redes de comunicação de dados industriais · parâmetro portador da informação é implementado...

Redes de Comunicação de

Dados Industriais

Prof. Assoc. Mário Luiz Tronco SEM - EESC - USP

Sumário

• Introdução à Comunicação de Dados;

• Modelo OSI / ISO - Comunicação em Rede;

• Protocolos de Comunicação em Redes Industriais.

Introdução à Comunicação de Dados

Básico de Transmissão Tipos de Sinais:

Sinais Analógicos

• Sinais elétricos produzidos a partir de fenômenos

que apresentam variação contínua, nos quais o

parâmetro portador da informação é implementado

segundo a variação do fenômeno básico,

constituindo um réplica do mesmo (analogia);

Básico de Transmissão Tipos de Sinais:

Sinais Digitais

• Sinais elétricos produzidos a partir de fenômenos

que apresentam variação discreta;

• Estas informações passam por processos de

codificação e o sinal produzido difere do

fenômeno original.

Sinal digital com três

estados discretos

Sinal digital com informação

impressa na freqüência

(dois valores distintos)



Básico de Transmissão Elementos do Sinal:

• Amplitude;

• Freqüência;

• Fase.


Básico de Transmissão Modulação

Portadora

• Onda destinada a ser combinada a uma grandeza

moduladora em um processo de modulação

Moduladora

• Onda que provoca uma variação em

características da onda portadora;


Básico de Transmissão Modulação

Onda Modulada

• Onda obtida por um processo de modulação; é a

“soma” da portadora com a onda moduladora;


Básico de Transmissão Tipos de Modulação

Portadora Senoidal

Portadora Trem-de-Pulsos

Moduladora Analógica

Moduladora Digital


Moduladora Digital

Portadora Senoidal


AM

Portadora Senoidal


FM

Portadora Senoidal


PM

Introdução à Comunicação de Dados Modulação por Chaveamento de Amplitude (ASK

– Amplitude Shift Keying)

Introdução à Comunicação de Dados Modulação por Chaveamento de Freqüência

(FSK – Frequency Shift Keying)

Introdução à Comunicação de Dados Modulação por Chaveamento de Fase

(PSK – Phase Shift Keying)


Modulação por Diferencial por Chaveamento de Fase

(DPSK – Diferential Phase Shift Keying)

Modulação Otimizada

• Nas técnicas mostradas anteriormente, para cada

bit a ser transmitido corresponde uma variação na

onda portadora; esta técnica é denominada de

MONOBIT

Esta variação bit a bit faz com que

um espectro de freqüência muito

grande do meio de transmissão seja

ocupado




• Para otimizar o sinal modulado, diminuindo o

espectro de freqüência ocupado no meio de

transmissão, aplicam-se as técnicas de

transmissão multinível, DIBIT, TRIBIT e TETRABIT

Com esta transmissão, o

número de bps aumenta,

mas também aumenta a

possibilidade de erro na

transmissão e na

demodulação, devido à

interferência de ruídos (4

níveis devem ser detectados

com precisão)



• FSK: 4 diferentes freqüências para representar os

dibits



• PSK: uso de detecção diferencial e associação de

cada dibit a uma certa mudança de fase


Modulação em Amplitude por Quadratura

(QAM – Quadrature Amplitude Modulation)

• Para aumentar o número de bps numa transmissão

por mudança de fase, por exemplo, pode-se

aumentar o número de mudanças de fase

utilizadas; para que cada mudança de fase (cada

estado) corresponda a um tribit, será necessário

utilizar 8 diferentes mudanças de fase.

• Alto custo e grande probabilidade de erros

Solução: Co-Modulação


Modulação em Amplitude por Quadratura

(QAM – Quadrature Amplitude Modulation)

• No processo de Co-Modulação é realizada uma

modulação combinada em amplitude e fase:


• A modulação DPSK associa um deslocamento de

fase a cada símbolo (0 ou 1). Utilizando uma

representação vetorial para representar um

possível símbolo com seu deslocamento de fase

correspondente, obtemos uma Constelação

Y

X

A

Amplitude

Deslocamento de

Fase do Símbolo


Constelação em QAM de 16 Símbolos (Tetrabit)


Básico de Transmissão Codificação

Uso de códigos que atuam sobre a forma do sinal elétrico

representativo dos bits, preservando a faixa de

freqüências original dos pulsos gerados, tendo os

seguintes objetivos:

• Otimizar o espectro de energia do sinal transmitido,

dentro de uma determinada faixa;

• Eliminar componentes do sinal com nível DC,

permitindo o uso de acoplamentos a transformador;


Básico de Transmissão

Codificação - Objetivos

• Prover um mecanismo de relógio dentro do sinal de

forma a possibilitar a extração do mesmo,

eliminando a necessidade de um canal separado

para o envio de sincronismo;


Básico de Transmissão Códigos Binários – Quatro Categorias

• NRZ (não retorno a zero): o nível do sinal não muda

no meio do dígito;

• RZ (retorno a zero): o pulso que corresponde ao bit 1

sempre retorna ao nível “0” antes da chegada do

próximo bit;

• Codificação de Fase;

• Multinível Binário.

