Camada Física, Meios de Transmissão e Sem Fio

Unidades, Teoria, Meios Guiados, Sem Fio e Comutação

Professor: Gabriel Soares Baptista

Unidades de Medida em Computação

A precisão técnica exige distinguir o contexto de aplicação: Velocidade vs. Armazenamento.

• Prefixos Maiores que 1: Letras maiúsculas (KB, MB).
• Exceção Histórica: "kbps" (kilobits por segundo) utiliza 'k' minúsculo.
• Frações: 'm' para mili ($10^{-3}$) e '$\mu$' para micro ($10^{-6}$).

Escalas em Computação

Base Teórica da Comunicação

A Camada Física é o alicerce que define as interfaces elétricas e propriedades de envio de bits como sinais.

Análise de Fourier

Qualquer função periódica $g(t)$ com período $T$ pode ser construída pela soma de senos e cossenos:

$$g(t) = c + \sum_{n=1}^{\infty} a_n \text{sen}(2\pi n f t) + \sum_{n=1}^{\infty} b_n \text{cos}(2\pi n f t)$$

• Frequência Fundamental: $f = 1/T$.
• Largura de Banda: Faixa de frequências transmitidas sem atenuação significativa pelo meio físico.

Fidelidade do Sinal e Harmônicos

Quanto maior a largura de banda, mais harmônicos passam e maior é a fidelidade do sinal.

• Se a largura de banda for muito estreita, o sinal deforma-se impossibilitando a recuperação dos bits.

Limites Teóricos de Transmissão

Teorema de Nyquist (Canal Perfeito)

Em um canal sem ruído de largura de banda $B$ e com $V$ níveis discretos de sinal:

$$\text{Taxa Máxima} = 2B \log_2 V \text{ (bits/s)}$$

Teorema de Shannon (Canal Ruidoso)

Canais reais possuem ruído térmico. A capacidade máxima teórica depende da relação sinal/ruído (S/N):

$$\text{Capacidade} = B \log_2 (1 + S/N) \text{ (bits/s)}$$

Questões de fixação - 1 / 3

1. Uma empresa precisa transferir um grande volume de dados de sua sede para uma filial localizada a 60 km de distância. Em vez de usar a Internet, eles decidem enviar um estagiário de moto ("Lei da Caminhonete"). O estagiário carrega uma mochila com 10 HDs externos, cada um com capacidade de 2 TB (Terabytes). A viagem leva exatamente 1 hora (3.600 segundos). Qual é a taxa de transmissão efetiva (largura de banda) desse sistema "motorizado" em Gbps? (Dica: Lembre-se da conversão de Bytes para bits e use a aproximação decimal para velocidade conforme o texto: $T = 10^{12}$).

2. Você está projetando um sistema de transmissão para um canal silencioso (sem ruído) com uma largura de banda limitada de 5 kHz. O sistema utiliza um esquema de codificação que permite 16 níveis discretos de sinal (voltagem). Utilizando a fórmula de Nyquist ($C = 2B \log_2 V$), calcule a taxa máxima de transmissão de dados (em kbps) que este canal pode suportar.

Questões de fixação - 1 / 3 (cont.)

3. Considere uma linha telefônica padrão com uma largura de banda de 3.000 Hz. Devido à interferência, a relação sinal/ruído (S/N) é de 1.023 (o que corresponde aproximadamente a 30 dB). Utilizando a fórmula de Shannon ($C = B \log_2 (1 + S/N)$), determine a capacidade máxima teórica desse canal em bits por segundo. (Nota: $\log_2(1024) = 10$).

5. Um sinal de luz é enviado através de uma fibra óptica operando na banda de 1,55 mícron. Suponha que a atenuação nesta banda seja de 0,2 dB/km. Se o sinal inicial tem uma potência de 10 mW, qual será a perda total em decibéis (dB) após percorrer um cabo de 100 km sem repetidores?

8. Analise as afirmações abaixo sobre a Camada Física e marque (V) ou (F):

• ( ) Na convenção de unidades para computação, "1 MB" de armazenamento em disco e "1 Mbps" de velocidade de rede representam exatamente a mesma quantidade de bits, baseada em potências de 2 ($2^{20}$).
• ( ) A decomposição de Fourier prova que limitar a largura de banda de um canal reduz o número de harmônicos que podem passar, o que distorce o formato da onda quadrada digital e dificulta a recepção correta dos dados.

Meios de Transmissão Guiados

Meios Magnéticos e Pares Trançados

Meios Magnéticos (Lei da Caminhonete)

• Vantagem: Altíssima largura de banda e baixo custo para grandes volumes.
• Desvantagem: Latência extrema (horas ou dias).

Pares Trançados

• Dois fios de cobre enrolados helicoidalmente para cancelar interferência eletromagnética.
• UTP (Unshielded Twisted Pair): Categorias (Cat 5, 6, 7) definem a taxa de dados e blindagem.
• Modos: Simplex (unidirecional), Half-Duplex (um por vez) e Full-Duplex (simultâneo).

