Мультиплексирование с кодовым разделением. Методы мультиплексирования оптических каналов связи
Устройство, предназначенное для выполнения коммутации, называется коммутатором (switch). Коммутатор производит коммутацию входящих в его порты информационных потоков , направляя их в соответствующие выходные порты (рис. 5.2).
Рис.
5.2.
Однако, прежде чем выполнить коммутацию, коммутатор должен распознать поток . Для этого поступившие данные проверяются на предмет наличия признаков какого-либо из потоков , заданных в таблице коммутации . Если произошло совпадение, то эти данные направляются на тот интерфейс , который был определен для них в маршруте.
Термины коммутация, таблица коммутации и коммутатор в телекоммуникационных сетях могут трактоваться неоднозначно. Мы уже определили термин коммутация как процесс соединения абонентов сети через транзитные узлы . Этим же термином мы обозначаем и соединение интерфейсов в пределах отдельного транзитного узла . Коммутатором в широком смысле слова называется устройство любого типа, способное выполнять операции переключения потока данных с одного интерфейса на другой. Операция коммутации может быть выполнена в соответствии с различными правилами и алгоритмами. Некоторые способы коммутации и соответствующие им таблицы и устройства получили специальные названия (например, маршрутизация , таблица маршрутизации , маршрутизатор ). В то же время за другими специальными типами коммутации и соответствующими устройствами закрепились те же самые названия – коммутация, таблица коммутации и коммутатор – которые здесь используются в узком смысле, например коммутация и коммутатор локальной сети. В телефонных сетях , которые появились намного раньше компьютерных, также используется аналогичная терминология, коммутатор является здесь синонимом телефонной станции. Из-за солидного возраста и гораздо большей (пока) распространенности телефонных сетей, чаще всего в телекоммуникациях под термином "коммутатор" понимают именно телефонный коммутатор.
Коммутатором может быть как специализированное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации, в этом случае коммутатор называется программным . Компьютер может совмещать функции коммутации данных, направляемых на другие узлы, с выполнением своих обычных функций конечного узла. Однако во многих случаях более рациональным является решение, в соответствии с которым некоторые узлы в сети выделяются специально для выполнения коммутации. Эти узлы образуют коммутационную сеть , к которой подключаются все остальные. На рис. 5.3 показана коммутационная сеть , образованная из узлов 1, 5, 6 и 8, к которой подключаются конечные узлы 2, 3, 4, 7, 9 и 10.
Рис. 5.3.
Мультиплексирование и демультиплексирование
Как уже было сказано, прежде чем выполнить переброску данных на определенные для них интерфейсы, коммутатор должен понять, к какому потоку они относятся. Эта задача должна решаться независимо от того, поступает ли на вход коммутатора только один поток в "чистом" виде, или "смешанный" поток , который объединяет в себе несколько потоков . В последнем случае к задаче распознавания добавляется задача демультиплексирования .
Задача демультиплексирования ( demultiplexing ) - разделение суммарного агрегированного потока , поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков .
Как правило, операцию коммутации сопровождает также обратная операция - мультиплексирование .
Задача мультиплексирования ( multiplexing ) - образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока , который можно передавать по одному физическому каналу связи.
Операции мультиплексирования /демультиплексирования имеют такое же важное значение в любой сети, как и операции коммутации, потому что без них пришлось бы все коммутаторы связывать большим количеством параллельных каналов, что свело бы на нет все преимущества неполносвязной сети.
На рис. 5.4 показан фрагмент сети, состоящий из трех коммутаторов. Коммутатор 1 имеет пять сетевых интерфейсов . Рассмотрим, что происходит на интерфейсе 1. Сюда поступают данные с трех интерфейсов - int 3, int.4 и int.5. Все их надо передать в общий физический канал , то есть выполнить операцию мультиплексирования . Мультиплексирование представляет собой способ обеспечения доступности имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.
Рис. 5.4.