Básico de Transmissão Códigos Binários – NRZ: três tipos – NRZ-L

Os dados são representados por um nível constante do sinal

durante o intervalo de tempo representativo do bit, onde um

nível do sinal corresponde a um estado lógico e o outro nível

do sinal corresponde ao estado lógico oposto.


Básico de Transmissão Códigos Binários – NRZ: três tipos – NRZ-M

Transição no início do intervalo do bit corresponde a 1 enquanto

ausência de transição no início do intervalo corresponde a 0


Básico de Transmissão Códigos Binários – NRZ: três tipos – NRZ-S

A transição no início do intervalo do bit corresponde a 0 enquanto a ausência de

transição no início do intervalo corresponde a 1.


Básico de Transmissão Códigos Binários –RZ:

• Usualmente simples combinações de dados em

NRZ-L e seus associados clocks. Através da

combinação do clock com os dados, todos os

códigos RZ possuem algum aspecto intrínseco de

sincronização;

• Exemplo: RZ Unipolar – formado pela combinação

lógica (AND) de um sinal NRZ-L com seu sinal de

relógio.


Básico de Transmissão Códigos Binários –RZ Unipolar:

O bit 1 é representado por um pulso retangular com duração igual à

metade do intervalo significativo de bit. O bit 0 é representado pela

ausência de pulso.

Inconvenientes quanto ao nível DC variável com a estatística dos bits. Além disso,

uma seqüência longa de zeros não apresenta transições, dificultando a

recuperação do relógio. Outros códigos RZ: PPM e PDM.

Básico de Transmissão Códigos Multiníveis (Bipolares)

• Este grupo de códigos tem como característica

comum o uso de três níveis de sinal (+,0 e -) para

representar a informação binária.

• Ex.: AMI(Alternate Mark Inversion)


Básico de Transmissão Códigos Multiníveis (Bipolares) - AMI


Básico de Transmissão Código HDB-3

• Para facilitar a identificação da seqüência longa de

zeros, utiliza-se o recurso da violação, que consiste

no uso de um pulso que tenha a mesma polaridade

que o pulso anterior (o que viola o princípio básico do

AMI);

• Limitação do número de zeros em uma seqüência,

para, no máximo, três zeros consecutivos.


Básico de Transmissão Código HDB-3


Básico de Transmissão Detecção e Correção de Erros

Paridade - Vertical



Paridade - Longitudinal



Códigos Cíclicos (CRC)

• Consiste em tomar o trem de bits a ser transmitido,

efetuar sua divisão (módulo 2) por um número

binário fixo, denominado gerador de código, e

transmitir efetivamente a informação original seguida

do resto desta divisão



Códigos Cíclicos (CRC) – Transmissão



Códigos Cíclicos (CRC) – Recepção


Códigos Cíclicos (CRC) – Exemplo

1 0 0 1 1 0 1

Transmissão:

1 0 1

X6 + X3+ X2 + 1 X2 + 1

Informação Polinômio

Gerador

X4 + X2 + X X+1

Resto (BCC)

1 1

0 0 1 1 0 1 1 1 1

Informação Transmitida


1 0 0 1 1 0 1

Recepção:

1 0 1

X8 + X5+ X4 + X2+ X+ 1 X2 + 1

Informação

Polinômio

Gerador

X6 + X4 + X3 +X+1

Resto

0

0 0 1 1 0 1 1

Informação Recebida

Códigos Cíclicos (CRC) – Exemplo

1 1

Resto (BCC)

Indica ausência de

erros na transmissão


Básico de Transmissão Multiplexação - Introdução

Canal de Voz: Espaço necessário para uma conversação

telefônica inteligível. Representado, segundo

convenções internacionais como segue:



Técnica que possibilita a comunicação entre circuitos

sem que estes sofram interferências entre si e que

permite a identificação destes circuitos.

• FDM (Multiplexação por divisão de freqüência):

técnica analógica;

• TDM (Multiplexação por divisão de tempo):

técnica digital.


