Техника мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, tdm).
Коммутация на основе техники разделения частот разрабатывалась в расчете на передачу непрерывных сигналов, представляющих голос. При переходе к цифровой форме представления голоса была разработана новая техника мультиплексирования, ориентирующаяся на дискретный характер передаваемых данных. Эта техника носит название мультиплексирования с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM). Реже используется и другое ее название — техника синхронного режима передачи (Synchronous Transfer Mode, STM). Рисунок 6.3 поясняет принцип коммутации каналов на основе техники TDM.
Аппаратура TDM-сетей — мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры — работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы.
Цикл работы оборудования ТDМ равен 125 мкс, что соответствует периоду следования замеров голоса в цифровом абонентском канале. Это значит, что мультиплексор или коммутатор успевает вовремя обслужить любой абонентский канал и передать его очередной замер далее по сети. Каждому соединению выделяется один квант времени цикла работы аппаратуры, называемый также тайм-слотом. Длительность тайм-слота зависит от числа абонентских каналов, обслуживаемых мультиплексором TDM или коммутатором. Мультиплексор принимает информацию по N входным каналам от конечных абонентов, каждый из которых передает данные по абонентскому каналу со скоростью 64 кбит/с — 1 байт каждые 125 мкс. В каждом цикле мультиплексор выполняет следующие действия:
прием от каждого канала очередного байта данных;
составление из принятых байтов уплотненного кадра, называемого также обоймой;
передача уплотненного кадра на выходной канал с битовой скоростью, равной N х 64 кбит/с.
Порядок следования байта в обойме соответствует номеру входного канала, от которого этот байт получен. Количество обслуживаемых мультиплексором абонентских каналов зависит от его быстродействия. Например, мультиплексор Т1, представляющий собой первый промышленный мультиплексор, работавший по технологии TDM, поддерживает 24 входных абонентских канала, создавая на выходе обоймы стандарта Т1, передаваемые с битовой скоростью 1,544 Мбит/с. Демультиплексор выполняет обратную задачу — он разбирает байты уплотненного кадра и распределяет их по своим нескольким выходным каналам, при этом он считает, что порядковый номер байта в обойме соответствует номеру выходного канала. Коммутатор принимает уплотненный кадр по скоростному каналу от мультиплексора и записывает каждый байт из него в отдельную ячейку своей буферной памяти, причем в том порядке, в котором эти байты были упакованы в уплотненный кадр. Для выполнения операции коммутации байты извлекаются из буферной памяти не в порядке поступления, а в том порядке, который соответствует поддерживаемым в сети соединениям абонентов. Так, например, если первый абонент левой части сети рис. 6.3 должен соединиться со вторым абонентом в правой части сети, то байт, записанный в первую ячейку буферной памяти, будет извлекаться из нее вторым. «Перемешивая» нужным образом байты в обойме, коммутатор обеспечивает соединение конечных абонентов в сети. Однажды выделенный номер тайм-слота остается в распоряжении соединения «входной канал — выходной слот» в течение всего времени существования этого соединения, даже если передаваемый трафик является пульсирующим и не всегда требует захваченного количества тайм-слотов. Это означает, что соединение в сети TDM всегда обладает известной и фиксированной пропускной способностью, кратной 64 кбит/с. Работа оборудования TDM напоминает работу сетей с коммутацией пакетов, так как каждый байт данных можно считать некоторым элементарным пакетом. Однако в отличие от пакета компьютерной сети, «пакет» сети TDM не имеет индивидуального адреса. Его адресом является порядковый номер в обойме или номер выделенного тайм-слота в мультиплексоре или коммутаторе. Сети, использующие технику ТDМ, требуют синхронной работы всего оборудования, что и определило второе название этой техники — синхронный режим передач (STM). Нарушение синхронности разрушает требуемую коммутацию абонентов, так как при этом теряется адресная информация. Поэтому перераспределение тайм-слотов между различными каналами в оборудовании TDM невозможно, даже если в каком-то цикле работы мультиплексора тайм-слот одного из каналов оказывается избыточным, так как на входе этого канала в этот момент нет данных для передачи (например, абонент телефонной сети молчит).
