Rede de Computadores
MATA59 – Redes de
Computadores I
Universidade Federal da Bahia
Instituto de Matemática
Departamento de Ciência da Computação
Rede de Computadores
Camada física - Conceitos
 Define as interfaces mecânica, elétrica e funcionais
entre o meio físico e equipamento de comunicação
 Meios de Transmissão:
• Guiados : fios de cobre, fibra ótica
• Sem fio: Rádio Terrestre e Satélite
 Sistemas de Transmissão:
• Telefonia fixa
• Telefonia móvel
• TV a cabo
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Camada física - Conceitos
 Modelagem do comportamento do sinal e análise
matemática do modelo:
• Faz-se variar alguma propriedade física do sinal,
Voltagem (tensão elétrica) ou Corrente
• Representa-se o valor dessa Voltagem ou Corrente
como uma função de Tempo
• Análise de Fourier mostra que funções periódicas
podem ser construídas como soma de um número
de senos e co-senos
• O modelo é usado para definir número de
harmônicos do sinal de transmissão
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Camada física - Conceitos
• Largura da Banda:
Faixa de frequências transmitidas sem sofrerem forte
atenuação
EX. Linhas telefônicas: 3.1 kHz
• Taxa Máxima de dados ( Nyquist):
TM = 2H log V bits/s (base 2, canal sem ruído)
• Taxa Máxima de Dados (Shannon):
TM = H log (1 + S/N ) bits/s (base 2 , canal com ruído)
S/N: Potência do sinal sobre a do ruído térmico,
expresso em decibéis
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Camada física - Conceitos
• BELL
Relação entre potência de dois sinais:
B = log S1/S2
• DECIBELL
dB = 10 log S1/S2
• Variação da Potência do Sinal
Potência
do sinal
na entrada
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Circuito
Potência
Do sinal
Na saída
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Camada física - Conceitos
Ganho: 10 log S1/S2 dB (base 10)
S1: Potência de Saída S2: Potência de entrada
Atenuação: 10 log S1/S2 dB (base 10)
S1: Potência de Entrada
S2: Potência de Saída
Potência
do sinal
na entrada
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Circuito
Potência
Do sinal
Na saída
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Camada física - Conceitos
• Tipos de Sinais:
• Sinais analógicos: São sinais que podem assumir, no
tempo, infinitos valores de amplitude permitidos pelo
meio de Transmissão:
Amplitude
Tempo
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Camada física - Conceitos
• Tipos de Sinais:
• Sinais Digitais: São sinais que podem assumir, no
tempo, valores de amplitude predeterminados, que
correspondem, mediante uma lei de formação, a
informação que se deseja transmitir :
Amplitude
Tempo
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Camada física – Meios físicos guiados
1. Meios Magnéticos:
• Par Trançado
• Cabo coaxial
2. Meios óticos:
• Fibra ótica
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Meios Físicos de Comunicação de Dados
Características:
• faixa passante
• potencial para conexão ponto a ponto ou multiponto
• limitação geográfica
• imunidade a ruído
• custo
• disponibilidade de componentes
• confiabilidade
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Meio Magnético
Uma das formas mais comuns de transportar dados de
um computador para outro é gravá-los em meios
magnéticos (fita magnética, discos flexíveis, pen-drive)
e transportar fisicamente para a máquina de destino,
onde eles serão finalmente lidos.
Quando se dispõe de redes, pode-se usar canais de
comunicação
que
interligam
diretamente
os
computadores.
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Par Trançado
É o meio de transmissão para conexão on-line mais
antigo que existe e ainda comum até hoje.
Um par trançado consiste em dois fios de cobre encapados,
que em geral tem cerca 1mm de espessura. Os fios são
enrolado de forma helicoidal
Características:
Tempo de transmissão: Minutos ou horas
Aplicação mais comum: Sistema telefônico
 Usados nas transmissões analógicas ou digitais
Largura de banda depende da espessura do fio e da distância
Devido ao custo e ao desempenho obtidos são usados em larga escala
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Par Trançado
VANTAGENS:
Simplicidade
Facilidade de instalação
DESVANTAGENS:
Baixa extensão do cabo (máximo de 100 metros)
Existência de interferência eletromagnética.
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Par Trançado
Tipos: não-blindado (UTP)
blindado
(STP)
1. Par trançado não-blindado (UTP)
É especificado no padrão de cabeamento de prédios comerciais, da
Associação de Indústrias Eletrônicas e Associação de Indústrias de
Telecomunicações
 Categorias:
Categoria 1: Certifica o cabo telefônico UTP tradicional que
pode transportar voz, mas não dados.
