Мультиплексирование и коммутация
Список ключевых слов: частотное мультиплексирование, уплотненный канал, волновое мультиплексирование, уплотненное волновое мультиплексирование, временное мультиплексирование, асинхронный режим временного мультиплексирования, синхронный режим временного мультиплексирования, тайм-слот, синхронный режим передачи, статистическое временное мультиплексирование, асинхронный режим передачи, дуплексная связь с частотным разделением, дуплексная связь с временным разделением.
Методы кодирования и коррекции ошибок позволяют создать в некоторой среде, например в медных проводах кабеля, линию связи. Однако для эффективного соединения пользователей сети этого недостаточно. Нужно образовать в этой линии отдельные каналы передачи данных, которые можно использовать для коммутации информационных потоков пользователей. Для создания пользовательского канала коммутаторы первичных сетей должны поддерживать какую-либо технику мультиплексирования и коммутации. Методы коммутации тесно связаны с используемым методом мультиплексирования, поэтому здесь они изучаются совместно.
В настоящее время для мультиплексирования абонентских каналов используются:
-
частотное мультиплексирование (Frequency Division Multiplexing, FDM);
-
волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing, WDM);
-
временное мультиплексирование (Time Division Multiplexing, TDM);
-
множественный доступ с кодовым разделением (Code Division Multiple Access, CDMA).
Метод TDM используется при коммутации как каналов, так и пакетов. Методы FDM, WDM и CDMA пригодны исключительно для коммутации каналов. Метод CDMA применяется только в технике расширенного спектра и рассматривается в следующей главе, посвященной беспроводной передаче.
Коммутация каналов на основе методов FDM и WDM
Техника частотного мультиплексирования (FDM) была разработана для телефонных сетей, но применяется она и для других видов сетей, например первичных сетей (микроволновые каналы) или сетей кабельного телевидения.
Основная идея этого метода состоит в выделении каждому соединению своего собственного диапазона частот в общей полосе пропускания линии связи.
На основе этого диапазона и создается канал. Данные, передаваемые в канале, модулируются с помощью одного из описанных выше методов с использованием несущей частоты, принадлежащей диапазону канала. Мультиплексирование выполняется с помощью смесителя частот, а демультплексирование — с помощью узкополосного фильтра, ширина которого равна ширине диапазона канала.
Рассмотрим особенности этого вида мультиплексирования на примере телефонной сети.
На входы FDM-коммутатора поступают исходные сигналы от абонентов телефонной сети. Коммутатор выполняет перенос частоты каждого канала в выделенный каналу диапазон за счет модуляции определенной несущей частоты. Чтобы низкочастотные составляющие сигналов разных каналов не смешивались между собой, полосы делают шириной в 4 кГц, а не в 3,1 кГц, оставляя между ними страховой промежуток в 900 Гц (рис. 9.11). В линии связи между двумя FDM-коммутаторами одновременно передаются сигналы всех абонентских каналов, но каждый из них занимает свою полосу частот. Такой канал называют уплотненным.
Выходной FDM-коммутатор выделяет модулированные сигналы каждой несущей частоты и передает их на соответствующий выходной канал, к которому непосредственно подключен абонентский телефон.
FDM-коммутаторы могут выполнять как динамическую, так и постоянную коммутацию. При динамической коммутации один абонент инициирует соединение с другим абонентом, посылая в сеть номер вызываемого абонента. Коммутатор динамически выделяет данному абоненту одну из свободных полос своего уплотненного канала. При постоянной коммутации за абонентом полоса в 4 кГц закрепляется на длительный срок путем настройки коммутатора по отдельному входу, недоступному пользователям.
Рис. 9.11. FDM-коммутация
Принцип коммутации на основе разделения частот остается неизменным и в сетях другого вида, меняются только границы полос, выделяемых отдельному абонентскому каналу, а также количество низкоскоростных каналов в высокоскоростном канале.
В методе волнового мультиплексирования (WDM) используется тот же принцип частотного разделения каналов, но только в другой области электромагнитного спектра. Информационным сигналом является не электрический ток и не радиоволны, а свет. Для организации WDM-каналов в волоконно-оптическом кабеле используются волны инфракрасного диапазона длиной от 850 до 1565 нм, что соответствует частотам от 196 до 350 ТГц.