Cabo Coaxial e Fibra Óptica

Cabo Coaxial

• Melhor blindagem que o par trançado, suportando distâncias e velocidades maiores.
• Padrões: 50 ohms (digital) e 75 ohms (analógico/TV a cabo).

Fibra Óptica

• Transmissão via pulsos de luz baseada na Reflexão Interna Total.
• Tipos:
• Monomodo: Núcleo fino (8-10 micra), luz viaja em linha reta. Alto alcance e custo.
• Multimodo: Núcleo grosso, múltiplos caminhos (modos) de luz. Menor alcance.

Transmissão Sem Fio: O Espectro

As ondas eletromagnéticas propagam-se pelo espaço livre, relacionando frequência ($f$) e comprimento de onda ($\lambda$):

$$\lambda f = c \approx 3 \times 10^8 \text{ m/s}$$

Técnicas de Espalhamento

• Frequency Hopping: Salto de frequências para segurança (Bluetooth).
• DSSS/CDMA: Espalhamento por código (GPS, 3G).
• UWB (Ultra-WideBand): Pulsos rápidos, baixíssima potência, alta velocidade.

Propagação e Meios Sem Fio

Modos de Propagação

• Ondas Terrestres (VLF/LF): Acompanham a curvatura da Terra.
• Ondas Celestes (HF): Ricocheteiam na ionosfera, permitindo alcance global.
• Linha de Visada (Micro-ondas): Acima de 100 MHz, trafegam em linha reta.

Micro-ondas e Infravermelho

• Micro-ondas: Sofrem com chuvas (> 10 GHz) e multipath fading.
• Bandas ISM: Frequências não licenciadas (2,4 GHz e 5 GHz).
• Infravermelho: Curto alcance, não atravessa paredes (segurança local).

Questões de fixação - 2 / 3

4. O texto afirma que existe uma relação imutável entre frequência e comprimento de onda: $\lambda f = c$. Sabendo que a velocidade da luz $c \approx 3 \times 10^8$ m/s:

• a) Qual é o comprimento de onda ($\lambda$) de um sinal de Wi-Fi operando na frequência de 2,4 GHz ($2,4 \times 10^9$ Hz)? (Dê a resposta em centímetros).
• b) Uma antena ideal geralmente tem o tamanho de metade do comprimento de onda. Qual seria o tamanho aproximado de uma antena para essa frequência?

6. Associe o Meio de Transmissão à sua característica principal:
(A) Par Trançado (UTP) | (B) Cabo Coaxial | (C) Fibra Óptica | (D) Fita Magnética
( ) Utiliza o fenômeno da reflexão interna total para confinar o sinal; imune a interferência eletromagnética.
( ) Meio de transmissão com excelente largura de banda, mas alta latência; ideal para backups massivos.
( ) Possui uma malha metálica de blindagem e impedância típica de 75 ohms para uso em TV a cabo.
( ) Utiliza o cancelamento de ondas através da geometria helicoidal para reduzir ruído.

Questões de fixação - 2 / 3 (cont.)

7. Associe a Faixa de Frequência ao seu comportamento de propagação:
(A) VLF / LF | (B) HF / VHF | (C) Micro-ondas (> 100 MHz)
( ) Viajam em linha reta (visada direta), sofrem com absorção pela chuva e requerem alinhamento.
( ) Propagam-se rentes ao solo (Ondas Terrestres), acompanhando a curvatura da Terra.
( ) Tendem a ser absorvidas pelo solo, mas são refratadas pela ionosfera (Ondas Celestes).

10. O texto menciona que ondas infravermelhas não atravessam paredes sólidas. Por que isso é considerado uma vantagem de segurança e arquitetura para redes internas em comparação com ondas de rádio (como o Wi-Fi)?

11. Explique o conceito de "linha cruzada" (crosstalk) em cabos de par trançado e como a geometria helicoidal (o ato de trançar os fios) ajuda a mitigar esse problema físico.

Comutação

Comutação de Circuitos vs. Pacotes

Comutação de Circuitos

• Caminho físico dedicado entre origem e destino.
• Largura de banda reservada (sem congestionamento após o setup).
• Ineficiente se houver ociosidade.

Comutação de Pacotes

• Dados fragmentados em pacotes independentes.
• Técnica Store-and-forward: Roteadores recebem e encaminham.
• Resiliente: se um switch falha, os pacotes encontram rotas alternativas.

Comparativo Técnico

Questões de fixação - 3 / 3

9. Explique por que a Comutação de Pacotes é mais resiliente a falhas de infraestrutura (ex: um switch queimado no meio da rede) do que a Comutação de Circuitos.

Próximos Passos

Na próxima aula teremos o Laboratório I: Topologia e Enquadramento.

• Desenvolvimento de um Simulador de Topologia.
• Implementação de algoritmos: Byte Stuffing e CRC-8.
• Foco em arquiteturas de Barramento e Anel.
• Consolidação da integridade da informação antes do estudo de protocolos de acesso ao meio.