Сети TDM могут поддерживать либо режим динамической коммутации, либо режим постоянной коммутации, а иногда и оба этих режима. Так, например, основным режимом цифровых телефонных сетей, работающих на основе технологии TDM, является динамическая коммутация, но они поддерживают также и постоянную коммутацию, предоставляя своим абонентам службу выделенных каналов. Первичные сети режим динамической коммутации не используют, хотя перспективы предоставления клиентам первичной сети возможности коммутировать канал по своей инициативе в настоящее время обсуждаются. Существует аппаратура, которая поддерживает только режим постоянной коммутации. К ней относится оборудование типа Т1/Е1, а также высокоскоростное оборудование SDH. Такое оборудование используется для построения первичных сетей, основной функцией которых является создание выделенных каналов между коммутаторами, поддерживающими динамическую коммутацию. Сегодня практически все данные — голос, изображение, компьютерные данные — передаются в цифровой форме. Поэтому выделенные каналы TDM-технологии. которые обеспечивают нижний уровень для передачи цифровых данных, являются универсальными каналами для построения сетей любого типа: телефонных, телевизионных и компьютерных.
Сети с коммутацией каналов обладают несколькими важными общими свойствами независимо от того, какой тип мультиплексирования в них используется. Сети с динамической коммутацией требуют предварительной процедуры установления соединения между абонентами. Для этого в сеть передается адрес вызываемого абонента, который проходит через коммутаторы и настраивает их на последующую передачу данных. Запрос на установление соединения маршрутизируется от одного коммутатора к другому и, в конце концов, достигает вызываемого абонента. Сеть может отказать в установлении соединения, если емкость требуемого выходного канала уже исчерпана. Для FDM-коммутатора емкость выходного канала равна количеству частотных полос этого канала, а для TDM-коммутатора — количеству тайм-слотов, на которые делится цикл работы канала. Сеть отказывает в соединении также в том случае, если запрашиваемый абонент уже установил соединение с кем-нибудь другим. В первом случае говорят, что занят коммутатор, а во втором — абонент. Возможность отказа в соединении является недостатком метода коммутации каналов. Если соединение может быть установлено, то ему выделяется фиксированная полоса частот в FDM-сетях или же фиксированная пропускная способность в TDM-сетях. Эти величины остаются неизменными в течение всего периода соединения. Гарантированная пропускная способность сети после установления соединения является важным свойством, необходимым для таких приложений, как передача голоса, изображения или управления объектами в реальном масштабе времени. Однако динамически изменять пропускную способность канала по требованию абонента сети с коммутацией каналов не могут, что делает их неэффективными в условиях пульсирующего трафика. Недостатком сетей с коммутацией каналов является невозможность применения пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью. Отдельные части составного канала работают с одинаковой скоростью, так как сети с коммутацией каналов не буферизуют данные пользователей. Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации потоков данных постоянной скорости, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами. Для таких потоков сети с коммутацией каналов добавляют минимум служебной информации для маршрутизации данных через сеть, используя временную позицию каждого бита потока в качестве его адреса назначения в коммутаторах сети.
TDM Технология (Time Division Multiplexing)
TDM (Time Division Multiplexing) — это зрелая, проверенная временем технология.
Технологию TDM первой стали широко применять в обычных системах электросвязи. Эта технология предусматривает объединение нескольких входных низкоскоростных каналов в один составной высокоскоростной канал.
Существует несколько причин, в силу которых TDM продолжает играть ведущую роль для местного доступа:
- Полоса пропускания постоянно становится дешевле и доступнее, что делает проблему ее максимально эффективного использования менее острой
- Низкая цена оборудования TDM
- Простота установки и обслуживания
- Непревзойденное качество передачи голоса
- Зрелость самой технологии и решений на ее основе
- Хорошая стандартизация и совместимость аппаратуры различных производителей
- Малое и постоянное время задержки
Мультиплексирование с временным разделением каналов
В цифровых системах связи для передачи нескольких цифровых сигналов по одной линии связи, также, как и в аналоговых системах, применяется мультиплексирование, но используется несколько иной метод, называемый мультиплексированием с временным разделением каналов. В англоязычной литературе эквивалентный термин — Time Division Multiplexing (TDM).