В магистральном канале обычно мультиплексируется несколько спектральных каналов — до 16, 32, 40, 80 или 160, причем, начиная с 16 каналов, такая техника мультиплексирования называется уплотненным волновым мультиплексированием (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM). Внутри такого спектрального канала данные могут кодироваться как дискретным способом, так и аналоговым. По сути WDM и DWDM — это реализации идеи частотного аналогового мультиплексирования, но в другой форме. Отличие сетей WDM/DWDM от сетей FDM — в предельных скоростях передачи информации. Если сети FDM обычно обеспечивают на магистральных каналах одновременную передачу до 600 разговоров, что соответствует суммарной скорости в 36 Мбит/с (для сравнения с цифровыми каналами скорость пересчитана из расчета 64 Кбит/с на один разговор), то сети DWDM обеспечивают общую пропускную способность до сотен гигабитов и даже нескольких терабитов в секунду.
Более подробно технология DWDM рассматривается в главе 11.
Коммутация каналов на основе метода TDM
FDM-коммутация разрабатывалась в расчете на передачу голосовых аналоговых сигналов. Переход к цифровой форме представления голоса стимулировал разработку новой техники мультиплексирования, ориентированной на дискретный характер передаваемых данных и носящей название временного мультиплексирования (TDM). Принцип временного мультиплексирования заключается в выделении канала каждому соединению на определенный период времени. Применяются два типа временного мультиплексирования — асинхронный и синхронный. С асинхронным режимом TDM мы уже знакомы — он используется в сетях с коммутацией пакетов. Каждый пакет занимает канал определенное время, необходимое для его передачи между конечными точками канала. Между различными информационными потоками нет синхронизации, каждый пользователь пытается занять канал тогда, когда у него возникает потребность в передаче информации.
Рассмотрим теперь синхронный режим TDM (когда аббревиатура TDM используется без уточнения режима работы, то она всегда обозначает синхронный режим TDM). В этом случае доступ всех информационных потоков к каналу синхронизируется таким образом, чтобы каждый информационный поток периодически получал канал в свое распоряжение на фиксированный промежуток времени.
Рисунок 9.12 поясняет принцип коммутации каналов на основе техники TDM при передаче голоса.
Рис. 9.12. Коммутация на основе разделения канала во времени
Аппаратура TDM-сетей — мультиплексоры, коммутаторы, демультиплексоры — работает в режиме разделения времени, поочередно обслуживая в течение цикла своей работы все абонентские каналы. Цикл 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 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 кадра.
-
Передача кадра на выходной канал с битовой скоростью, равной N х 64 Кбит/с.
Порядок следования байта в кадре соответствует номеру входного канала, от которого этот байт получен. Количество обслуживаемых мультиплексором абонентских каналов зависит от его быстродействия. Например, мультиплексор типа 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 решает обратную задачу — он разбирает байты 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 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 на рис. 9.12 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 кадре, коммутатор обеспечивает соединение конечных абонентов в сети.
Однажды выделенный номер тайм-слота остается в распоряжении соединения в течение всего времени существования этого соединения, даже если передаваемый трафик является пульсирующим и не всегда использует закрепленный за ним тайм-слот. Это означает, что соединение в TDM-сети всегда обладает известной и фиксированной пропускной способностью, кратной 64 Кбит/с.
Работа TDM-оборудования напоминает работу сетей с коммутацией пакетов, так как каждый байт данных можно считать некоторым элементарным пакетом. Однако в отличие от пакета компьютерной сети, «пакет» TDM-сети не имеет индивидуального адреса. Его адресом является порядковый номер в кадре или номер выделенного тайм-слота в мультиплексоре или коммутаторе. Сети, использующие технику TDM, требуют синхронной работы всего оборудования, что и определило второе название этой техники — синхронный режим передачи (Synchronous Transfer Mode, STM).
Нарушение синхронности разрушает требуемую коммутацию абонентов, так как при этом теряется адресная информация. Поэтому перераспределение тайм-слотов между различными каналами в TDM-оборудовании невозможно, даже если в каком-то цикле работы мультиплексора тайм-слот одного из каналов оказывается избыточным, поскольку на входе этого канала в данный момент нет данных для передачи (например, абонент телефонной сети молчит).