Существует множество способов мультиплексирования потоков в одном физическом канале, и важнейшим из них является разделение времени. При этом способе каждый поток время от времени (с фиксированным или случайным периодом) получает в свое распоряжение
И связи , мультиплекси́рование (англ. multiplexing, muxing ) - уплотнение канала, то есть передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу.
В телекоммуникациях мультиплексирование подразумевает передачу данных по нескольким логическим каналам связи в одном физическом канале. Под физическим каналом подразумевается реальный канал со своей пропускной способностью - медный или оптический кабель, радиоканал.
В информационных технологиях мультиплексирование подразумевает объединение нескольких потоков данных (виртуальных каналов) в один. Примером может послужить видеофайл, в котором поток (канал) видео объединяется с одним или несколькими каналами аудио.
Устройство или программа, осуществляющая мультиплексирование, называется мультиплексором .
Принципы мультиплексирования
Мультиплексирование с разделением по частоте (FDM)
Технология
Поскольку исходящий канал может быть занят, на входах предусмотрены буферы для хранения пакетов. В связи с этим некоторые пакеты могут быть доставлены в место назначения с переменными задержками.
Основные применения
- сети коммутации пакетов, в том числе сети с быстрой коммутацией пакетов .
См. также
Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM)
Технология
Мультиплексирование с разделением по длине волны (англ. WDM , Wavelength Division Multiplexing ) предполагает передачу по одному оптическому волокну каналов на различных длинах волн. В основе технологии лежит факт того, что волны с разными длинами распространяются независимо друг от друга. Выделяют три основных типа спектрального уплотнения: WDM, CWDM и DWDM.
Основные применения
- городские сети передачи данных
- магистральные сети передачи данных
Применение мультиплексирования современными провайдерами ШПД
Мультиплексирование (см. Овербукинг) современными провайдерами ШПД обусловлено экономическими и технологическими особенностями сетей передачи данных.
Экономические особенности передачи данных состоят в следующем. При вводе в одну точку подключения 100 Мбит/сек полосы провайдер в состоянии подключить порядка 100 клиентов с заявленной скоростью в 100 Мбит/сек, без потери видимого ощущения скорости Интернета. Рассмотрим подробнее: допустим, стоимость 100 Мбит/сек равна 100 000 р. Не каждая фирма или частное лицо способно оплачивать постоянный доступ по такой цене. Если провайдер назначит цену в 2 000 р. за доступ к такой полосе, и продаст этот доступ 50-100 пользователям, он получит прибыль, а пользователи - доступную услугу.
Что касается скорости доступа для пользователей. Допустим, 10 из 100 пользователей одновременно скачивают «тяжелый» контент из сети. У каждого провайдера стоит система распределения нагрузки, то есть заполучить весь канал в 100 Мбит/сек у пользователя не получится. Система ограничит ваш канал по определенной формуле, но даже при скорости скачивания в 10 Мбит/сек загрузка файла размером в 30 Мбайт займет не более 30 секунд. Далее ваша нагрузка на канал сведется к просмотру страниц и пользованию почтой. Если масштабировать ситуацию и принять, что у провайдера таких каналов связи и, соответственно, пользователей больше в сотни и тысячи раз, можно представить, что в каждый определенный промежуток времени каждый пользователь физически не способен запрашивать столько информации, чтобы загрузить канал. Поэтому скорость может незначительно снижаться в «часы пик» и оставаться на заявленном уровне в остальное время.
Примечания
См. также
Литература
- Д. Дэвис, Д. Барбер, У. Прайс, С. Соломонидес. Вычислительные сети и сетевые протоколы = Computer Networks and their Protocols / Пер. с англ. под ред. д.т.н., проф. С. И. Самойленко. - М. : "Мир", 1982. - 562 с. - 10,000 экз.
В протяженных СПД емкости магистральных линий связи обычно значительно превышают емкости передач отдельных приложений. Это делается с целью одновременной передачи множества этих приложений. С целью повышения эффективности передающей среды и ее адаптации под множество разнородных приложений применяется передача одновременно сразу нескольких информационных сигналов в одном носителе – мультиплексирование. Другими словами.:д ля использования высокоскоростных характеристик, предоставляемых широкополосными каналами широко применяют так называемое мультиплексорное подключение.
