencia distinta en cada sentido (ej.: ADSL) la diafonía no es problema

50 49 Cable propuesto para categoría 7 (STP: Shielded Twisted Pair)

51 50 Atenuación y Diafonía La atenuación se puede compensar con un emisor más potente y/o un receptor más sensible Con una emisión más potente, la diafonía (especialmente el NEXT-A) aumenta e impone una limitación. A medida que aumenta la frecuencia la atenuación y la diafonía aumentan (NEXT-A o B disminuye). Para un cable dado existe una frecuencia a la cual la intensidad de la diafonía es comparable a la de la propia señal; esa es la frecuencia máxima aprovechable de un cable y fija su ancho de banda Es el límite de frecuencia (el ancho de banda del canal), porque si la atenuación se soluciona con la potencia, a mayor potencia mayor diafonía, por tanto existe un límite.

52 51 Señal recibida es la señal atenuada del emisor Ruido es debido principalmente a la diafonía Transmisor (Salida) Receptor (Entrada) Ordenador Conmutador o hub LAN Señal diafonía Interferencia externa (la consideramos despreciable) Señal Transmisión de la señal en una conexión LAN sobre cable de pares trenzados Estudio de la relación señal/ruido Receptor (Entrada) Transmisor (Salida)

53 52 Transmisor (salida) Receptor (entrada) Ordenador Transmisor (salida) Receptor (entrada) Conmutador LAN Señal (de remoto a local) Señal (de local a remoto) ¡Observar aquí y aquí! NEXT (local) NEXT (remoto) Se necesita mas señal (electrones azules y morados) que NEXT (electrones grises) El límite viene dado cuando en el receptor, los electrones recibidos igualan a los recibidos por diafonía.

54 53 Atenuación NEXT ACR (Attenuation/ Crosstalk Ratio) Frecuencia (MHz) Potencia de señal (dB) 0 dB 0 MHz Ancho de banda ACR=0 dB Relación entre Atenuación, Diafonía y ACR

55 54 ACR La calidad de un cable para transmitir una señal viene dada por el cociente entre la diafonía y la atenuación, que se denomina ACR (Attenuation Crosstalk Ratio) El ACR refleja el margen de seguridad con que funciona el cable. También se denomina rango dinámico Si se expresa todo en dB el ACR se puede calcular como: ACR = Atenuación - Diafonía (NEXT) La Atenuación y la diafonía se miden (por ejemplo con un probador de cables como el Fluke DSP2000 de prácticas). El ACR se calcula (el Fluke puede hacer los cálculos) Un ACR de 0 dB significa que atenuación=diafonía (next) puesto que log(1) = 0

56 Frecuencia (MHz) dB Aten. Cat. 6 Aten. Cat. 5 NEXT-A Cat. 6 NEXT-A Cat. 5 Atenuación y diafonía (NEXT) en función de la frecuencia para cables categoría 5 y 6

57 56 FIBRAS OPTICAS ventajas e inconvenientes +Mayor ancho de banda, mayor capacidad +Mucho menor atenuación, mayor alcance +Inmune a las interferencias electromagnéticas, pues emite en frecuencias de la luz +Mayor seguridad, porque el pinchamiento es complicado +Inmune a la oxidación +Genera aislamiento eléctrico por ser óptico +Tasa de errores muy baja -Costo más elevado -Manipulación más compleja y delicada

58 57 FIBRAS OPTICAS: características La transmisión es en modo simplex, requiere una fibra para transmisión y otra para recepción Se basa en el fenómeno de la reflexión, relacionado con los índice de refracción de los materiales y los ángulos de incidencia El tamaño es como el de un cabello humano OJO, porque en el caso de luz procedente de un LASER la observación directa puede dañar la RETINA DEL OJOOJO, porque en el caso de luz procedente de un LASER la observación directa puede dañar la RETINA DEL OJO Tx Rc SIEMPRE HAY QUE CONECTAR LA FUENTE DE EMISIÓN DE UN EQUIPO CON EL RECEPTOR DEL OTRO EQUIPO

59 58 Fibra óptica: construcción Núcleo o core (cristal) Revestimiento o cladding (cristal) Cubierta de plástico

60 59 Principios de Fibra Óptica Medio 2, n 2 Medio 1, n 1 Onda incidente Onda reflejada Onda transmitida i t r Sean dos medios 1 y 2 con índices de refracción n 1 y n 2 (n es el índice de refracción n=c/v, siendo c la velocidad de la luz y v la velocidad de propagación en el medio), la onda incidente parte se refleja y parte se transmite, siendo siempre i = r. Además, la LEY de SNELL dice que n 1 sen i = n 2 sen t y por tanto si queremos que toda la luz vaya por el medio 1 debemos hacer t =90º, tal que sen t =1, con cual nos fuerza a un ángulo mínimo de i (o c ), llamado ángulo crítico, para que sólo haya reflexión y no haya señal transmitida. Por tanto: n 1 sen i = n 2 ; sen i > n 2 /n 1 y obviamente n 1 >n 2 Si i > c, la luz será totalmente reflejada.

61 60 Además, de igual forma a la entrada de la fibra también tenemos un cambio de medio, pasando del aire (medio 0, siendo n 0 =1) a el medio 1. Volviendo a aplicar la Ley de Snell entre medio 0 y 1: sen Ø NA = n 1 cos Ø c Si tomamos el ángulo mínimo fijado por el ángulo crítico para que sólo exista reflexión, obtenemos una condición de un ángulo mínimo en la entrada de la fibra, llamado Apertura Numérica (NA). Operando: sen 2 Ø NA = n n 2 2 Principios de Fibra Óptica Ángulo mínimo de 90º- c Sólo la luz que entra a la fibra con un ángulo menor que Ø NA será propagada, formando el llamado Cono de Aceptación La luz que incide con un ángulo mayor que Ø NA se perderá en el Cladding

62 61 Fibras ópticas: propagación y modos Cuando penetra una onda en la fibra, aquellas ondas que se propagan forman una onda estacionaria en sentido transversal y se propaga en la dirección longitudinal de la fibra. Dicha onda, se llama onda plana, porque el resultado final es como un plano que se desplaza a lo largo de la fibra. Esta onda propagada se llama modo, que se puede entender también como un haz de luz. No todos los modos pueden propagarse en una fibra, y se propagan fundamentalmente los modos que viajan próximos al núcleo de la fibra. Un modo viene caracterizado por la longitud de onda ( ) y lleva un ángulo de incidencia diferente entre los medios 1 y 2.

63 62 Multimodo (MultiMode Fiber, MMF) Monomodo (SingleMode Fiber, SMF) Cubierta 125 m Núcleo 62,5 m Núcleo 9 m Cubierta 125 m Tipos de fibras ópticas Pulso entrante Pulso saliente Los múltiples modos que se propagan generan un jitter que ensancha los pulsos y limita la distancia o la frecuencia Al propagarse solo un modo no se produce jitter y el pulso no se ensancha

64 63 Fibras ópticas Dos tipos de diodos: –LED (Light Emitting Diode) de luz normal (no coherente): corto alcance y bajo costo. Envía pulsos de luz, 0s y 1s –Semiconductor Láser (luz coherente, toda anda en el mismo modo): largo alcance y costo elevado. Modula la señal de forma que transporta más información que los LED. Dos tipos de fibras: –Multimodo o MMF (luz normal): 62,5/125 m o 50/125 m –Monomodo o SMF (luz láser): 9/125 m

65 64 Fibra Multimodo Fibra Multimodo, 4 Filamentos para interiores cubierta PVC. Fibra Multimodo, 12 a 144 filamentos con armadura de acero para exteriores.

66 65 Fibra Monomodo de enlace Fibra Monomodo, tipo Jumper duplex (2 filamentos) Diagrama transversal

67 66 Caja de Empalme (Shelf) Placa de Empalme para Fibra Optica, Tipo Rack (Shelf) para 24 cabeceras Tipo ST.