Схематично эта процедура выглядит так: на вход мультиплексора подается n двоичных последовательностей, мультиплексор поочередно отбирает из этих входных каналов заданную последовательность бит, составляя из них выходную последовательность. Непрерывную последовательность бит в выходном потоке, принадлежащую определенному входному каналу, называют канальным интервалом или тайм-слотом. На практике наиболее употребительными являются схемы мультиплексирования с байт-интерливингом, когда канальный интервал состоит из 8 бит, либо с бит-интерливингом, когда на выход последовательно коммутируется по одному биту из каждого канала. Для того, чтобы демультиплексировать полученную последовательность, на принимающем конце линии связи тактовой синхронизации недостаточно, так как в получаемом потоке бит необходимо еще привязаться к началу первого канального интервала. С этой целью при формировании уплотненного потока в него с определенной периодичностью вставляют фиксированную битовую последовательность, которая вместе с группой канальных интервалов, следующих за ней и содержащих равное количесто интервалов из каждого входного потока, образует кадр или фрейм (в терминологии связистов «цикл») (Рис. 1).
Выделяя эту битовую последовательность, принимающая аппаратура может привязаться к началу каждого кадра в последовательности бит. Такой вид синхронизации называют кадровой или цикловой синхронизацией. Часто в цифровых системах несколько кадров объединяют в структуру, называемую сверхкадром (или сверхциклом). Для правильного приема таких структур, кроме тактовой и кадровой синхронизаций, необходима еще и сверхкадровая синхронизация. Первая система передачи голоса, использующая ИКМ и мультиплексирование с временным разделением каналов, была установлена в 1957 году компанией Bell System. В одном канале было объединено 24 цифровых потока по 64 Кбит/сек, что с учетом бита для кадровой синхронизации и частоте следования кадров 8 КГц дало цифровой поток со скоростью 24×64 + 8=1544 Кбит/сек, который в дальнейшем был стандартизирован и теперь известен как канал DS1 (Digital Signal level one) или Т1.
В Европе (в том числе и в России) в качестве стандартной была принята иная схема объединения каналов DS0 в первичный цифровой канал, известный, как канал Е1. Так как этот канал получил в последнее время большое распространение для подключения корпоративных телефонных систем и систем передачи данных к сетям операторов связи, то рассмотрим его подробней.
Первичный цифровой канал — Е1
Канал Е1 объединяет 32 канала DS0, один из которых используется для кадровой синхронизации, другой для передачи сигнализации. Кадр этого потока состоит из 32 тайм-слотов по 8 бит каждый. Частота следования кадров 8 КГц, что дает скорость потока 32×8 × 8=2048 Кбит/сек. Кадры потока Е1 объединяются в сверхкадр. Количество кадров в сверхкадре зависит от типа используемой в потоке Е1 сигнализации. Под сигнализацией, здесь понимается информация, необходимая сетевым элементам, для выполнения их функций, например, установка и отбой телефонных соединений.
Наиболее употребительны два типа сигнализации: CAS (Channel Associated Signalling), CCS (Common Channel Signalling).
В первом случае сверхкадр состоит из 16 кадров (с 0 по 15), занимая 2 мсек интервал. Таймслот 0 (TS0) используется для передачи битов покадровой синхронизации и другой служебной информации. Таймслот 16 (TS16) в кадрах начиная с первого используется для передачи сигнализации связанной с каждым из каналов (отсюда и название Channel Associated Signalling). Оставшиеся таймслоты используются для передачи информации. Таймслоты с 1 по 15 соответствуют каналам с 1 по 15, а таймслоты с 17 по 31 соответствуют каналам с 16 по 30. При этом распределение сигнализации TS16 по каналам происходит следующим образом: старшие 4 бита TS16 кадра 1 в сверхкадре соответствуют сигнализации 1 канала, младшие 4 бита — сигнализации 16 канала; старшие 4 бита TS16 кадра 2 в сверхкадре соответствуют сигнализации 2 канала, младшие — сигнализации 17 канала и т.д. В нулевом кадре сверхкадра таймслот 16 используется для организации сверхкадровой синхронизации. Соответствие между таймслотами и каналами показано в Таблица 1. Более подробно распределение служебных битов в таймслотах 0 и 16 показано на Рис. 2.