Categoria2: Certifica o cabo UTP para transmissões de dados
de até 4 Mbps
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Par Trançado
Categoria 3: Certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até
10 Mbps.
Categoria 4: Certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até
16 Mbps.
Categoria 5: Certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até
100 Mbps.
Problema: O UTP é especialmente suscetível à diafonia (mistura de
sinais). A blindagem é utilizada para reduzi-la.
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Par Trançado
2. Par trançado blindado (STP)
Utiliza uma proteção de cobre entrelaçada de maior
qualidade e mais protetora do que a do UTP. O STP
também utiliza um envoltório de folha metálica entre e
em torno dos pares de fio e, internamente, entre as
torções dos pares. Isso proporciona ao STP ótimo
isolamento para proteger os dados transmitidos contra
interferências externas.
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Par Trançado
Par trançado não-blindado (UTP) e par trançado blindado (STP)
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Par Trançado
Aplicações:
 Indicações de utilização:
LAN sujeita a restrições de orçamento.
Necessidade de rede de instalação relativamente fácil de
manejar em que as conexões do computador sejam simples.
 Contra-indicação:
Necessidade que a rede possua integridade dos dados
transmitidos ao longo de grandes distâncias, a altas
velocidades.
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Cabo Coaxial
Characteristics:
• O cabo coaxial é formado por camadas.
• Um cabo coaxial consiste em um fio condutor,
rígido ou flexível revestido por um material
isolante.
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Cabo Coaxial
• Cobrindo o isolante, temos uma outra camada de material
condutor constituída de uma malha metálica de fios
intrelaçados, e uma camada de isolante externa (PVC ou
Teflon) responsável pela proteção do cabo.
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Cabo Coaxial
• Os cabos coaxiais são mais resistentes a
interferências e a atenuações do que os pares
trançados
• Utilizado em transmissões de dados a longa
distância, de alta velocidade e confiáveis, onde é
possível a utilização de equipamentos de baixo
custo.
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Tipos de Cabo
CABO 10 BASE 2 OU Fino (Thin)
CABO 10 BASE 5 OU Grosso (Thick)
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Tipos de Cabo
CABO 10 BASE 2 OU Fino (Thin)
 Flexível, com espessura aproximada igual a 6,5
mm. Portanto, é de fácil manuseio e pode ser
utilizado em quase todo tipo de instalação de
redes.
 Amplamente utilizado em redes locais com
topologia em barramento
 Conectado diretamente à placa de rede através de
um conector BNC-T
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Tipos de Cabo
CABO 10 BASE 2 OU Fino (Thin)
 Capaz de carregar um sinal sem atenuações por
aproximadamente 185 metros.
 Agrupado pelos fabricantes na família de cabos RG-58
 Impedância igual a 50 ohm. Impedância é a resistência
que o cabo oferece à circulação de corrente elétrica
alternada.
 O núcleo condutor pode ser rígido ou flexível.
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Tipos de Cabo
CABO 10 BASE 5 OU Grosso (Thick)
 relativamente rígido, com espessura aproximada
igual a 13 mm.
 frequentemente é chamado de "cabo padrão
Ethernet" por ter sido o primeiro cabo utilizado nas
redes Ethernet.
 o núcleo condutor geralmente é feito de cobre.
 capaz de carregar um sinal sem atenuações por
aproximadamente 500 metros
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Tipos de Cabo
CABO 10 BASE 5 OU Grosso (Thick)
 O cabo coaxial thick é mais difícil de ser manuseado e
mais difícil de instalar do que o cabo coaxial thin, pois
é dificilmente dobrado. Isso deve ser considerado
quando o local de instalação possui dutos de
cabeamento estreitos. O cabo coaxial thick é mais caro
que o cabo coaxial thin.
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Vantagens
• Este tipo de cabeamento é bastante
resistente a ruídos externos, muito
mais que qualquer cabo de par
trançado. Isso se deve a sua
constituição disposta em camadas.
• Além das camadas de material isolante,
a malha metálica que reveste o núcleo
do cabo funciona como um escudo,
protegendo o fio central que é por onde
a informação viaja.
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Desvantagens
A principal desvantagem na utilização de
cabos coaxiais é a dificuldade de manter a
impedância constante.
• Para a aplicação em redes ponto a ponto,
onde cada trecho do cabo pode ter um
potencial diferente, este tipo de cabo não é
recomendado, pois qualquer ponto que esteja
fora das especificações do padrão pode
danificar um equipamento ou prejudicar a
estabilidade da rede.