Básico de Transmissão Multiplexação – FDM

Translação ou Conversão de Freqüências


Multiplexação – FDM

• Técnica que permite que diversos canais de voz,

todos com a mesma faixa de freqüência, mas em

pares de condutores diferentes, sejam

transladados para posições adjacentes e

predeterminadas do espectro de freqüências de um

meio de transmissão único, onde são agrupados e

transmitidos, sem que haja interferência mútua;

• Na recepção, o processo é o inverso,

reconstituindo-se cada canal de voz e enviando-o

separadamente ao seu destino.


Multiplexação – FDM


Multiplexação – FDM – Plano de Modulação de 3 canais

(Pré-Grupo)


Multiplexação – FDM – Formação de Sistemas de 12

Canais (Grupo Básico)


Multiplexação – FDM – Rota MULTIPLEX


Básico de Transmissão Multiplexação – TDM

• Utiliza processo de amostragem dos sinais para a

transmissão dos vários canais em um único meio de

transmissão;

• Baseia-se no princípio de que é possível transmitir

amostras periódicas de um sinal e recuperá-lo,

posteriormente, com uma pequena margem de

distorção em relação ao sinal original;



• As amostras são tomadas em intervalos

regularmente espaçados, e têm a duração suficiente

para que o sinal original possa ser recomposto

posteriormente. Este período de tempo é bem menor

que o período entre duas amostragens;

• O intervalo de tempo que decorre entre duas

amostras sucessivas de um sinal é utilizado para

transmissão de amostras de sinais provenientes de

outros canais.


Multiplexação – TDM - Exemplo


TDM – Digitalização PCM (Pulse Code Modulation)

• Sistemas que operam através de Modulação por Pulsos

Codificados (PCM) baseiam-se na técnica TDM, a qual

consiste na possibilidade de se reconstruir

integralmente um sinal a partir de um certo número de

amostras instantâneas, retiradas periodicamente do

mesmo, em um processo denominado Amostragem;

• Em seguida, as amostras têm seus valores

aproximados (arredondados) para níveis de amplitude

previamente determinados, chamados de níveis de

quantização (processo de quantização – necessário

pela impossibilidade de codificar-se infinitos níveis de

amplitudes presentes nos sinais analógicos);


TDM – Digitalização PCM (Pulse Code Modulation)

• Após a quantização, o sinal discreto no tempo

(amostrado) e discreto em amplitude (quantizado),

passa por um processo de codificação, formando o sinal

PCM;

• No sentido da recepção, o sinal é decodificado e

entregue a um filtro passa-baixa, recuperando-se assim

o sinal original.


TDM – Digitalização PCM – Etapas

Amostragem:

• Processo pelo qual são retiradas amostras do sinal

original, de forma que a partir destas amostras seja

possível reconstruir o sinal, sem que ocorra perda de

informação;

• Para que seja possível reconstruir o sinal original x(t),

segundo o Teorema da Amostragem, devemos amostrar

este sinal com uma freqüência (fA) maior ou igual ao

dobro da maior freqüência presente neste sinal (fM): fA

>= 2fM



Amostragem - Exemplos



Quantização:

• Processo através do qual se aproximam os valores das

amostras colhidas de um sinal para níveis

predeterminados. Exemplo:

Sinal a ser

quatizado



Quantização:



Codificação: Consiste em atribuir códigos aos níveis de

quantização.


TDM – Digitalização PCM de 1a Ordem

32 canais

30 canais de voz

01 canal de sinalização

01 canal de sincronização

Canal de voz: 300Hz a 3400Hz – Freq. Amostragem

8000Hz

Período de Amostragem (TA): 125us

Largura da Amostra (t): 3,8us


TDM (Time Division Multiplexing)

PCM - Pulse Code Modulation Sinal

x(t)

AMOSTRAGEM QUANTIZAÇÃO CODIFICAÇÃO

Sinal

PCM

64Kbps


T T

t

Frame 1 Frame 2

t1 tn t2

Slots

t2

Slots

tn

TDM


Hierarquias TDM

Nível Taxa Transmissão

1 2,048Mbps (E1)

2 8,448Mbps (E2)

3 34,368Mbps (E3)

4 139,264Mbps (E4)


Cascateamento de Multiplexadores

MUX

1

32 MUX

MUX

MUX


PDH - Plesyochronous Digital Hierarchies

“Quase síncrono”

• Variações existentes entre os relógios

das fontes geradoras dos sinais;

• A taxa nominal de cada sinal é a

mesma mas a taxa real pode ser

ligeiramente diferente;


PDH – (Plesyochronous Digital Hierarchies)

Problemas

•Dificuldade de Inserção /Extração

de canais e/ou tributários

MUX

1

32 MUX

MUX

MUX


SDH

SDH (Synchronous Digital Hierarchy – definido pelo European

Telecommunications Standards Institute – ETSI e padrão

utilizado no Brasil)

SONET (Synchronous Optical Network – definido pelo American

National Standards Institution – ANSI)

estão relacionados a um grupo de taxas de

transmissão em fibra óptica as quais podem

transportar sinais digitais com diferentes capacidades.