68 67 Conectores de Fibra Optica Conector de Fibra Tipo SCConector de Fibra Tipo ST

69 68 Conectores de Fibra Optica Conector de Fibra Tipo LCAdaptador LC/ST

70 69 Dispersión Cromática La velocidad de la luz en el vidrio depende de su índice de refracción. El índice de refracción depende de la longitud de onda, por lo que las diferentes componentes de un pulso viajan a diferente velocidad (las frecuencias mayores viajan más deprisa. Como consecuencia de esto el pulso se ensancha. Para atenuar este efecto se han desarrollado en los últimos años fibras especiales: –DSF (Dispersion Shifted Fiber) –NZDS (Non-Zero Dispersion Shifted) –DCF (Dispersion Compensating Fiber)

71 70 Dispersión Cromática En fibra multimodo con luz normal el haz se produce un ensanchamiento del pulso debido a los diferentes haces de luz (modos) que viajan por la fibra a diferentes velocidades. En el caso de las fibras monomodo la dispersión se produce por la propagación de diferentes dentro del modo. Este tipo de dispersión también es conocida como dispersión intramodal. Este efecto es proporcional a la velocidad (anchura del pulso) y a la distancia. Se mide por el parámetro ancho de banda que se expresa en MHz*Km En equipos actuales la dispersión máxima tolerable es de 500MHz*Km Es importante en conexiones de alta velocidad (ATM a 622 Mb/s o Gigabit Ethernet) La dispersión en fibras multimodo es alrededor de 500MHz*Km y en monomodo mayor de 100GHz*km

72 71 Dispersión Cromática El efecto de la dispersión cromática es más importante cuanto mayor es: La frecuencia de los pulsos (es decir, la tasa en bits/s) y La distancia física que la señal ha de recorrer en la fibra

73 72 Cálculo del alcance por dispersión Enlace ATM a 622 Mb/s sobre fibra multimodo de 500 MHz*Km de ancho de banda. Supongamos que 622 Mb/s = 622 MHz Aplicamos la fórmula: Ancho de Banda = Frecuencia * Distancia 500 (MHz*Km) = 622 (MHz) * X (Km) X = 500/622 = 0,8 Km = 800 m

74 73 Primera ventana 0,85 m Segunda ventana 1,30 m Tercera ventana 1,55 m Los picos corresponden a absorción producida por el ión hidroxilo, OH - OH - Luz visible Longitud de onda ( m) Atenuación (dB/Km) 2,0 1,8 1,6 0,6 0,8 1,4 1,2 1,0 0,4 0,2 01,00,90,8 1,4 1,3 1,2 1,11,7 1,61,5 1,8 Luz infrarroja Atenuación en fibra óptica según la longitud de onda Cuarta ventana 1,62 m Uso de WDM

75 74 Ventanas de la Fibra Óptica La aplicación determinará el tipo de ventana. La fibra óptica no es igualmente transparente a todas las (longitudes de onda); hay cuatro ventanas en las que es más transparente: Ventana (nm) Atenuac. (dB/Km) Alcance (Km) Costo opto- electrónica Usos 1ª ,32BajoLAN (GE) 2ª (banda S) ,540MedioLAN (GE, 10GE), WAN (SONET) 3ª (banda C) ,28160ElevadoLAN (GE, 10GE), WAN (SONET,WDM) GE: Gigabit Ethernet 10GE: 10 Gigabit Ethernet

76 75 CaracterísticaLEDLáser semiconductor Velocidad máxima Baja (622 Mb/s)Alta (10 Gb/s) FibraMultimodoMultimodo y Monomodo DistanciaHasta 2 KmHasta 160 Km Vida mediaLargaCorta Sensibilidad a la temperatura PequeñaElevada Ventana1 y 22 y 3 CostoBajoAlto Comparación de emisores de fibra óptica LED y láser

77 76 Atenuación Fibras Ópticas (dB/Km) TipoDiámtero núcleo Diámetro funda 1ª V. 850 nm 2ª V nm 3ª V nm Monomodo5,085 ó 1252,3 8,11250,50,25 Multimodo501252,40,60,5 62,51253,00,70, ,51,50,9

78 77 Factores que influyen en la atenuación de un trayecto de fibra óptica Distancia a cubrir Latiguillos, empalmes y soldaduras Curvas cerradas en la fibra Suciedad en los conectores Variaciones de temperatura Envejecimiento de los componentes

79 78 Fibra vs cobre Se recomienda utilizar fibra cuando: –Se conectan edificios diferentes (posible diferencia de potencial entre tierras) –Se prevé utilizar velocidades altas o muy altas (valorar en ese caso el uso de fibras monomodo) –Se quiere cubrir distancias de más de 100 m –Se requiere máxima seguridad frente a intrusos (la fibra no puede pincharse) –Se atraviesan atmósferas corrosivas –Se corre el riesgo de tener fuerte interferencia electromagnética Si no se da ninguno de estos factores es preferible utilizar cobre, ya que los equipos de emisión recepción son más baratos

80 79 Sumario Principios básicos Medios físicos de transmisión de la información Cableado estructurado El sistema telefónico. Multiplexación PDH y SONET/SDH Ejemplos: Interfaces serie: RS-232 y otros POTS: Modems RDSI ADSL

81 80 Cableado estructurado 1/1/1984: AT&T pierde en juicio el monopolio de las telecomunicaciones en USA. Repentinamente las empresas son dueñas de su red de telefonía interior 1985: aparecen los primeros sistemas de cableado integrado. Las LANs pasan de usar cable coaxial al cable de pares 1991: aparecen los estándares de cableado estructurado EIA/TIA 568 e ISO/IEC Ambos estándares son muy similares, aunque difieren en algunos detalles, especialmente en nomenclatura. Objetivo: las recomendaciones y normativas de cableado estructurado tienen como objetivo ofrecer la infraestructura de cable para voz, datos y energía simultáneamente, sin reemplazamientos ni modificaciones excesivas. Ejemplo: suponed que una oficina está ocupada por la administración de una empresa, donde se requieren 2 ordenadores y 3 teléfonos. En el supuesto de una mudanza y ubicar allí una sala de 10 ordenadores y sin teléfonos, el cableado estructurado debe permitir sin obra alguna ni tendido nuevo de cables, conectar todos los equipos, con la simple configuración de un armario de cableado.

82 81 Los aspectos relevantes de una LAN fiabilidad (con posibilidad de detección y reparación de errores) conectividad de fácil uso, modificación e implementación (basada en estándares) Objetivos Funcionalidad: favorecer el nivel de aplicación entre usuarios y sus prestaciones (velocidad, seguridad, etc) Escalabilidad:permita el crecimiento sin grandes modificaciones Adaptabilidad:capaz de integrar nuevas tecnologías Manejabilidad:que permita una fácil monitorización Disponibilidad: respecto a la red, las prestaciones como tiempo de respuesta, productividad y acceso de los recursos Estos aspectos son tenidos en cuenta en el proceso del cableado estructurado.

83 82 Vocabulario MDF: main distribution facilities (servicio)…armario principal IDF: intermediate distribution facilities…armario de interconexión MCC: main cross connect…cableado del armario principal ICC: intermediate cross connect…cableado del armario de interconexión HCC: horizontal cross connect…cableado del armario de planta POP:point of presence Cableado vertical, backbone o columna, espina verteblal de la red Cableado horizontal Work area….area de trabajo Telecommunication closet...roseta RJ45 Armario de cableado: armario de características específicas que alberga el MCC, ICC o HCC

84 83 Factores críticos de una LAN -emplazamiento de servidores (localización de los servidores, que se pueden clasificar en de enterprise o servidores generales, comunes a toda la Intranet (ej DNS, , etc) y de trabajo en grupo (ej, impresora, etc)) -congestión y carga de la red, detectada básicamente por un aumento de colisiones en el medio compartido. Solución: segmentación

85 84 El proceso de diseño incluye los siguientes pasos -recopilar información y perspectivas Historia: recoger información de la empresa, analizar la información, aplicaciones en uso, topología actual, prestaciones Recursos específicos necesarios: en función de hw/sw y recursos humanos -determinar los patrones de tráfico y posible crecimiento Requisitos: protocolos necesarios, previsión de futuro y ampliación -localización de servidores -definiendo niveles de 1-3, con la topología LAN y WAN -recopilando la documentación, tanto física como lógica

86 85 Normativas y/o recomendación El cableado estructurado se describe en varias normativas como TIA/EIA 568 y ISO/IEC 11801(impedancias, colores, cableado horizontal) y TIA 569-A (distribución de cableado, backbones, armario de cableado, terminales, canalizaciones). La topología física de la red recomendada es en estrella extendida, de forma que el nodo central queda cerca del POP donde se encuentra la acometida de las operadores y podemos acceder a los enlaces WAN y la red de voz. A partir de dicho nodo central arranca tanto la red de datos como la red de voz. La topología lógica, es la que permite agrupar por grupos, por asignación de redes IP de forma lógica.