Существует модификация техники TDM, называемая статистическим временным мультиплексированием (Statistical TDM, STDM). Эта техника разработана специально для того, чтобы с помощью временно свободных тайм-слотов одного канала можно было увеличить пропускную способность остальных. Для решения этой задачи каждый байт данных дополняется полем адреса небольшой длины, например в 4 или 5 бит, что позволяет мультиплексировать 16 или 32 канала. Фактически, STDM представляет собой уже технику коммутации пакетов, но только с очень упрощенной адресацией и узкой областью применения. Техника STDM не стала популярной и используется в основном в нестандартном оборудовании подключения терминалов к мэйнфреймам. Развитием идей статистического мультиплексирования стала технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM), которая относится уже к коммутации пакетов.
TDM-сети могут поддерживать либо режим динамической коммутации, либо режим постоянной коммутации, а иногда и оба эти режима. Основным режимом цифровых телефонных сетей, работающих на основе технологии TDM, является динамическая коммутация, но они поддерживают также и постоянную коммутацию, предоставляя своим абонентам выделенную линию.
Дуплексный режим работы канала
Дуплексный режим — наиболее универсальный и производительный способ работы канала. Самым простым вариантом организации дуплексного режима является использование двух независимых линий связи (двух пар проводников или двух оптических волокон) в кабеле, каждая из которых работает в симплексном режиме, то есть передает данные в одном направлении. Именно такая идея лежит в основе реализации дуплексного режима работы во многих сетевых технологиях, например Fast Ethernet или ATM.
Иногда такое простое решение оказывается недоступным или неэффективным, например, когда прокладка второй линии связи ведет к большим затратам. Так, при обмене данными с помощью модемов через телефонную сеть у пользователя имеется только одна линия связи с телефонной станцией — двухпроводная. В таких случаях дуплексный режим работы организуется на основе разделения линии связи на два логических канала с помощью техники FDM или TDM.
При использовании техники FDM для организации дуплексного канала диапазон частот делится на две части. Деление может быть симметричным и асимметричным, в последнем случае скорости передачи информации в каждом направлении отличаются (популярный пример такого подхода — технология ADSL, используемая для широкополосного доступа в Интернет). В случае когда техника FDM обеспечивает дуплексный режим работы, ее называют дуплексной связью с частотным разделением (Frequency Division Duplex, FDD).
При цифровом кодировании дуплексный режим на двухпроводной линии организуется с помощью техники TDM. Часть тайм-слотов используется для передачи данных в одном направлении, а часть — в другом. Обычно тайм-слоты противоположных направлений чередуются, из-за чего такой способ иногда называют «пинг-понговой» передачей. Дуплексный режим TDM получил название дуплексной связи с временным разделением (Time Division Duplex, TDD).
В волоконно-оптических кабелях с одним оптическим волокном для организации дуплексного режима работы может применяться технология DWDM. Передача данных в одном направлении осуществляется с помощью светового пучка одной длины волны, а в обратном — другой длины волны. Собственно, решение частной задачи — создание двух независимых спектральных каналов в одном окне прозрачности оптического волокна — и привело к рождению технологии WDM, которая затем трансформировалась в DWDM.
Появление мощных процессоров DSP (Digital Signal Processor), которые могут выполнять сложные алгоритмы обработки сигналов в реальном времени, сделало возможным еще один вариант дуплексной работы. Два передатчика работают одновременно навстречу друг другу, создавая в канале суммарный аддитивный сигнал. Так как каждый передатчик знает спектр собственного сигнала, то он вычитает его из суммарного сигнала, получая в результате сигнал, посылаемый другим передатчиком.
Выводы
Для представления дискретной информации применяются сигналы двух типов: прямоугольные импульсы и синусоидальные волны. В первом случае используют термин «кодирование», во втором — «модуляция».
При модуляции дискретной информации единицы и нули кодируются изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала.
Аналоговая информация может передаваться по линиям связи в цифровой форме. Это повышает качество передачи, так как при этом могут применяться эффективные методы обнаружения и исправления ошибок, недоступные для систем аналоговой передачи. Для качественной передачи голоса в цифровой форме используется частота оцифровывания в 8 кГц, когда каждое значение амплитуды голоса представляется 8-битным числом. Это определяет скорость голосового канала в 64 Кбит/с.