Таблица 1
| Тайм слот | 0 1 2 3 … | 15 16 17 … | 29 30 31 |
| Канал | F 1 2 3 … | 15 S 16 … | 28 29 30 |
Один сверхкадр = 16 кадров
i=бит зарезервированный для международного использования
r=бит-индикатор аварии на дальнем конце
n=биты, зарезервированные для национального использования
abcd=биты сигнализации для речевых каналов
y=бит-индикатор аварии сверхкадровой синхронизации
В случае общеканальной (ССS) сигнализации, сверхкадр состоит из двух кадров. Таймслот 0 используется для организации кадровой синхронизации, как и в CAS, а таймслот 16 используется, как канал сигнализации общий для всего потока. Если поток Е1 используется только для передачи данных, где сигнальная информация передается в заголовках пакетов данных и отдельный тайм-слот для этого не нужен, то 16 тайм-слот можно задействовать для передачи данных и он будет соответствовать каналу 31.
Time division multiplexing что это
Мультиплексирование с разделением времени (англ. Time Division Multiplexing, TDM ) — технология аналогового или цифрового мультиплексирования в котором два и более сигнала или битовых потока передаются одновременно как подканалы в одном коммуникационном канале. Передача данных в таком канале разделена на временные интервалы (таймслоты) фиксированной длины, отдельные для каждого канала. Например: некоторый блок данных или подканал 1 передается в течение временного интервала 1, подканал 2 во временной интервал 2 и т. д. Один фрейм TDM состоит из одного временного интервала, выделенного одному определенному подканалу. После передачи фрейма последнего из подканалов происходит передача фрейма первого подканала и т.д. по порядку.
В будущем TDM может уступить место IP, на сегодняшний день это преобладающая технология местного доступа.
Содержание
TDM и пакетная передача данных
В своей первичной форме TDM используется для коммуникационных схем, использующих с постоянное число каналов и постоянную пропускную способность в каждом из каналов.
Главное отличае мультиплексирования с разделением во времени от статистического мультиплексирования, такого как пакетное мультиплексирование, это то, что таймслоты в нем следуют в определенном заданном, периодически повторяющимся порядке, в отличае от пакетной обработки (по мере поступления пакетов). Статистическое мультиплексирование похоже, но не должно быть рассматриваемо как мультиплексирование с подразделением времени.
В динамическом TDMA алгоритм планирования динамически резервирует переменное число временных интервалов для организации динамического изменения пропускной способности, основанным требованиях в трафику каждого потока данных. Динамический TDMA используется в:
Передача с использованием TDM
В сетях с коммутируемыми каналами связи, таких как, например, городские общественные телефонные сети, существует необходимость передавать одновременно множество звонков разных абонентов в одной среде передачи. Для реализации этой задачи можно использовать TDM. Стандартный голосовой сигнал(n голосовых фреймов, то пропускная способность будет n*64 кбит/сек.
Каждый голосовой таймслот в TDM-фрейме называется каналом. В европейских системах TDM-фрейм состоит из 30-и цифровых голосовых каналов, в Американском стандарте их 24. Оба эти стандарта включают в себя битовые таймслоты для сигнализации (см.: ОКС-7) и синхронизационные биты.
Мультиплексирование более чем 30-ти и 24-х цифровых голосовых канала называется мультиплексирование высшего порядка, который может быть достигнут посредством мультиплексирования стандартных TDM-фреймов. Например, европейский 120-канальный TDM-фрейм формируется с помощью мультиплексирования четырех 30-канальных TDM-фреймов. При каждом мультиплексировании более высокого порядка комбинируются 4 фрейма предыдущего порядка, созданных мультиплексированием n*64 кбит/сек, где n = 120, 480, 1920 и т.д.