87 86 Topología lógica Switch Mantenimiento Ingeniería MarketingAdmini. Ventas RR.HH RouterWAN

88 87 Esquema general de cableado Los puntos de distribución MCC, ICC o HCC se realizan desde armarios de cableado. Se recomienda al menos un IDF por edificio y nunca más de un IDF entre MCC y HCC. La ubicación de los servidores principales o comunes a la Intranet se realiza en el MDF, mientras que los servidores de grupo sería en los IDF

89 88 Distancias recomendadas del cableado vertical Según la distancia entre los MCC, ICC y HCC, se pueden utilizar diferentes tecnologías LAN, p.ej para 2km 100BaseFX, para 500m 100BaseFX, 1000BaseSX,10Base5.

90 89 Localización del armario de cableado (Wiring Closet) Tamaño 3m x 2.8m para una densidad de 1 PC cada 10 m2 1 armario por cada 1000 m2, con la densidad de PCs anterior, es decir cada 100 PCs suelo de azulejo luz incandescente, no fluorescente en Europa, sin material ignífugo que es contaminante sin tuberías de agua sin falso techo con refrigeración si es MDF necesita 2 fases de alimentación 21ºC y 30-50% humedad 19 cm de polywood (material protector posterior) tomas eléctricas a 18 cm y 150 mm puerta de al menos 09m y con cerrojo

91 90 Cableado vertical y horizontal Cable de usuario

92 91 Componentes del cableado horizontal latiguillos dentro del armario de cableado: (patch cords o cables de conexión) <6 m Cable horizontal de 90 m (utilizando par ello el método de las áreas de solape de 50m) Latiguillos de usuario (o área de trabajo) de 3 m

93 92 Armario (o rack) de comunicaciones Latiguillo (3m ) Enlace básico (o Cable horizontal) (max. 90 m) Enlace de canal (max. 100 m) = enlace básico (cable horizontal) + latiguillos Roseta Latiguillo (6 m.) Switch o hub Panel de conexión o patch panel Cableado vertical y horizontal

94 93 Frec. (MHz) Atenuac.NEXTACR 12,56057,5 44,550,646,1 86,345,639, ,240,631,4 2010,33928,7 2511,437,426 31,2512,835,722,9 62,518,530,612, ,13,1 Frec. (MHz) Atenuac.NEXTACR 12,16057,9 4451,847,8 85,747,141,4 106,345,639,3 168,242,334,1 209,240,731,5 2510,339,128,8 31,2511,537,626,1 62,516,732, ,629,37,7 Valores límite de Atenuación, NEXT y ACR para instalaciones categoría 5 según EIA/TIA 568 Basic Link (Enlace básico) Channel Link (Enlace de canal)

95 94 Las dos formas estándar de cablear un conector RJ45 (EIA/TIA568) T568A T568B Par 3 Par 2 Par 1 Par 4 Par 2 Par 3 Par 1 Par 4 B/V V B/N A B/A NB/M M B/N N B/V A B/A M B/M V Colores:Par 1: A y B/A (Azul y Blanco/Azul) Par 2: N y B/N (Naranja y Blanco/Naranja) Par 3: V y B/V (Verde y Blanco/Verde) Par 4: M y B/M (Marrón y Blanco/Marrón) 10/100 BASE-T usa: Pines 1-2 para TX Pines 3-6 para RX

96 95 Cable UTP directo y cruzado Conect. A Blanco Anaranj ado Anaranj ado Blanco Verde Azul Blan co- Azul Verde Blanco Marrón Marrón Conect. B Blanco Verde Verde Blanco Anaranj ado Azul Blan co- Azul Anaranj ado Blanco Marrón Marrón Interfaces tipo DTE: host, routerInterfaces tipo DCE: hub, switch Cable directo: conector tipo A-conector tipo A, para interfaces diferentes, p.ej Pc-hub Cable cruzado: conector tipo A-conector tipo B, para interfaces iguales, p.ej hub-hub

97 96 Documentación a generar Diario de ingeniería: compras, direcciones, fechas, eventos,... Topología lógica Topología física Plan de distribución: cómo repartir los cables Tomas rotuladas Tendidos de cable rotulados Resumen del tendido de cables y tomas Resumen de dispositivos, direcciones MAC y direcciones IP Manual para caso de incidencias

98 97 Consideraciones varias Cableado: Tener cuidado al destrenzar los cables para crimpar No apretar demasiado las bridas que sujetan mazos de cable, porque pueden generar diafonía No forzar el radio de curvatura durante el tendido Toma de tierra: Protege de descargas localmente En diferentes edificios, aparecen diferencias de potencial, por lo cual es mejor conectar los equipos a través de fibra, de lo contrario se pueden producir descargas (la fibra no es conductora)

99 98 Ejemplo de cableado estructurado Universidad de Valencia Las instalaciones de la Universidad de Valencia se realizan actualmente con los siguientes cableados: –Cableado de backbone (entre edificios): fibra multimodo 62,5/125 de gran ancho de banda y monomodo 9/125 –Cableado vertical: fibra multimodo 62,5/125, cable UTP-5e (si la separacion es menor de 90m) con opción a agregación de canales –Cableado horizontal: UTP-5e

100 99 Sumario Principios básicos Medios físicos de transmisión de la información Cableado estructurado El sistema telefónico. Multiplexación PDH y SONET/SDH Ejemplos: Interfaces serie: RS-232 y otros POTS: Modems RDSI ADSL

101 100 Telefonía digital y PCM En las centrales telefónicas antiguas, las llamadas rotary con relés, las conversaciones siempre se transmitían de forma analógica de extremo a extremo, lo cual necesitaba el establecimiento físico de un circuito. La telefonía digital se implantó en los años 60 para simplificar la multiplexación de conversaciones y la amplificación de señales analógicas Por el teorema del muestreo, se ha visto que para reconstruir una señal analógica cuando pasa por un proceso de digitalización, la señal se muestrea veces por segundo (una vez cada 125 s) para extraer frecuencias de 0 a 4 KHz (Nyquist). Esta es una decisión de compromiso entre complejidad de los equipos de la época y calidad de sonido en el teléfono, que no una limitación del bucle de abonado (el par de cobre desde la centra hasta el usuario). Con ello, la central telefónica siempre generará 8000 muestras a 8 bits por muestras, un caudal de 64 Kbps, información digital que viajará entre las centrales. Ojo que esta información no es analógica, sólo digital. De los 64 Kbps, el usuario podrá utilizar como máximo Kbps según Shannon. El caudal binario entre las centrales de 64 Kbps está asociado a un canal.

102 101 Técnica PCM: PAM+Q Primera parte: muestreo Etapa de muestreoSeñal analógica Frecuencia de muestreo 8 KHz (8.000 muestras/s) Ancho de banda voz: 300 Hz a 3400 Hz Rango capturado= 0-4 KHz (Teorema de muestreo de Nyquist) [1] [1]: aquí la información útil, tras A/D es de Kbps, aunque el caudal sea de 64 Kbps

103 102 Etapa de muestreo Ruido de cuantización Técnica PCM= PAM+Q Segunda parte: conversión analógica-digital Europa: A-Law USA-Japón: Law Las leyes A y están relacionadas con la forma del cuantificador, de forma que permite ecualizar mejor el proceso Etapa de cuantización

104 103 Estructura jerárquica del sistema telefónico millones de teléfonos centrales finales centrales de facturación 230 centrales primarias 67 centrales seccionales 10 centrales regionales (completamente interconectadas)

105 104 Diseño del sistema telefónico Sin embargo, por márgenes de seguridad, las conversaciones se limitan en ancho de banda al margen de 300 a Hz, con lo cual tenemos disponible 3,1 KHz, aunque luego internamente en la central se muestrean a 4KHz. Esta decisión, tomada a nivel mundial, ha permitido actualmente la interoperatibilidad de las operadoras. La limitación a una ancho de banda de 3.1 KHz y la limitación a una S/N de 36 db fijado por el proceso de cuantifiación (ruido de cuantificación) en el proceso de muestreo, fija un máximo en la capacidad binaria tal como vimos con el Teorema de Shannon. OJO, esto sólo en el caso de utilizar la infraestructura analógica, es decir con muestreo, ya que si se utiliza infraestructura digital como RDSI, no se requiere ningún tipo de muestreo en la central.

106 105 ¿Cómo cursar varias conversaciones simultáneamente en los backbone? 1.Sobredimensionar la infraestructura y formar una malla completamente conectada, lo cual es carísimo e inviable 2.Utilizar multiplexación en frecuencia de las conversaciones, de forma que varias conversaciones viajen por el mismo cable en frecuencias diferentes. Esto es un proceso analógico, que se utilizó en los 60, pero cayó en desuso con la era digital 3.Utilizar multiplexación en tiempo, de forma que se ranura en tiempo en canal y las muestras de las conversaciones se intercalan.