Общее назначение мультиплексора – согласование большого числа низкоскоростных каналов с с меньшим (как правило одним) числом высокоскоростных.
С1 Свых Сi-пропускная способность каналов.
|
1)Если Свх=Свых- то система называется мультиплексором.
2)Если Свх>Свых- то статический мультиплексор или концентратор.
3)Если Свх<Свых- то коммутатор.
Мультиплексирование с частотным уплотнением (FDM) при использовании каналов ГТС имеет хорошие характеристики по дальности связи, уступая временному уплотнению по скорости передачи данных.
Пример мультиплексора с частотным уплотнением – МЧУ.
При использовании данного МЧУ возможно использование полосы частот для передачи данных и речевых сообщений, а так же для передачи телеметрической информации.
Разновидностью FDM является применяемое волновое мультиплексирование WDM , применяемое и опто-волоконных системах. Преимущественно используется область спектра от l=1.3 нм (230 Тгц) до 1.6 нм (188 Тгц). Для плотного волнового мультиплексирования используется область спектра 1530-1560 нм.
WDM широко применяется при так называеемом инверсном мультиплексировании когда широкополосный сигнал при передаче размещается в нескольких каналах с меньшей полосой пропускания.
Пример использования инверсного WDM мультиплексирования в протяженной ОЛС.
Мультиплексный сигнал, представленный множесвом длин волн лучше противостоит влиянию дисперсии и вносимому шуму оптических усилстелей EDFA в протяженной свутоволоконной линии.
Для получения больших скоростей передачи данных используются мультиплексоры с временным уплотнением используется посимвольная или побитная синхронизация. Рассмотрим на примере мультиплексора сВУ, объединяющего четыре направления A,B,C,D как реализуется тот и другой способ синхронизации.
Выходная посылка с МВУ в высокоскоростном канале для МВУ.
А)с посимвольной (побайтной, объектной) синхронизацией.
Тайм слоты
Б)с побитной синхронизацией.
В)При асинхронном (статическом) временным разделением каналов.
 |
При посимвольной синхронизации – возможно большее сжатие, т.к. стартовые стеновые сигналы могут исключаться, а при побитовой синхронизации это невозможно и кроме того при побитовой синхронизации может привести к потере адресной информации и к потере всей последовательности из-за передачи по неправильным адресам, коды побитовая синхронизация реализуется проще. Поместив простой МВУ в синхронный модем можно получить многовходовый (многоканальный) модем. На аналоговый ТЛФ Модем с МВУ (модем / мульдекс) до 19200 бит/сек. Аналоговый широкополосный канал МВУ с чередованием битов и байтов со статистическим уплотнением до 64 кбит/сек.
С контролем ошибок протокол HDLC.
Скорость передачи через внутренний общий интерфейс между МВУ и модемом равна суммарной пропускной способности синхронных каналов данных например 9600 бит/сек=4 х 2400 бит/сек.
МСВУ (мультиплексоры статистического временного уплотнения) – динамически распределяют пропускную способность общего канала. Фиксированный формат кадра в современных системах не используется. Кадры общего канала могут меняться как по длине так и по составу данных из каналов данных. Каждая позиция в кадре выделяется каналу данных только тогда, когда в нем имеются данные для передачи. Если в какой-то промежуток времени активным является только один канал данных. Все позиции в кадре могут быть выделены этому каналу. Если активными являются все каналы одновременно, в действие вступает приоритетная система, не позволяющая какому-либо одному каналу захватить все позиции в кадре. К МСВУ можно подключить больше каналов данных, чем к МВУ с синхронным уплотнением и фиксированным кадром, поскольку уменьшаются расходы времени на пересылку пустых символов. МВУ с чередованием знаков и фиксированным кадром фактически сняты с производства. В настоящее время имеется широкий спектр МВВУ с возможностью подключения от 4/8 до нескольких сотен каналов.