•
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Fibra Ótica
Uma fibra óptica é um capilar formado por
materiais cristalinos e homogêneos, transparentes o
bastante para guiar um feixe de luz (visível ou
infravermelho) através de um trajeto qualquer. A
estrutura básica desses capilares são cilindros
concêntricos com determinadas espessuras e com
índices de refração tais que permitam o fenômeno da
reflexão interna total. O centro (miolo) da fibra é
chamado de núcleo e a região externa é chamada de
casca.
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Fibra Ótica
Um sinal luminoso é transmitido para a fibra ótica sob
a forma de pulso '0'/'1'. As ondas passam através do núcleo
do cabo, que é coberto por uma camada chamada cladding .
A refração do sinal é cuidadosamente controlada pelo
desenho do cabo.
O sinal luminoso não pode escapar do cabo ótico
porque o índice de refração no núcleo é superior ao índice
de refração do cladding.
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Fibra Ótica
Os tipos básicos de fibras óticas são:
Fibra de Índice Degrau,
Fibra de Índice Gradual ,
Fibra Monomodo.
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Fibra Ótica
Fibra ótica Multimodo com índice degrau
Foi o primeiro tipo a surgir e é também o mais simples.
O núcleo é constituído de um único tipo de material (plástico, vidro),
ou seja, tem índice de refração constante, e tem diâmetro variável,
entre 50 e 400 mm. Os raios de luz refletem no cladding em vários
ângulos, resultando em comprimentos de caminhos diferentes para o
sinal. Este fenômeno é chamado dispersão modal.
A atenuação é elevada (maior que 5 db/km), fazendo com que essas
fibras sejam utilizadas em transmissão de dados em curtas distâncias e
iluminação.
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Fibra Ótica
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Fibra Ótica
Fibra ótica multimodo com índice gradual:
Num desenvolvimento melhor, chamado multimodo com índice
gradual, a interface núcleo/cladding é alterada para proporcionar
índices de refração diferentes dentro do núcleo e do cladding.
Os raios de luz viajam no eixo do cabo encontrando uma grande
refração, tornando baixa sua velocidade de transmissão. Os raios que
viajam na direção do cabo tem um índice de refração menor e são
propagados mais rapidamente. O objetivo é ter todos os modos do
sinal à mesma velocidade no cabo, de maneira a reduzir a dispersão
modal.
O núcleo tem, tipicamente, entre 125 e 50 mm e a atenuação é baixa
(3 dB/km), sendo por esse motivo empregada em telecomunicações.
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Fibra Ótica
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Fibra Ótica
Fibra Ótica Monomodo
A fibra monomodo vai um passo à frente. O tamanho do núcleo, 8
micrometros (µm) de diâmetro, e o índice núcleo/cladding permite
que apenas um modo seja propagado através da fibra,
conseqüentemente diminuindo a dispersão do pulso luminoso.
A emissão de sinais monomodo só é possível com laser, podendo
atingir as mais altas taxas de transmissão, com atenuação entre 0,2
dB/km e 0,7 dB/km .
O equipamento como um todo é mais caro que o dos sistemas
multimodo.
Essa fibra possui grande expressão em sistemas telefônicos.
.
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Fibra Ótica
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Fibra Ótica
Fabricação:
Os materiais básicos usados na fabricação de fibras óticas
são sílica, vidro composto e plástico.
As fibras fabricadas de sílica são melhores, porém, todos
seus processos de fabricação são complexos e caros.
Nas fibras de vidro e plástico os processos são mais simples
e baratos, comparados aos de sílica.
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Fibra Ótica
Aplicações:
Redes de telecomunicacões



entroncamentos locais
entroncamentos interurbanos
conexões de assinantes
Redes internas industriais
Equipamentos de sistemas militares
Redes de comunicação em ferrovias
Redes de estúdios, cabos de câmeras de TV
Redes de distribuição de energia elétrica (monitoração,
controle e proteção)
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Fibra Ótica
Vantagens:
• Perdas de transmissão baixa e banda passante grande
• Pequeno tamanho e peso
• Imunidade a interferências
• Isolamento elétrico: não há necessidade de se preocupar
com aterramento, uma vez que é constituída de vidro ou
plástico, que são isolantes elétricos.
• É uma alternativa muito mais segura contra possíveis
escutas telefônicas.
• Segurança do sinal: possui um alto grau de segurança, pois
não irradiam significativamente a luz propagada.