107 106 1 Canal 1 1 Canal 2 1 Canal Frecuencia (KHz) Factor de atenuación Canal 1 Canal 2 Canal 3 Multiplexación por división en frecuencias Señales originales Señales desplazadas en frecuencia Señales multiplexadas FDM: Frequency Division Multiplexing –Ya no se utiliza, requiere costosos equipos y se adapta mal al proceso digital

108 107 Sistema Telefónico: multiplexación TDM y PDH TDM: Time Division Multiplexing –30 canales de voz, 1 canal de señalización y 1 canal de sincronización= línea E1 (2,048 Mbps) 32 canales x 8 bits/muestra= 256, 256 x = –4 * E1 más info. control (256 Kb/s) = línea E2 (8,448 Mbps), y así sucesivamente: 4 E2 = E3 = 139,264 Mbps; 4 E3 = E4 = 565,148 Mbps –En Estados Unidos y Japón usan otros sistemas de agrupamiento Para 23 canales de voz, 1 canal de señalización y se introduce un bit adicional de sincronización, por tanto ((23+1)canales x 8bit/muestra+1 bit)x 8000=1,544Mbps –Estos sistemas, todos incompatibles entre sí, se llaman Jerarquía Digital Plesiócrona (PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy) E1, E2, E3 y E4 son caudales PDH que ahora veremos.

109 108 Sistema Telefónico: multiplexación PDH Las velocidades más comunes en datos son: –64 Kb/s o un canal conocido como E0 –n x 64 Kb/s (E1 o T1 fraccional, n = 1, 2, 3, 4, 6 y 8) –2,048 Mb/s (E1) en Europa y 1,544 Mb/s (T1) en América –34,368 Mb/s (E3) en Europa y 44,736 Mb/s (T3) en América En cada caso podemos calcular el tamaño de trama dividiendo la velocidad por Así la trama de una línea E3 es de 537 Bytes. Ejemplos: –Trama E1: / = 256 bits = 32 bytes –Trama E2: / = bits = 132 bytes –Trama E3: / = 4296 bits = 537 bytes Observar que las tramas no son múltiples exactos por temas de sincronización (por bits de relleno): –E2 = 4 * E1 + 4 bytes –E3 = 4 * E2 + 9 bytes

110 109 Multiplexación PDH, sistema internacional (ITU-T) :1 Entran 4 E1 Sale un E2 139,264 Mb/s34,368 Mb/s Entran 4 E2 Sale un E3 8,448 Mb/s 4 * 2,048 Mb/s 4:1 Entran 4 E3 Sale un E4 Multiplexación PDH, sistema americano (ANSI) :1 7:1 Entran 4 T1 Sale un T2 274,176 Mb/s44,736 Mb/s Entran 7 T2 Sale un T3 6,312 Mb/s 4 * 1,544 Mb/s 6:1 Entran 6 T3 Sale un T4

111 Formato de una trama E1 y T1 E1: 1 trama = 125 s = 32 intervalos de 8 bits = Mb/s Alineamiento y sincronización de la trama Canal de señalización Canales de información (intervalos 1-15 y 17-31) T1: Intervalos 6 y 12 Bit de entramado 7 bits de información (56 Kb/s) Bit de señalización 8 bits de datos (64 Kb/s) Canales de información (intervalos 1-5, 7-11 y 13-24) 1 trama = 125 s = 24 intervalos + 1 bit = Mb/s

112 111 NivelCanalesNombreNorteaméricaJapónResto Mundo 01E00, T1 o DS11, E12, T2 o DS26,312 (4xT1) 2120E28,448 (4xE1) 3480E332,064 (5xT2)34,368 (4xE2) 3672T3 o DS344,736 (7xT2) 31440J397,728 (3xE3) 41920E4139,264(4xE3) 42016T4 o DS4274,176(6xT3) Niveles y caudales en la jerarquía PDH (en Mb/s) La frecuencia de muestreo es 8 KHz en todo el mundo (*) PDH: Plesiochronous Digital Hierarchy Los valores en negrita son los utilizados habitualmente para datos

113 112 Los cinco problemas de PDH 1.Incompatibilidad intercontinental 2.No pensada para fibra óptica (diseñada en los 60) 3.Capacidades máximas bajas: Japón 98 Mb/s, Norteamérica 274 Mb/s, Resto mundo 139 Mb/s 4.Carece de herramientas de gestión ni posibilidad de tolerancia a fallos 5.Para sincronizar diferentes tramas de niveles diferentes se utilizan bits de relleno, lo cual impide el multiplexado entre niveles no contiguos, es decir de un E1 a un E3 o un E4, sólo a un E2.

114 113 Las seis soluciones de SONET/SDH (Synchronous Optical NETwork/Synchronous Digital Hierarchy) 1.El sistema americano (SONET) no es idéntico al internacional (SDH) pero ambos son compatibles 2.Define interfaces de fibra óptica 3.La capacidad llega (de momento) a 10 Gb/s 4.Dispone de herramientas de gestión y tolerancia a fallos (recupera averías en 50 ms) 5.Utiliza punteros; permite el multiplexado entre niveles no contiguos 6.Permite seguir utilizando PDH en enlaces de menor capacidad

115 114 Sistema Telefónico: Multiplexación SONET/SDH En 1987 los laboratorios de investigación de las compañías telefónicas estadounidenses propusieron un nuevo sistema de multiplexado denominado SONET (Synchronous Optical NETwork) con cuatro objetivos: –Unificar velocidades a nivel intercontinental –Aprovechar mejor la transmisión por fibras ópticas –Llegar a velocidades superiores a las que conseguía PDH (140 Mb/s) –Mejorar la posibilidad de gestión y tolerancia a fallos de la red El nuevo sistema pretendía extender hacia arriba el PDH SONET no acoplaba bien con el sistema PDH internacional, por lo que la ITU desarrolló para Europa otro sistema parecido denominado SDH (Synchronous Digital Hierarchy)

116 115 SONET/SDH SONET es un estándar ANSI (americano), SDH es ITU-T (internacional). Ambos son compatibles. En SONET/SDH se define un formato de trama, que es capaz de transportar un T3. Nivel base SONET: 51,84 Mb/s. –Interfaz eléctrico: STS-1 (Synchronous Transfer Signal – 1) –Interfaz óptico: OC-1 (Optical Carrier – 1) –Todas las demás velocidades son múltiplos exactos de esta, ej: OC-12 = STS-12 = 622,08 Mb/s Nivel base SDH: 155,52 Mb/s (3 x 51,84) –Interfaz óptico: STM-1 (Sychronous Transfer Module – 1) –Todas las demás velocidades son múltiplos exactos de esta, ej.: STM-4 = 622,08 Mb/s

117 116 Velocidades de SONET (ANSI) En 1987 los laboratorios de investigación de la Bell propusieron un nuevo sistema de multiplexado denominado SONET (Synchronous Optical NETwork) para sustituir a PDH, con una velocidad base de 51,84 Mb/s. Los caudales más utilizados están en negrilla: Señal eléctricaSeñal ópticaCaudal (Mb/s) STS-1OC-151,84 STS-2OC-2103,68 STS-3OC-3155,52 STS-4OC-4207,36... STS-12OC-12622,08... STS: Synchronous Transfer Signal OC: Optical Carrier Puede transportar un T3 (44,736 Mb/s)

118 117 T1. T1 T3 Conversor electro-óptico Codificador (scrambler) Multiplexor 3:1 Multiplexor 4:1 OC-12 STS-12 STS-3 STS-1 STS-3 Multiplexación SONET Transportando PDH Tramas PDH (ANSI) Tramas SONET El scrambler se encarga de transformar los bits para evitar patrones que impidan sincronismo.

119 118 Velocidades de SDH (ITU-T) La velocidad base de SONET no acoplaba bien con el PDH de la ITU-T, por lo que ésta desarrolló otro sistema parecido denominado SDH (Synchronous Digital Hierarchy), con una velocidad base de 155,52 (igual que STS-3). Los caudales más utilizados están en negrilla : Señal eléctrica u óptica Equivalencia SONET Caudal (Mb/s) STM-1STS-3, OC-3155,52 STM-2STS-6, OC-6311,04 STM-3STS-9, OC-9466,56 STM-4STS-12, OC-12622,08... STM-16STS-48, OC , STM: Synchronous Transfer Module Puede transportar un E4 (139,264 Mb/s)

120 119 E3 E1. E1 E3 Conversor electro-óptico Codificador (scrambler) Multiplexor 4:1 OC-48c STM-16 STM-4 STM-1 STM-4 Tramas PDH (ITU) Tramas SDH E3 STM-1 Multiplexación SDH Transportando PDH

121 120 Router con interfaces SDH STM-4 (622 Mb/s) STM-1 (155 Mb/s)

122 121 Elementos físicos de SONET/SDH Una red SONET/SDH está formada por: –Repetidores –Multiplexores, llamados ADMs (Add-Drop Multiplexor). Permiten intercalar o extraer tramas (p. Ej. una STM-1 en una STM-4). Permiten crear anillos. –Digital Cross-Connect: actúan como los ADMs pero permiten interconexiones más complejas (con más de dos puertos). A menudo se utilizan topologías de anillo para aumentar la fiabilidad.