Одним из преимуществ МСВУ является использование протоколов типа ARQ(ARQ – automatic reguest for retransmission) - автоматический запрос повторной передачи в общем канале: любой блок данных с искажениями в результате воздействия линейных помех должен быть передан повторно. Обычно используются дуплексные протоколы типа HDLC, используемого, например, на канальном уровне стека протоколов Х25..
Изготовители МСВУ обычно указывают число асинхронных каналов данных которые могут быть подключены при данной канальной скорости (бит/сек). Для приближенного расчета можно принять, что суммарная скорость асинхронных каналов может быть в 4 раза больше скорости передачи синхронного общего канала (но ни один из каналов данных не должен превышать скорости передачи по общему каналу!)
Пример приближеннного расчета количества асинхронных каналов. Общий канал – 9600 бит/сек. å Скорость асинхронных каналов 4 х 9600 = 38400 бит/сек., такая пропускная способность может обеспечить следующее число каналов а)восемь асинхронных по 4800 бит/сек, б)16 асинхронных по 2400 бит/сек, в)32 асинхронных по 1200 бит/сек.
Сначала статистическое мультиплексирование было использовано в сетях с протоколами Х.25,позже в сетях Frame Relay и ATM , речь о которых пойдет при рассмотрении технологий глобальных вычислительных сетей (ГВС).
Ниже в таблице приведены сравнительные характеристики синхронного и статистического мультиплексирования.
Как видно из таблицы, преимущества одного метода можно рассматривать в некоторой степени как недостатки другого.
Передача данных по широкополосным уплотненным каналам при большой удаленности ведется в соответствии со стандартами, регламентирующими скорость передачи данных.
В США и странах, придерживающихся аналогичных стандартов, применяются система Т1 (1.544 Мбит/сек) и Т3 (45 Мбит/сек). В Европе аналогом систем Т1 и Т3 является Е1 (2 Мбит/сек) и Е3 (34 Мбит/сек). Основная причина популярности цифровых линий в том, что они обеспечивают высокоскоростную передачу данных, практически на 99% свободную от ошибок. Цифровые линии доступны в различных формах, включая стандарты DDS (синхронное соединение точка-точка 2.4;4,8;9,6;56 кбит/сек).
Т1- самый распространенный вид цифровой линии. Использует две пары проводов с передачей данных на скорости 1.544 Мбит/сек. Т1 делит канал на 24 подканала и опрашивает каждый 8000 раз в секунду. При каждом обращении к каналу передаются 8 бит, скорость по подканалу – 64 кбит/сек.
Т3- Выделение линии Т-3 передают данные со скоростью от 6 до 45 мбит/сек. Наибольшая прпускная способность среди общедоступных сегодня линий. Может заменить несколько линий Т1.
В информационных технологиях и связи, мультиплекси́рование (англ. multiplexing, muxing ) - уплотнение канала, т. е. передача нескольких
потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу.
В телекоммуникациях мультиплексирование подразумевает передачу данных по нескольким логическим каналам связи в одном физическом канале. Под физическим каналом подразумевается реальный канал со своей пропускной способностью - медный или оптический кабель, радиоканал.
В информационных технологиях мультиплексирование подразумевает объединение нескольких потоков данных (виртуальных каналов) в один. Примером может послужить видеофайл, в котором поток (канал) видео объединяется с одним или несколькими каналами аудио.
Устройство или программа, осуществляющая мультиплексирование, называется мультиплексором.
Мультиплексирование с разделением по частоте (FDM).
Мультиплексирование 3 каналов с разделением по частоте.
Технология.
Мультиплексирование с разделением по частоте (англ. FDM , Frequency Division Multiplexing ) предполагает размещение в пределах полосы пропускания канала нескольких каналов с меньшей шириной. Наглядным примером может послужить радиовещание, где в пределах одного канала (радиоэфира) размещено множество радиоканалов на разных частотах (в разных частотных полосах).
Основные применения.
Используется в сетях мобильной связи (см. FDMA) для разделения доступа, в волоконно-оптической связи аналогом является мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM, Wavelength Division Multiplexing ) (где
частота - это цвет излучения излучателя), в природе - все виды разделений
по цвету (частота электромагниных колебаний) и тону (частота звуковых колебаний).