Введение в мультиплексирование: основы телекоммуникаций
Мультиплексирование было разработано в начале 1870-х годов, но в конце 20-го века оно стало гораздо более применимо к цифровой связи. Сегодня мультиплексирование с частотным разделением (FDM, frequency division multiplexing), мультиплексирование с временным разделением (TDM, time division multiplexing) и мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM, wavelength division multiplexing) стало чрезвычайно важным активом для телекоммуникационных процессов и значительно улучшило способ передачи и приема независимых сигналов по AM и FM радиоканалам, по телефонным линиям и по оптоволокну.
Понятие мультиплексирования
Системы телекоммуникаций, такие как радиосвязь, телефон и телевидение, для передачи и приема информации все используют метод, называемый мультиплексированием. Мультиплексирование было разработано для передачи множества аналоговых сигналов или цифровых потоков через одну общую линию передачи. Мультиплексоры, или сокращенно MUX, объединяют сигналы от нескольких устройств, которые затем передаются по этой линии передачи.
Мультиплексор (MUX) считывает и анализирует каждый подаваемый на него отдельный сигнал или поток цифровых данных, а затем назначает каждому из них временной интервал фиксированной длины. После этого назначения MUX теперь имеет так называемый единый составной сигнал и передает часть данных из каждого слота в течение его временного интервала фиксированной длины по высокоскоростной линии передачи. На другом конце высокоскоростной линии передачи этот составной сигнал повторно анализируется и разделяется демультиплексором, или DEMUX. На рисунке ниже показан поток, в котором цифровые данные в системах FDM, TDM и WDM передаются и принимаются от одного устройства к другому с использованием одного мультиплексора и одного демультиплексора.
Рисунок 1 – Система передачи данных, использующая мультиплексирование и демультиплексирование
Мультиплексирование с частотным разделением (FDM)
FDM имеет дело в первую очередь с сигналами аналоговых сообщений, а не с потоками цифровых данных. Это система, в которой вся полоса пропускания, доступная источнику данных, делится между подканалами, каждый из которых имеет свою частоту. Каждый подканал затем передает отдельные сигналы через линию передачи или составной канал. Сигналы в этих подканалах могут передаваться по линии передачи независимо друг от друга и могут передаваться одновременно друг с другом.
Мультиплексирование в радиовещании, будь то амплитудная модуляция или частотная модуляция (AM и FM), формирует сигнал радиостанции, на который вы можете настроиться. Мы можем выбрать прослушивание только одной станции, потому что каждый передаваемый поток данных принадлежит отдельной радиостанции. Если бы это было не так, сигналы радиостанций накладывались бы друг на друга, что вызывало бы нежелательный постоянный шум. В отличие от TDM, если необходимо передать цифровой сигнал, то его необходимо сначала преобразовать в аналоговую форму, прежде чем его можно будет передать по линии передачи.
Мультиплексирование в кабельном телевидении аналогично радиовещанию, все каналы передаются одновременно, в то время как телевизор, принимающий их, «настраивается» на определенный канал потока данных. Между каналами нет взаимного влияния, потому что сигналы расположены достаточно далеко друг от друга по частоте, чтобы отдельные каналы не перекрывались. Эта структура данных обычно передается через коаксиальный кабель, оптоволокно или с помощью радиопередатчика.
Что такое мультиплексирование с временным разделением (TDM)?
Метод объединения нескольких независимых потоков данных в один сигнал данных и передачи этого единого сигнала данных через мультиплексор на демультиплексор известен как мультиплексирование с временным разделением. TDM отличается от FDM и WDM своим чередованием передачи через единственный сигнал данных. Каждый отдельный сигнал, который передается через мультиплексор, периодически выдается на выход в течение короткого промежутка времени.