123 122 Configuración de las redes SONET/SDH Según su topología las redes SONET/SDH pueden ser: –Punto a punto: todos los circuitos empiezan y terminan en el mismo equipo. –Punto a multipunto: los circuitos empiezan o terminan en equipos diferentes. –Anillos: permiten disponer de un camino redundante a un costo mínimo. –Redes malladas: generalmente se constituyen a partir de anillos interconectados.

124 123 Topologías SONET/SDH Punto a punto de 4 canales (A, B,C y D): Punto a multipunto de 5 canales (A, B, C, D y E): ADM: Add-Drop Multiplexor REP: Repetidor ABCDABCD ABCDABCD D E ABCDABCD ABCEABCE STM-1 (155,52 Mb/s) STM-4 /622,08 Mb/s) Los enlaces SONET/SDH siempre son full dúplex REP X YZ

125 124 Sección: unión directa entre dos equipos cualesquiera Línea: unión entre dos ADMs contiguos Ruta: unión entre dos equipos finales (principio-fin de un circuito) Sección Línea Sección Ruta (A, B y C) Línea Multiplexor Origen Multiplexor Intermedio Multiplexor Destino Repetidor ADM: Add-Drop Multiplexor Enlaces en una red SONET/SDH ABCDABCD ABCEABCE D E REP Ruta (D)Ruta (E) X YZ

126 125 Arquitectura de SONET/SDH SONET/SDH divide la capa física en cuatro subcapas: –Fotónica: transmisión de la señal y las fibras –De sección: interconexión de equipos contiguos –De línea: multiplexación/desmultiplexacion de circuitos entre dos ADMs –De rutas: problemas relacionados con la comunicación extremo a extremo De Ruta De Línea De sección Fotónica ADM Origen Repetidor ADM Intermedio ADM Destino Sección Línea Ruta Línea Sección

127 126 Anillo SONET/SDH con 3 rutas STM1 STM-1 (155,52 Mb/s) STM-4 /622,08 Mb/s) A B C Topología lógica En el STM4, quedaría libre para un STM1. Destacar que las rutas son asimétricas, completando el anillo: desde A-adm Y- adm Z- A hacia A-adm Z- adm W- adm X- adm Y- A B A B C C A X Y Z W

128 127 Funcionamiento de un anillo SONET/SDH usando solo una fibra STM-1 (155,52 Mb/s) A A Con una sola fibra en el anillo se tiene comunicación full dúplex B B C C Ocupación: 3 * STM-1 = 466,56 Mb/s Sobran 155,52 Mb/s (un STM-1) X Y Z W

129 128 Recuperación de averías en anillos SDH (doble anillo) Tráfico de usuario Tráfico de usuario Funcionamiento normal Avería Corte en la fibra Los ADMs realizan un bucle y cierran el anillo en 50 ms ADM Tráfico de usuario Reserva ADM

130 129 Bastidor de un ADM STM-4 (622 Mb/s) Baterías 48 V Fuentes de Alimentación (redundantes) Electrónica redundante Entrada de fibras monomodo

131 130 Detalle de la electrónica de un ADM STM-1 Rx Tx Anillo principal Rx Tx Anillo de respaldo Tarjeta STM-1 primaria Tarjeta STM-1 de reserva

132 131 Uso de Digital Cross Connect para 6 rutas STM1 Digital Cross-Connect A A B B C D C D E E F F A y B ocupan capacidad en ambos anillos Los dos anillos están saturados: hay 4 rutas STM1 en los STM4 A, B, C, DA, B, E, F STM-1 (155,52 Mb/s) STM-4 /622,08 Mb/s)

133 132 Overhead Sección Carga útil 86 columnas x 9 filas = 774 Bytes 774 x 8 = 6192 bits 6192 x 8000 = 49,536 Mb/s Overhead Línea Overhead ruta Estructura de trama SONET: STS-1 (OC-1) Con salida de tramas cada 125 us Columnas: filas Caudal: 90 x 9 = 810 Bytes = 6480 bits 8000 tramas por segundo (una cada 125 s): 6480 bits/tr x 8000 tr/s = bits/s El overhead permite la gestión de la red > T3

134 133 R S Carga útil L R S L Trama SONET: STS-3 (OC-3) Con salida de tramas cada 125 us R: ruta, S: sección, L: línea Tamaño: 90 x 9 x 3= 2430 Bytes = bits Caudal: x 8000 = 155, bits/s Carga útil: 86 x 9 x 3 = 2322 Bytes = bits Caudal útil: x 8000 = 148,608 Mb/s Formada por tres tramas STS-1 (como tres vagones): R S Carga útil L col. 9 filas

135 134 R S Carga útil L Trama SDH: STM-1 Con salida de tramas cada 125 us R: ruta, S: sección, L: línea Carga útil: ( = 260 ) x 9 = 2340 Bytes = bits Caudal útil: x 8000 = 149,76 Mb/s En SONET se ha definido la trama STS-3c (OC-3c) que es igual a la STM-1 (c = catenated) para compatibilidad con SDH. También hay STS-12c, STS- 48c, etc. S Carga útil L S L Sistema Europeo, como la STS-3 pero la información de ruta sólo aparece en la primera (como tres vagones enganchados): 87 col. 86 col filas

136 135 A B CD Se quiere interconectar cuatro routers con una topología de anillo: Enlace OC-3c full dúplex (155 Mb/s) Ejemplo de uso de SONET/SDH Conexión GigabitEth

137 136 Problemas de SONET/SDH La máxima velocidad disponible en equipos comerciales SONET/SDH es OC-192 (STM-64) = 10 Gb/s. Tecnológicamente es muy difícil superar este límite Si se quiere más capacidad hay que emplear varias fibras. Pero a veces no quedan fibras ópticas libres y es muy caro tirar nuevas (especialmente cuando se trata de largas distancias) Solución: WDM (Wavelength Division Multiplexing, multiplexación por división en longitudes de onda) consiste en: Enviar varias señales a diferentes longitudes de onda (diferentes ) por una misma fibra (luz de varios colores ) de forma que cada lleva una TDM independiente de las otras.

138 137 Funcionamiento de WDM ( Wavelegth Division Multiplexing )

139 138 Sumario Principios básicos Medios físicos de transmisión de la información Cableado estructurado El sistema telefónico. Multiplexación PDH y SONET/SDH Ejemplos: Interfaces serie: RS-232 y otros POTS: Modems RDSI ADSL

140 139 DTE y DCE Data terminal Equipment (DTE): es el equipo que solicita la conexión, por ejempl un ordenador PC, un router. La interfaz serie física que poseen es MACHO. Data Communication (o Circuit)Equipment (DCE): es el equipo que ofrece el soporte para la conexión, por tanto tiene acceso a la portadora, a la sincronización, etc La interfaz serie física que poseen en HEMBRA. Cuando realizamos una conexión serie, siempre hay un equipo que se comporta como un DTE y otro como DCE. Obviamente, las funcionalidades son totalmente diferentes. Como vemos a continuación, pines de salida de un conector DTE serán entrada en DCE y viceversa. Hay equipos donde es difícil saber si la conexión serie que poseen es DTE o DCE. HAY QUE CONSULTAR EL MANUAL ;-( Ejemplo: 1.-para conectar un PC a un modem, el DTE es el PC y el DCE es el modem 2.-para conectar un router a una operadora para una conexión WAN, el DTE es el router y el DCE es equipamiento de la operadora que nos va a ofrecer el sincronismo

141 140 UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter DATA Start bitStop bits Circuitos integrados UART más utilizados (todos son compatibles): 8250 UART sin buffer, UART con 1 byte buffer, UART - 16 byte buffer. Es el circuito electrónico utilizado para enviar y recibir información por el puerto serie. Su función es convertir bytes en bits serie para transmitirse a bits por segundo.