• Matéria-prima abundante: é constituída por sílica, material
abundante e não muito caro.
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Fibra Ótica
Desvantagens:
• Fragilidade das fibras óticas :
• Dificuldade de conexões das fibras óticas:
• Acopladores tipo T com perdas muito grandes:
• Impossibilidade de alimentação remota de repetidores:
requer alimentação elétrica independente para cada
repetidor, não sendo possível a alimentação remota através
do próprio meio de transmissão.
• Falta de padronização dos componentes óticos: o contínuo
avanço tecnológico e a relativa imaturidade não tem
facilitado e estabelecimento de padrões.
• Alto custo de instalação e manutenção.
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Camada física – Meios físicos não guiados –
Transmissão sem fio
1. Transmissão de Rádio:
2. Transmissão de Microondas:
3. Transmissão por ondas de infravermelho:
4. Transmissão por ondas de luz:
5. Satélites de comunicação:
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Camada física – Transmissão sem fio
O espectro eletromagnético
F(HZ)
Rádio:10 a quarta Microondas: 10 a oitava Infra:10 a doze
UV: 10 a 14 Raios X: 10 a 16 Raios Gama: 10 a 22
Luz Visível
Rádio Microondas Infra-Vermelho UV Raios X
43
Raios Gama
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Camada física – Transmissão sem fio
O espectro eletromagnético
F(HZ)
4 5 6 7 8 9 10 11
Par Trançado
Microonda
Terrestre
FM
TV
LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF
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13
14
15
Satélite
Cabo Coaxial
AM
12
Fibra
Ótica
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Camada física – Transmissão sem fio
1. Transmissão de Rádio:
• Fáceis de gerar
• Percorrem longas distâncias
• Atravessa obstáculos
• Sujeitas a interferências
• Bandas: VLF LF MF – obedecem a curvatura da terra
• Bandas : HF VHF – São refratadas na Ionosfera
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Camada física – Transmissão sem fio
2. Transmissão de Microondas:
• Acima de 100 MHZ, trafegam praticamente em
linha reta
• Altas frequências de até 10GHZ
• Acima de 4 GHZ são absorvidas pela água (chuva)
devido ao curto comprimento da onda
• Sistema bastante econômico e em expansão
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Camada física – Transmissão sem fio
3. Transmissão de Infra-vermelho:
• Usadas para comunicação de curto alcance
• Controle remoto, conexão de periféricos, troca de
informações entre equipamentos próximos
• Relativamente direcionais, econômicas e fáceis de
montar
• Grande desvantagem: não atravessam objetos sólidos
• Consequência: Não interferem em sistemas
semelhantes
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Infra-vermelho
CARACTERÍSTICAS
Infra-vermelho tem como característica uma alta velocidade
( até 4 Mbits/seg), porém um curto alcance. Esta tecnologia
necessita de um caminho livre para poder fazer uma transferência
de dados ponto a ponto em um meio físico sem cabos.
Dispositivos roduzem dados a partir da luz. Os bits específicos são
convertidos para infravermelhos, onde em termos simplificados,
um flash de luz representa 0 e nenhum flash de luz representa 1.
PRINCIPAIS APLICAÇÕES
As aplicações mais aconselháveis nessa tecnologia se dá em
ligações entre câmeras digitais, impressoras, notebooks, palmtops,
periféricos em geral. A transmissão de dados pode ser feita nos dois
sentidos, máquina-periférico, periférico-máquina.
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Camada física – Transmissão sem fio
4. Transmissão por ondas de luz:
• Sinalização ótica sem guia
• Unidirecional: cada ponto possui o foto-emissor de
luz e o fotodetector
• Utiliza raios laser para implementação dos canais de
transmissão
• Fácil de ser instalado, alta largura de banda a custo
relativamente baixo
• Desvantagem: Não atravessam chuva ou neblina
espessa
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Rede de Computadores
Camada física – Transmissão sem fio
4. Transmissão por ondas de luz:
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Rede de Computadores
Camada física – Transmissão sem fio
5. Satélites de comunicação:
• Sistema que retransmite o sinal recebido de volta a
terra, após amplificação
• Composto de transponders, sintonizados em faixas
de frequências. Após receberem os sinais eles
amplifica-os e retransmitem de volta em outra faixa
de frequência para evitar interferência
• Satélites Geoestacionários: Altitude de 35.800 km,
com período de 24 hs ( GEO )
• Vida útil: 10 a 20 anos
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Transmissão via satélite
• Questão tecnológica: Como definir as rotas que as diversas mensagens
devem seguir para alcançar seus destinos. Em alguns sistemas, um
sinal que é enviado a um satélite será transmitido para a estação em
terra mais próxima, sendo então enviada por enlaces terrestres até uma
estação próxima do destino. Lá, o sinal será enviado para um outro
satélite e recebida pelo destinatário. Mas este esquema aumenta ainda
mais a latência do sistema.