Мультиплексирование с разделением по времени (TDM).
Технология.
Мультиплексирование с разделением по времени (англ. TDM , Time
Division Multiplexing ) предполагает кадровую передачу данных, при этом
переход с каналов меньшей ширины (пропускной способности) на каналы с
большей освобождает резерв для передачи в пределах одного кадра большего
объёма нескольких кадров меньшего.
На рисунке: А, В и С - мультиплексируемые каналы с пропускной способностью (шириной) N и длительностью кадра Δt; E - мультиплексированный канал с той же длительностью Δt но с шириной M*N, один кадр которого (суперкадр ) несёт в себе все 3 кадра входных мультиплексируемых сигналов последовательно , каждому каналу отводится
часть времени суперкадра - таймслот, длиной Δt M =Δt/M
Таким образом, канал с пропускной способностью M * N может пропускать M каналов с пропускной способностью N, причём при соблюдении канальной скорости (кадров в секунду) результат демультиплексирования совпадает с исходным потоком канала (А, В или С на рисунке) и по фазе, и по скорости, т. е. протекает незаметно для конечного получателя.
Основные применения
беспроводные TDMA-сети, Wi-Fi, WiMAX;
канальная коммутация в PDH и SONET/SDH;
пакетная коммутация в ATM, Frame Relay, Ethernet, FDDI;
коммутация в телефонных сетях;
последовательные шины: PCIe, USB.
Различное число мастергрупп и супергрупп может быть использовано в процессе группирования, образуя мультимастергруппы (или четверичные группы). Этот метод мультиплексирования использовался только для аналоговых систем.Временнoе мультиплексирование
При использовании ИКМ наиболее удобной является схема мультиплексирования с временным разделением каналов, или, кратко, схема временного мультиплексирования с использованием коммутатора (на передающей стороне), который последовательно подключает каждый входной канал на определенный временной интервал (называемый тайм-слот, или интервал коммутации, или “цикл”), необходимый для посылки выборки (или какой-то фиксированной части) сигнала в данном канале. Сформированный таким образом поток выборок от разных входных каналов направляется в канал связи. На его приемной стороне демультиплексор с помощью аналогичного коммутатора и фильтров нижних частот выделяет отдельные выборки и распределяет их по соответствующим каналам. Важно то, что коммутаторы на передающей и приемной сторонах должны работать синхронно, т.е. должны быть синхронизированы.
Для ИКМ в телефонных сетях коммутатор должен обращаться с периодом, равным периоду дискретизации Т д, тогда интервал коммутации канала D
t к = Т д /n, где n – число входных каналов мультиплексора, или D
t к = 125 / n [мкс]. Если мультиплексируются 32 канала (CEPT), то D
t к = 3.90625 мкс. Однако введенное понятие интервала коммутации как фиксированной величины верно в идеальном случае. На практике в ряде случаев оно условно, а сам процесс коммутации может быть неравномерным, так как для синхронизации коммутаторов должен использоваться синхроимпульс (его цифровой аналог, например последовательность вида “11...11” определенной длины). Если он передается по какому-то внешнему каналу управления, то рассмотренная схема идеального мультиплексирования абсолютно верна, если же используется внутриканальная синхронизация, то процесс синхронизации сводится к вставке или дополнительного (синхронизирующего или выравнивающего) бита, или группы бит, после m выборок, либо организации более сложной повторяющейся структуры в потоке выборок, включающей m выборок и k полей определенной длины или выравнивающих бит.
Эта структура может быть разной, но она фиксирована для конкретной схемы кодирования ИКМ и носит название кадр, или фрейм (frame), или “цикл”. Несколько фреймов могут объединяться в еще более общую структуру называемую мультифрейм (multiframe), или “сверхцикл”. Период повторения фрейма – это время, требуемое на один полный цикл коммутации с учетом времени вставки выравнивающей группы бит.
Временное мультиплексирование двоичных потоков данных