142 141 UART La información mandada por la UART es asíncrona a nivel de palabras, sin embargo si hay sincronismo a nivel de bit. Por ejemplo, si la transmisión serie de nuestro PC es de 2400 bps, quiere decir que cada bit dura 1/2400 segundos, pero entre palabra y palabra enviada, puede pasar mucho tiempo. Las cadenas de bits son protegidas por información adicional (o de control, overhead) como: bit de start (comienzo para indicar el comienzo de la cadena) bits de datos, que es la propia cadena a enviar bit de paridad (que indica si hay número par o impar de 1s en la cadena para detección de error) bit de stop (o parada, para marcar el fin de la cadena de bits) Notación : por ejempo 8n1 (1 bit de start, 8 bits de datos, non-parity, 1 bit de stop) Ejemplo: Si la transmisión es de 2400 bps con una trama de 8n1, quiere decir que de cada 8 bits útiles mandados, realmente mandamos 10, por tanto los 2400 bps se convierten en 1920 bps útiles.

143 142 Pines de conexión RS232- DTE Pin DB9 Pin DB25 Signa l DescriptionI/O DTE 18CDCarrier DetectIn 23RDReceive DataIn 32TDTransmit DataOut 420DTRData Terminal Ready Out 57SGSignal Ground- 66DSRData Set ReadyIn 74RTSRequest to SendOut 85CTSClear to SendIn 922RIRing IndicatorIn La tensión de la línea 232 es –12 voltios para 1 y +12 voltios para 0 La norma V.28 fija los aspectos eléctricos y V.24 fija la asignación de pines. Longitud máxima de cable de 15 metros.

144 143 Protocolo RS232 Protocolo con control de flujo HW: Las líneas DSR y DTR son las primeras en activarse cuando existe alimentación en los equipos. Estando ambas activadas, cuando el DTE quiere mandar información lo hace activando la línea RTS. Si el DCE tiene establecida conexión y puede cursar la información, activa la línea CTS. Si quiere deshabilitar el envío, desactiva CTS y el DTE deja de mandar información. Existen otros protocolos utilizados en la transmisión serie, que permiten el envío de la información sin necesidad de cablear las patillas del control de flujo hardware. Estos protocolos se llaman de control de flujo sw que veremos en la capa de Nivel de Enlace de Datos, por ejemplo XON/XOFF

145 144 Protocolo hardware RS-232 RTS CTS Tx xxxxxxxxxxxxxx

146 145 Conexiónes RS-232 DTE-DCE completoDTE-DCE simple Referencias a pines del conector DB-25

147 146 Null Modem: conexión DTE a DTE Conexiónes RS-232 Loopback Plug for testing a Serial Port Referencias a pines del conector DB-25

148 147 Baud Rate (baudios) La UART 8250 y compatibles, tiene un reloj de MHz, que se divide por 16, generando un sincronismo para enviar bits a una tasa como máximo a bps (Otras UART utilizan relojes más rápidos y podemos alcanzar velocidades mayores, p.ej bps). Ejemplo: Si queremos enviar a 2400 bps, debemos dividir el reloj por un múltiplo de 16 (=baud rate * 16), es decir: 2400 = *10 6 /(baud rate * 16) y operando baud rate =1.8432*10 6 /(2400 * 16) = 48 Este valor o consigna baudrate se carga en los registros de la UART, en 2 registro de configuración de la UART llamado Divisor Latch (DL): DLL que contiene los 8 bits menos significativos y DLH contiene los 8 bits más significativos.

149 148 Programando la UART 8250 La programación de la UART se realiza leyendo y escribiendo en los siguientes registros. Base Address Mode Name +0 (DLAB=0)WriteTransmitter Holding Buffer THR +0 (DLAB=0)ReadReceiver Buffer RBR +0 (DLAB=1)Rd/WrDivisor Latch Low Byte DLL +1 (DLAB=0)Rd/WrInterrupt Enable Register IER +1 (DLAB=1)Rd/WrDivisor Latch High ByteDLH +2ReadInterrupt Idendification Register IIR +2WriteFIFO Control RegisterFCR +3Rd/WrLine Control Register LCR +4Rd/WrModem Control RegisterMCR +5ReadLine Status Register LSR +6ReadModem Status Register MSR +7Rd/WrScratch RegisterSCR DLAB: Divisor Latch Access Bit (bit 7) del registro LCR para cargar el valor del baud rate

150 149 Dirección de los registros de configuración La arquitectura 80x86 de Intel, gestiona la entrada salida utilizando instrucciones especiales a puertos llamados IN and OUT access I/O Ports. Las direcciones de los I/O Ports se encuentra en el espacio de direcciones de I/O (entrada/salida). El PC tiene puertos estándar para el acceso a la interfaz serie, llamados puertos COM1 - COM4, que son mapeados en las siguientes direcciones e interrupciones (IRQ, Interrupt Request): Name Port address IRQ COM 13F84 COM 22F83 (utilizado por el ratón normalmente) COM 33E84 COM 42E83

151 150 Para mandar una palabra: pasos a seguir Fija el baud rate en DLL y DLH activando el flag DLAB. Fija la paridad, fija la longitud de palabra y los bits de stop del registro LCR. Escribe la palabra en el registro THR, que se escribirá en el TSR (Transmit Shift Register) que envía bit a bit por la línea TD. La recepción se realiza por la línea RD y se guarda en el registro RBB. THR TSRTD

152 151 Line Control Register (LCR) Controla los datos que hay en las líneas TD and RD lines: Bits 0,1: longitud de la palabra, de 5 a 8 bits. –00: 5 bit –01: 6 bit –10: 7 bit –11: 8 bit Bit 2: longitud del stop bit. –0: 1 bit –1: 1.5 bit Bit 3,4: paridad, si bit 3 =1, hay paridad. Si hay paridad, la paridad par se activa con bit 4=1 Bit 7: Fija el bit DLAB (Divisor Latch Access Bit). –0: habilita el acceso a RBR, THR, y IER. –1: habilita el accesso a DLL y DLM (para el baud rate).

153 152 Line Status Register (LSR) LSR muestra el estado de la comunicación, errores de transmsión, etc. Bit 0: Data Ready (DR). Podemos leer de recepción. El proceso de lectura borra el bit. Bit 1: Overrun Error (OE). Se ha sobreescrito el registro RBB si haber leido la anterior. Este flag se borra cuando se lee LSR. Bit 2: Parity Error (PE). Ocurrió error de paridad. Se resetea leyendo LSR. Bit 3: Framing Error (FE). Se activa si no se recibe un bit de stop correcto. Bit 5: Transmitter Holding Register Empty (THRE). El THR está vacio. Bit 6: Transmitter Shift Register Empty (THRE). EL TSR está vacio.

154 153 Otros interfaces serie Además de la RS-232, existen para mayores distancias tecnologías alternativas como RS-449 con misma norma V.24, que alcanza máximo1200 metros, un máximo de velocidad de 2Mbps con un conector de 32 pines. Está basadon en transmisión diferencial. La RS-442 es una tecnología multipunto que utiliza también transmisión diferencial. Otro interfaz serie muy utilizado en los routers es el V.35, que funciona a velocidades de hasta E1 (2Mbps), síncrona, con conector de 34 pines.

155 154 Sumario Principios básicos Medios físicos de transmisión de la información Cableado estructurado El sistema telefónico. Multiplexación PDH y SONET/SDH Ejemplos: Interfaces serie: RS-232 y otros POTS: Modems RDSI ADSL

156 155 Ordenador Módem Central Telefónica de origen Central Telefónica de destino Central Telefónica intermedia Códec Equipo de usuario Información digital (cable corto) Información digital (cable corto) Información analógica (bucle de abonado analógico) Información analógica (bucle de abonado) Información digital (enlaces troncales del operador)) Comunicación típica entre dos ordenadores a través de la red telefónica a cortas distancias POTS: Plain Old Telephone Service El sistema de señalización se realiza dentro de banda, a diferencia de la RDSI que tiene una canal de señalización diferente, lo que se llama señalización fuera de banda.

157 156 Establecimiento de una comunicación telefónica de media o larga distancia Central Telefónica final Central Telefónica final Central Telefónica de facturación Central Telefónica primaria Central Telefónica de facturación Bucle de abonado Bucle de abonado Enlace de central final Enlace de central final Enlaces entre centrales de facturación Códec

158 157 Problemas en Sistema Telefónico y Módems Atenuación: se evita usando amplificadores, pero no todas las frecuencias se amplifican por igual. Distorsión: no todas las frecuencias viajan a la misma velocidad, problema similar al de las fibras ópticas Supresores de eco: se utilizan para distancias mayores de Km (20 ms); impiden la comunicación full dúplex. Se deshabilitan con señales especiales (secuencias de entrenamiento para pactar la velocidad entre ambos extremos) o mediante canceladores de eco.