SDH

- Redes de transmissão que operam de

maneira multi-vendor, podendo conectar

equipamentos de diferentes de fabricantes) com

uma sofisticada estrutura de sinal.

- Resultado de novas aplicações de redes


• Desenvolvimento da transmissão utilizando fibras ópticas e

integração de circuitos em larga escala:

- tornaram possíveis novos padrões, mais complexos de

equipamentos/serviços de comunicação de dados.

• Demanda por maiores e melhores serviços os quais

necessitavam de uma maior largura de banda, maior facilidade de

monitoramento e maior flexibilidade de rede.

padrões SONET/SDH


Padrões originalmente concebidos para transmissão em

redes de fibra óptica:

SONET é uma interface de Hierarquia Digital

definida pela ANSI para uso nos Estados Unidos;

SDH é uma interface de Nó de Rede (NNI –

Network Node Interface) definida pelo

CCITT/ITU-TS e parcialmente compatível com

SONET.


SDH

Interfaces Multi-Vendor

• 155Mbps: são definidas no padrão óptico e elétrico

• Para taxas maiores (Múltiplos de 155,52Mbps),

somente no padrão óptico.

622,08Mbps (referenciada como 622Mbps)

2488,32Mbps (referenciada como 2.5Gbps).


Para suportar o crescimento da rede e da demanda por

serviços de banda larga:

a multiplexação para taxas superiores como 10Gbps

segue o mesmo caminho, com o limite imposto apenas

pela tecnologia e não por padrões, como aconteceu

com o PDH


Hierarquias SONET/SDH:

SONET SDH Line Rate (Mbps)

OC n STS n STM n

OC-1 STS-1 STM-0 51,840

OC-3 STS-3 STM-1 155,520

OC-9 STS-9 -- 466,560

OC-12 STS-12 STM-4 622,080

OC-18 STS-18 -- 933,120

OC-24 STS-24 -- 1.244,160

OC-36 STS-36 -- 1.866,230

OC-48 STS-48 STM-16 2.488,320

OC-96 STS-96 -- 4.876,640

OC-192 STS-192 STM-64 9.953,280

OC: Optical Carrier

STS: Synchronous Transport Signal

STM: Synchronous Transport Mode

Equipamentos

Uma rede baseada em SDH (SONET) normalmente

trabalha com uma estrutura de anel duplo

(protegido) de fibra óptica.

• Sistemas de cabos de fibra óptica/Rádios

Digitais:

provém o backbone para a rede SDH


Equipamentos

• Terminal Multiplexers: Provém o acesso à rede SDH

de vários tipos de tráfego, utilizando interfaces

tradicionais como tributários E1 (2Mbps - G703),

FDDI, etc.

• ADM (Add Drop Multiplexer): basicamente,

trabalham como multiplexadores síncronos.


• Função: inserção/retirada de tráfego STM-n (OC-n) da rede,

assim como os sinas E1 (T1). Trabalham de forma bidirecional

no anel duplo SDH (SONET), de tal forma a possibilitar o

tráfego na presença de falha em um dos anéis.

Add/Drop

direto

155Mbps

Até 63 Tributários de

2Mbps

ou outras taxas

155Mbps


Hub Multiplexers: Um Multiplexador para consolidação de

tráfego. O transporte entre Hubs proporciona roteamento

alternativo.

Vários Anéis de ADM podem convergir para um único Hub,

proporcionando interconexão de tráfego entre estes anéis e

conexão à rede existente.

Alguns ADM´s são projetados para atuarem também com Hubs

multiplexadores, combinando ambas as funções, otimizando

portanto o projeto da rede;


DCS (Digital Cross-Connect):

Funções:

• garantia de transporte

• separação dos tráfegos de banda larga/estreita através do uso

de diferentes portas

• encaminhamento e mapeamento de diversos tipos de sinais

(tributários) entre si, permitindo, portanto, a consolidação de

tráfego


ADM

ADM

ADM

ADM ADM

DCS

Anel

Protegido

Anel

Protegido

TM

STM-n

STM-n

STM-n

STM-n

ATM E1

E3

TM FDDI E1

STM-n E1 TM ADM

TM

PABX

PABX

E1

E1

TM

REDE SDH

ANÉIS ÓPTICOS DE ACESSO

Rede SDH

Modelo OSI / ISO - Comunicação em Rede;

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