При выборе способа кодирования нужно одновременно стремиться к достижению нескольких целей: минимизировать возможную ширину спектра результирующего сигнала, обеспечивать синхронизацию между передатчиком и приемником, обеспечивать устойчивость к шумам, обнаруживать и по возможности исправлять битовые ошибки, минимизировать мощность передатчика.
Спектр сигнала является одной из наиболее важных характеристик способа кодирования. Более узкий спектр сигналов позволяет добиваться более высокой скорости передачи данных при фиксированной полосе пропускания среды.
Код должен обладать свойством самосинхронизации, то есть сигналы кода должны содержать признаки, по которым приемник может определить, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита.
При дискретном кодировании двоичная информация представляется различными уровнями постоянного потенциала или полярностью импульса.
Наиболее простым потенциальным кодом является код без возвращения к нулю (NRZ), однако он не является самосинхронизирующимся.
Для улучшения свойств потенциального кода NRZ используются методы, основанные на введении избыточных битов в исходные данные и на скремблировании исходных данных.
Коды Хэмминга и сверточные коды позволяют не только обнаруживать, но и исправлять многократные ошибки. Эти коды являются наиболее часто используемыми средствами прямой коррекции ошибок (FEC).
Для повышения полезной скорости передачи данных в сетях применяется динамическая компрессия данных на основе различных алгоритмов. Коэффициент сжатия зависит от типа данных и применяемого алгоритма и может колебаться в пределах от 1:2 до 1:8.
Для образования нескольких каналов в линии связи используются различные методы мультиплексирования, включая частотное (FDM), временное (TDM) и волновое (WDM), а также множественный доступ с кодовым разделением (CDMA). Техника коммутации пакетов сочетается только с методом TDM, а техника коммутации каналов позволяет использовать любой тип мультиплексирования.
Вопросы и задания
-
Что можно отнести к достоинствам и недостаткам кода NRZ?
-
Какой тип информации передается с помощью амплитудной манипуляции?
-
Почему амплитудная манипуляция не применяется в широкополосных каналах?
-
Какие параметры синусоиды изменяются в методе QAM? Варианты ответов:
-
амплитуда;
-
амплитуда и фаза;
-
амплитуда и частота;
-
частота и фаза.
Сколько битов передает один символ кода, имеющий семь состояний?
Поясните, из каких соображений выбрана пропускная способность 64 Кбит/с элементарного канала цифровых телефонных сетей?
Какой способ применяется для повышения самосинхронизации кода B8ZS?
Чем логическое кодирование отличается от физического?
Какой принцип лежит в основе методов обнаружения и коррекции ошибок? Варианты ответов:
-
самосинхронизация;
-
избыточность;
-
максимизация отношения мощности сигнала к мощности помех.
Назовите методы компрессии, наиболее подходящие для текстовой информации. Почему они неэффективны для сжатия двоичных данных?
Что подразумевается под расстоянием Хемминга?
Каково расстояние Хемминга в схемах контроля по паритету?
Можно ли использовать частотное мультиплексирование в сети Ethernet?
Какой режим временного мультиплексирования используется в сетях с коммутацией пакетов?
Можно ли сочетать различные методы мультиплексирования? Если да, то приведите соответствующие примеры.
Что общего в методах частотного и временного мультиплексирования?
На основании какой техники организуется дуплексный режим работы канала, если оба передатчика используют один и тот же диапазон частот в одно и то же время?
Найдите первые две гармоники спектра NRZ-сигнала при передаче последовательности 110011001100..., если тактовая частота передатчика равна 100 МГц.
Какие из 16-ти кодов 3В/4В вы выберете для передачи пользовательской информации?
Предложите избыточный код с расстоянием Хемминга, равным 3.
Могут ли данные надежно передаваться по каналу с полосой пропускания от 2,1 до 2,101 ГГц, если для их передачи используется несущая частота 2,1005 ГГц, амплитудная манипуляция с двумя значениями амплитуды и тактовая частота 5 МГц?
Предложите коды неравной длины для каждого из символов А, В, С, D, F и О, если нужно передать сообщение BDDACAAFOOOAOOOO. Будет ли достигнута компрессия данных по сравнению с использованием:
-
традиционных кодов ASCII?
-
кодов равной длины, учитывающих наличие только данных символов?
Во сколько раз увеличится ширина спектра кода NRZ при увеличении тактовой частоты передатчика в два раза?