159 158 Eco en telefonía analógica Central Telefónica Efecto de eco Conversación Eco Circuito híbrido 2-4 hilos Circuito híbrido 2-4 hilos Central Telefónica El efecto de eco es molesto si el retardo supera 45 ms

160 159 Solución al eco: Funcionamiento de un supresor de eco Supresor de eco Circuito de dos hilos 1: A hablando a B AB AB 2: B hablando a A El proceso es conmutar a Half Duplex, pero los modems son Full Duplex. Estos supresores se pueden deshabilitar mandando un tono especial.

161 160 ECEC Solución al eco: Funcionamiento de un cancelador de eco Eco Conversación Central Telefónica Circuito híbrido 2-4 hilos Circuito híbrido 2-4 hilos Canceladores de eco (EC) Es un procesado digital de la señal, de efecto equivalente o similar a un supresor de eco.

162 161 Red telefónica Internet Teléfonos analógicos o digitales Módem o adaptador Ordenador Acceso a Internet con línea telefónica POP del ISP Domicilio del abonado 33,6/56 Kb/s (analógico) 64 Kb/s (RDSI) POP: Point Of Presence ISP: Internet Service Provider

163 162 Estándares de módems para RTC Estándar ITU-T Velocidad máx. desc./asc. en Kb/s BaudiosBps/baudioFecha aprobac. V.210,3 / 0,33001 V.221,2 / 1,21200/6001 V.22 bis2,4 / 2,42400/ V.329,6 / 9,624004/21984 V.32 bis14,4 / 14,424006/5/4/3/21991 V.3428,8 / 28,83429Hasta 9,9 (8,4 efectivos)1994 V.34+33,6 / 33,63429Hasta 10,7 (9,8 efectivos)1995 V.9056 / 33,61998 V.92/V.4456 / 48 (1)2000 (1) Con compresión

164 163 Compresión en el modem

165 164 Funcionamiento de los modems de 56K V.90 y V.92 El servidor se conecta en forma digital a la trama digital de la compañía telefónica. La señalización del servidor usa 256 códigos PCM (8 bits), sin conversión AD y sin ruido de cuantización. La central telefónica del cliente convierte el código PCM enviado a su correspondiente analógico, es decir realiza una conversión DA, que no posee ruido de cuantización. El cliente reconstruye el código PCM enviado, decodificando de esta manera la información enviada por el servidor. Velocidad de bajada ideal ( downstream ): 8000 x 8 = 64 Kbps; pero a fin de evitar errores utiliza 128 niveles (7 bits) más robustos de PCM-> 56 Kbps. Velocidad de subida ( upstream ) de cliente a servidor, 33.6 Kbps. El límite teórica esté es 37,1Kbps, fijado por el ruido de cuantificación, ya que la subida ha de ser analógica con entrada a la central por los circuitos de voz con BW de 3.1KHz

166 165 Red telefónica Internet Teléfonos analógicos Módem analógico Ordenador Acceso a Internet con línea telefónica con 56K V.90 y V.92 SERVIDOR en POP del ISP Domicilio del abonado Bucle abonado analógico POP: Point Of Presence ISP: Internet Service Provider Conexión digital A/D: 33.6 kbps Digital (PCM): 56 Kbps CLIENTE del ISP

167 166 Comandos HAYES o AT La configuración de los modem se realiza de modo local y los comandos utilizados para configurarlos son heredados de un fabricante y se llaman comandos HAYES o comandos AT (ATTENTION). Se considera un estandar de facto. Estos comandos, algunos son generales y sirven para todos los modems, otros no. Los comandos son sentencias en ASCII y la contestación por parte del modem puede ser tanto en ASCII como en formato numérico. El modem responde a estos comandos simplemente por una conexión directa por el puerto serie del ordenador, utilizando un programa terminal como ejemplo hiperterminal en Win2K o minicom en LINUX. Para configurar un modem, uno no se puede escapar de leer los registros de configuración y comandos aceptados por el modem. Hay que leerse el manual de usuario ;-(

168 167 Comandos HAYES o AT Ejemplo de comandos habituales: ATDT43524: equivale a Attention, dial tone ATA: Attention Answer de Incoming Call AT&F: carga la configuración por defecto ATS0=2; configura el modem en su registro S0 con el valor 2, para que descuelgue el teléfono en el segundo tono de la llama entrante, para poder dar tiempo a la operadora poder identifacar el número del llamante. Se realiza por seguridad. AT&W: guarda la configuración en el modem ATH: para colgar una llamada (hang) AT&V: muestra la configuración de tu equipos, si es un modem completamente compatible con Hayes Existen otros comandos para quitarle la voz, para escribir en registros, para marcación por pulsos, … Una vez establecida la conexión, para indicar la desconexión al equipo remoto señalizamos con +++ y posteriormente colgamos localmente con ATH.

169 168 Comandos HAYES o AT (específicos de fabricante)

170 169 Protocolos de transmisión de ficheros Técnicas utilizadas en conexiones punto a punto por modem para intercambiar información (no existe pila TCP/IP): ASCII – sólo ASCII sin compresión ni detección de error XMODEM – transferencia de bloques de 128 bytes y con checksum (suma de todos los bytes en complemento a 1) YMODEM – transferencia de bloques de 1024 bytes con CRC (Ciclyc Redundant Check, ver Capa de Enlace) ZMODEM – utiliza tanto X como Y modem, incorporando una negociación inteligente y permitiendo recuperar el estado de una conexión establecida en el caso de rotura. KERMIT – protocolo síncrono utilizado para envío de fichero a o hacia un supercomputador. Actualmente está poco utilizado

171 170 Sumario Principios básicos Medios físicos de transmisión de la información Cableado estructurado El sistema telefónico. Multiplexación PDH y SONET/SDH Ejemplos: Interfaces serie: RS-232 y otros POTS: Modems RDSI ADSL

172 171 RDSI (ISDN) de banda estrecha Red Digital de Servicios Integrados Los POTS tienen como inconveniente la baja velocidad por el proceso de cuantificación y la lentitud de establecimiento de llamada. Objetivo de RDSI: llegar de forma digital a casa del usuario. El teléfono actúa como un códec muestreando la señal a 8 KHz; se genera un byte por muestra (canales de 64 Kb/s). Dos tipos de canales: –Canales B (Bearer, portador): 64 Kb/s, sirven para llevar la voz o datos del usuario. Puede haber un número variable según el tipo de interfaz –Canal D (Data): se usa para señalización fuera de banda (establecer o terminar la llamada, información de control, etc.). Hay uno por interfaz

173 172 RDSI Dos tipos de interfaces: –Básico o BRI (Basic Rate Interface): 2 canales B y uno D de 16 Kb/s (2B + D) + 16 Kb/s de sincronización y entramado; 160 Kbps en total. –Primario o PRI (Primary Rate Interface): En Europa 30B + D (una línea E1); en América y Japón 23B + D (una línea T1). Canal D de 64 Kb/s. Una ventaja de RDSI es la posibilidad de activar canales B bajo demanda a petición de la capa de enlace, por ejemplo con el protocolo PPP. RDSI es muy adecuado para datos cuando la conexión es de pocas horas al día. También para configuraciones de emergencia (backup) Este servicio es ofrecido por Telefónica como NOVACOM.

174 173 RDSI RDSI: Interfaces BRI (2B + D) Switch TTE1 TA S TE2 R NT2NT1 U Domicilio del abonado Central telefónica Bucle de abonado (2 hilos) 5,5 Km max. Bus RDSI (4 hilos) Conector RJ45 En el bus S/T pueden conectarse hasta 8 equipos. El bus S/T lleva alimentación de 50 voltios. OJO con las tarjetas de red. NT: network termination, TE: terminal equipment, TA: terminal adaptor El NT contiene un circuito híbrido que multiplexa en el mismo par de hilos las señales de transmisión recepción

175 174 Equipos NT1 y NT2 El interfaz U es ofrecido en EEUU para acceso a la RDSI y por tanto el usuario ha de comprar el NT1. En Europa, el NT1 es de la operadora y por tanto los usuarios acceden al bus S/T directamente. En el caso de conectar varios equipos, tanto de voz como de datos, se requeriría un NT2 que viene a ser como una centralita privada.

176 TE NT Transmit Receive Alimentación eléctrica opcional Estructura de la interfaz S/T de RDSI (BRI) Conector RJ45 (ISO 8877) Señales: El cableado puede ser mayor que 100 m, pero por compatibilidad con cableado estructurado se fija a 100m.