Когда мультиплексирование с временным разделением впервые было реализовано в конце 1800-х годов, оно использовалось в телеграфии. TDM в первую очередь использовалось для создания более простого способа передачи множества телеграмм, отправляемых телеграфными машинами Hughes одновременно. Концепция, лежащая в основе использования мультиплексирования с временным разделением, заключалась в том, чтобы принимать несколько телеграфных передач и синхронно передавать их в одно и то же время, используя линию передачи, общую с другими телеграфными машинами Hughes. Это было началом передачи информации на большие расстояния по одной линии связи.
В то время как TDM манипулирует цифровыми данными, телефонные цепи выдают аналоговые сигналы данных. Для правильной работы мультиплексирования необходимы устройства кодера и декодера для обработки аналоговых данных. Кодер преобразует аналоговый формат в квантованный, дискретный по времени формат. После того как кодер преобразовал аналоговые данные в цифровые, эти данные затем мультиплексируются вместе с другими, используя TDM. После того, как данные проходят через единую линию передачи, их принимает демультиплексор, демультиплексирует этот единый сигнал данных и отправляет выделенные сигналы другим устройствам.
TDM, работающее с пропускной способностью сети
Та же концепция мультиплексирования, которая была разработана для связи на большом расстоянии между многочисленными телеграфами Huges, теперь широко используется в сетях с закрытой коммутацией, таких как коммутируемая телефонная сеть общего пользования (PSTN, public switched telephone network). Мультиплексирование с временным разделением получило дальнейшее развитие с момента его создания, и теперь оно может разделить пропускную способность сети на более мелкие части. Основное внимание в этой новой операции уделяется минимизации полосы пропускания, используемой рядом устройств в сети системы. Хотя это тот же термин, что используется и в телеграфах, правила отправки данных были пересмотрены и изменены, поэтому с устройства на устройство могут передаваться данные более высокого качества. Этот метод связи был разработан, чтобы предоставить компаниям упрощенный и экономичный способ построения быстрых сетей, которые связывают устройства друг с другом на обширных географических территориях.
Стандартные системы TDM передают сегменты другим устройствам, предоставляя им уникальный фиксированный временной интервал в сети. Если X, Y и Z представляют устройства для передачи данных, данные из X отправляются в MUX, затем данные из Y отправляются в MUX, и, наконец, данные из Z отправляются в MUX. Эта последовательность повторяется до тех пор, пока не перестанут отправляться данные с каждого устройства. Хотя данные просто пересылаются из «точки A в точку B», всё же существует несколько различных способов планирования систем TDM для более эффективной работы в зависимости от задачи.
Основные системы TDM используют одну из двух традиционных схем мультиплексирования: с чередованием битов или с чередованием байтов. Фиксированному временному интервалу структуры присваивается бит (1 для true или 0 для false) или байт длиной до 8 бит для представления целого числа или символа.
Рисунок 2 – Мультиплексирование с временным разделением (TDM)
Передача посредством мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM)
Этот метод мультиплексирования оказался более полезным для телекоммуникационных компаний в конце 20-го века из-за емкости потоков данных, которые можно передавать по оптоволоконным линиям. Передача с помощью WDM стала возможна, потому что этот метод объединяет в одной линии передачи многочисленные сигналы данных на лазерных лучах с разными длинами волн инфракрасного излучения. Для передачи большого количества потоков данных WDM использует оптоволоконные кабели, что предпочтительнее обычного использования систем FDM и TDM. Эта система похожа на FDM, но этот метод работает на инфракрасном (IR) конце электромагнитного спектра. На приведенном ниже рисунке показан каждый канал потока данных, объединенный в белый свет, который передается по одному оптоволоконному кабелю.
Рисунок 3 – Мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM)
В начале системы каждый сигнал данных управляет своим лазером, далее свет от этих лазеров смешивается призмой в оптическом мультиплексоре и передается по общему оптоволокну. А на приемной стороне полученный световой сигнал подается на оптический демультиплексор, где он разделяется другой призмой по длинам волн, и откуда выделенные сигналы подаются чувствительные к инфракрасному излучению фотоприемники.
Надеюсь, эта статья предоставила вам достаточно информации для понимания основных применений, концепций и схем использования мультиплексирования в телекоммуникационных процессах. Если у вас есть вопросы или отзывы, обязательно оставляйте комментарии!