• Outros esquemas utilizam laser para a comunicação entre satélites e
roteamento entre satélites, o que aumenta a complexidade dos
mesmos.
• Utilização:
- Redes de alta velocidade
- Teleconferência
- Telemedicina
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Transmissão via satélite
Vantagens:
• Grande largura de banda disponível.
• Cobertura de grandes áreas.
• Todos usuários têm as mesmas possibilidades
de acesso.
• Facilidade de utilização em comunicações
móveis.
• Superação de obstáculos naturais.
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Rede de Computadores
Transmissão via satélite
Limitações:
• Alto investimento inicial.
• Pequena vida útil.
• Dificuldades e alto custo de manutenção.
• Necessidade de um veículo de lançamento.
• Elevado tempo de trânsito da informação.
• Na tecnologia atual não é aconselhável ter satélites
mais próximos entre si do que 4 graus no plano
equatorial de 3610 graus, em separações menores, o
feixe transmitido por uma estação terrestre atingiria
não só o satélite desejado, como também seus
vizinhos.
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Rede de Computadores
Camada física – Transmissão sem fio
5. Satélites de comunicação: Padronização ITU
Banda Dowlink
GHZ
Uplink
GHZ
Largura Problemas
Banda
MHZ
L
1,5
1,6
15
Larg. Banda, lotada
S
1,9
2,2
70
Larg. Banda, lotada
C
4,0
6,0
500
Interferên. terrestre
Ku
11
14
500
Chuva
Ka
20
30
3.500
Chuva, custo equip.
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Rede de Computadores
Camada física – Transmissão sem fio
5. Satélites de comunicação:
• VSAT ( Very Small Aperture Terminals )
• Micro-estações de baixo custo
• Antenas de 1 m, ou menos, de diâmetro
• Uplink de 19,2 kbps e downlink de 512 kbps
• Sistema de transmissão central – HUB
• Retardo de 540 ms para subida e decida
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Rede de Computadores
Camada física – Transmissão sem fio
5. Satélites de comunicação:
• Satélites de órbita média – MEO ( Mediun Earth Orbit )
• Entre 5.000 a 18.000 km de altitude
• Período de cerca de 6 horas
• GPS ( Global Positioning System ): 24 satélites a
18.000 km de altitude
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Rede de Computadores
Camada física – Transmissão sem fio
5. Satélites de comunicação:
• Satélites de órbita baixa – LEO ( low Earth Orbit )
• Até 5.000 km de altitude
• Iridium: 66 satélites a 750 km de altitude ( o plano
inicial eram 77 satélites )
• Comunicação de voz ( celular em nível mundial
com 1628 células ), dados, busca, navegação, fax.
• Globalstar: 48 satélites, alternativa ao Iridium
• Teledesic: 30 satélites a 1.350 km de altitude.
Serviços de banda larga para internet.
Uplink de 100 Mbps e Downlink de 720 Mbps
58
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Transmissão via satélite
• Sistema LEO X GEO
• LEO – Baixa órbita
• Constitui-se em uma nova tecnologia e novos desafios. O maior deles
é que necessita-se de um grande número de satélites para fazer a
cobertura total do globo.
• Os satélites LEO podem estar visíveis apenas por 210 ou 310 minutos,
antes de passar pelo horizonte. Com isto, fica difícil apontar antenas
(rastrear) e manter o link ativo. A tecnologia de phased-array antenna
pode resolver este problema.
• Em vez de utilizar uma antena de prato, utilizam-se caixas de antenas
pequenas que apontam automaticamente para os satélites.
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Rede de Computadores
• Conclusão
• Pode-se utilizar esta nova tecnologia para todo o tipo de
transmissão que já se faz em linhas terrestres. Então, por
que investir tanto nesta tecnologia? Se pensarmos que,
muitas vezes, a infra estrutura terrestre pode ser escassa e
existem grandes distância a serem cobertas por fio e os
recursos são poucos, começaremos a ver o porquê que
muitas empresas estão apostando nos satélites,
principalmente os do tipo LEO.
• Não esquecendo que a função das redes terrestres e de
satélites é de complementar uma à outra e não de substituir
ou competir.
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