177 176 Tipos de switch RDSI BRI: basic rate interface PRI: primary rate interface Es necesario especificar el tipo de switch al que nos vamos a conectar.

178 177 Sumario Principios básicos Medios físicos de transmisión de la información Cableado estructurado El sistema telefónico. Multiplexación PDH y SONET/SDH Ejemplos: Interfaces serie: RS-232 y otros POTS: Modems RDSI ADSL

179 178 La limitación de los enlaces telefónicos (subida 33,6 y bajada 56 Kb/s) no se debe al cable de pares sino al canal de 3,3 KHz con el que operan las operadoras para voz. RDSI solo consigue 64 Kb/s (también usa red telefónica). Cobre es capaz de velocidades mayores, hasta 1 MHz aprox. (ver gráficas siguientes), prescindiendo del sistema telefónico. ADSL utiliza solo el bucle de abonado de la red telefónica; a partir de la central emplea una red paralela para transportar los datos. Actualmente estos servicios se venden como GigADSL con servicio de tarifa plana por Telefónica, con diferentes accesos 256/128, 512/128, 2M/300 Esta tecnología está soportada por ATM, con la cual se controlan los caudales de los usuarios, a través de circuitos virtuales. Fundamentos técnicos ADSL: Asymetric Digital Suscriber Loop

180 179 Fundamentos técnicos de ADSL ADSL utiliza frecuencias a partir de KHz para ser compatible con el teléfono analógico (0-4 KHz). No es compatible con RDSI. Comunicación es full dúplex. Para evitar ecos y NEXT generalmente se asigna un rango de frecuencias distinto en ascendente y descendente. Se reserva una anchura mayor al descendente (1000 KHz) que al ascendente (100 KHz). La comunicación es asimétrica. Para reducir el crosstalk se pone el canal ascendente en las frecuencias mas bajas, porque el usuario dispone de equipos menos sofisticados. ADSL resuelve las diferentes respuestas del cable frente a las frecuencias, utilizando diferentes modulaciones simultáneamente.

181 180 Relación Capacidad/grosor /alcance en ADSL La capacidad depende también de la calidad del cable. Si el bucle de abonado tiene muchos empalmes la capacidad se reduce. En ADSL los caudales que se especifican son siempre netos, es decir ya está descontado el overhead debido a la corrección de errores (FEC: Forward Error Correction). Caudal Desc. (Mb/s) Grosor (mm) Distancia (Km) 20,55,5 20,44,6 6,10,53,7 6,10,42,7

182 181 Atenuación en función de la frecuencia para un bucle de abonado típico 3,7 Km 5,5 Km Frecuencia (KHz) Atenuación (dB)

183 182 Switch telefónico Red telefónica Internet DSLAM (ATU-C) Splitter Teléfonos analógicos Modem ADSL (ATU-R) Bucle de Abonado (5,5 Km máx.) Ordenador Altas Frecuencias Bajas Frecuencias Configuración de una conexión ADSL Central Telefónica Domicilio del abonado Splitter DSLAM: DSL Access Multiplexor ATU-C: ADSL Transmission Unit - Central ATU-R: ADSL Transmission Unit - Remote

184 183 Internet Red telefónica DSLAM Conmutador ATM Conmutador telefónico Central telefónica ISP Usuario ADSL Usuario RTC (RTB o RDSI) Splitter Comparación de la Conexión a Internet mediante ADSL y por red telefónica conmutada

185 184 Módems ADSL (ATU-Remote) El módem ADSL puede ser: –Externo: conectado al ordenador por: Ethernet 10BASE-T ATM a 25 Mb/s Puerto USB –Interno, conectado al bus PCI del ordenador También existen routers ADSL/Ethernet y conmutadores ADSL/ATM. La tecnología ADSL está soportada por ATM

186 185 Técnicas de modulación ADSL Se han desarrollado dos técnicas de modulación: –CAP: sistema más antiguo, sencillo y de costo inferior. Menor rendimiento. Estandarización más retrasada y poco utilizado. –DMT: sistema mas reciente, sofisticado y más caro. Mayor rendimiento. Estandarizado por el ANSI y la ITU-T.

187 186 DMT (Discrete MultiTone) 256 subcanales (bins) de 4,3125 KHz de anchura (frecuencias KHz). Los bins mas bajos se reservan para la voz, los siguientes se asignan al tráfico ascendente y el resto al descendente. Los datos se envían repartidos entre todos los bins Cada bin tiene una atenuación relativamente constante. En cada bin se usa la técnica de modulación óptima según su relación señal/ruido. La necesidad de distribuir el tráfico en los bins requiere que el módem tenga un procesador muy potente.

188 187 Reparto de bins en ADSL DMT UsoBinsRango frecuencias (KHz) Teléfono analógico ,9 Tráfico ascendente ,9-168,2 Tráfico descendente , Existe reservado solape entre tráfico ascendente y descendente, pero no quiere decir que se use simultáneamente

189 188 Espectro de ADSL DMT Frec. 04 kHz kHz CanalDescendenteCanalAscendenteTeléfonoanalógico 30 kHz kHz Bin Amplitud

190 189 Modulaciones utilizadas en una conexión ADSL DMT 4 Ksímbolos/s por bin. Eficiencia máxima: 16 bits/símbolo Frecuencia Energía 0 MHz1 MHz Sin Datos QPSK16 QAM64 QAM 16 QAM Bin

191 190 Proceso de negociación de un módem ADSL. 3: En base a la relación señal/ruido se decide la codificación a emplear en cada bin, y con ello la cantidad de bits por segundo enviados en cada uno Frecuencia (KHz) Eficiencia (bits/s/bin) 2: A partir de los resultados obtenidos se determina la relación señal/ruido para el enlace a cada una de las frecuencias que se van a utilizar Frecuencia (KHz) Relación señal/ruido (dB) 1: Se envía una señal de prueba en toda la gama de frecuencias para determinar la calidad de cada bin Frecuencia (KHz) Señal de prueba

192 191 Intereferencias externas en ADSL Se muestra aquí la influencia de algunas interferencias en el resultado del proceso de negociación. Como antes se envía una señal de prueba en toda la gama de frecuencias para determinar la calidad de cada bin En este caso tenemos una derivación debida a un cable no retirado de una instalación anterior. Esto produce una pérdida de calidad de la señal en una determinada frecuencia. También hay una interferencia de emisora de AM Frecuencia (KHz) Relación señal/ruido (dB) Señal de prueba Emisora de onda media (AM) Derivación Como consecuencia de estos problemas los módems han decidido reducir la eficiencia en el bin correspondiente a la derivación, e inhabilitar por completo el bin correspondiente a la frecuencia de la emisora de onda media Frecuencia (khZ) Eficiencia (bits/s/bin) Bin deshabilitado

193 192 ADSL G.Lite: ITU-T G992.2: splitterless ADSL requiere instalar en casa del usuario un filtro de frecuencias o splitter (teléfono de ADSL). El splitter aumenta costo de instalación y limita el desarrollo. ADSL G.Lite suprime el splitter. También se llama ADSL Universal o ADSL splitterless. Sin splitter hay más interferencias, sobre todo a altas frecuencias. Es más caro y menos eficiente, pero es más barata la instalación.

194 193 Red telefónica Internet DSLAM (ATU-C) Modem ADSL (ATU-R) Bucle de Abonado (5,5 Km máx.) Altas Frecuencias Bajas Frecuencias Configuración de ADSL G.Lite o splitterless Central Telefónica Domicilio del abonado Altas y bajas Frecuencias Switch telefónico Teléfonos analógicos Splitter

195 194 VDSL (Very high speed DSL) Es el super-ADSL. Permite capacidades muy grandes en distancias muy cortas. Las distancias y caudales en sentido descendente son: –300 m51,84 – 55,2 Mb/s –1000 m25,92 – 27,6 Mb/s –1500 m12,96 – 13,8 Mb/s En ascendente se barajan tres alternativas: –1,6 – 2,3 Mb/s –19,2 Mb/s –Igual que en descendente (simétrico)

196 195 Capacidad del bucle de abonado en función de la distancia Capacidad (Mb/s) Distancia (Km) Ámbito de VDSL Ámbito de ADSL

197 196 VDSL (Very high speed DSL) Utiliza un par de hilos. Compatible con voz Aunque capacidad superior a ADSL técnicamente mas simple ( al reducir la distancia es mas fácil conseguir elevada capacidad). Actualmente en proceso de estandarización y pruebas. Ya existe algún servicio comercial de VDSL. No esta claro que haya una demanda para este tipo de servicios.

198 197 Espectro de las diversas tecnologías de acceso


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