Fundamentos de Telecomunicações Aula 4: Multiplexagem.
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Fundamentos de Telecomunicações
Aula 4:
Multiplexagem
Sumário
TDM -Multiplexagem pela divisão do tempo TDM Síncrono TDM Estatístico FDM-Multiplexagem pela divisão na
frequência
Introdução
No caso mais simples cada canal de transmissão transporta apenas os sinais de uma fonte
Quando o canal de transmissão possui capacidade muito superior ao débito da fonte, pode-se usar esse canal para transportar os sinais de mais do que uma fonte
Quando isso acontece diz-se que o canal está a ser partilhado ou multiplexado.
Multiplexagem
Categorias de Multiplexagem
Multiplexagem
Divisão do TempoTDM
Divisão da FrequênciaFDM
Divisão do EspaçoSDM
Divisão CódigoCDMA
TDM: Multiplexagem por Divisão no Tempo
Sinal amostrado é nulo no espaço entre amostras– Durante grande parte do tempo– Podemos aproveitar os tempos mortos para
transmitir amostras de sinais doutras fontes
TDM
TDM
TDM
frequência
tempo
TDM
Sistema TDM
Ritmo de transmissão TDM
ão transmissde canal no ritmo2
tramamesma numa contíguas amostras entre tempo1
entrada mesma da sucessivas amostras entre tempo1
fonte cada paracomutador do ritmo -ciclos/s B2
fontes das banda de Largura -
NBNfr
NfN
T
fT
f
B
ac
a
a
aa
a
Sistema TDM com 3 canais PCM
Multiplexagem por divisão no tempo: TDM
Processo Digital que permite que várias conexões partilham uma ligação com muita largura de banda
Fatias (Slots) de tempo e Tramas (Frames)– Cada PC tem uma fatia de tempo– No TDM uma trama consiste num ciclo completo de fatias de tempo
Based onData Communications and Networking, 3rd EditionBehrouz A. Forouzan,
© McGraw-Hill Companies, Inc., 2004
Quadros TDM
TDM Puro: débito mux-para-mux = débitos dos PCs agregados Sem perdas de dados (similar à multiplexagem de chamadas
telefónicas)
Based onData Communications and Networking, 3rd EditionBehrouz A. Forouzan,
© McGraw-Hill Companies, Inc., 2004
Exemplo 1Exemplo 1
4 ligações 1-Kbps são multiplexadas. A unidade é 1 bit. Determine:(1) A duração de 1 bit antes da multiplexagem, (2) O débito da ligação , (3) a duração duma fatia de tempo (4) a duração dum quadro?
SoluçãoSoluçãoPodemos responder assim:1. A duração do bit é 1/1 Kbps, ou 0.001 s (1 ms).2. O débito da ligação é 4 Kbps.3. A duração de cada fatia de tempo é 1/4 ms ou 250 s. 4. A duração de cada quadro é 1 ms.
Intercalação
Multiplexador/Desmultiplexador processa um PC de cada vez
Intercalação de caracter (byte) – A multiplexagem processa de cada vez um/mais caracteres de
cada unidade Intercalação de bit
– A multiplexagem processa um bit de cada unidade de cada vez
Exemplo 2Exemplo 2
Quatro canais são multiplexados usando o TDM. Cada um deles envia 100 bytes/seg e é multiplexado 1 byte por canal. Mostre o quadro a viajar no canal, a duração do quadro, a taxa de quadros e o débito em bits para a ligação
Exemplo 2: Solução
Comutador Electrónico para TDM
Sincronização
Questão essencial da multiplexagem é a sincronização entre comutador e o distribuidor– Cada amostra tem que ser entregue ao destino
correcto e no instante devido– O distribuidor deve estar posicionado na saída do
destino i sempre que chega amostra originária da fonte i (trama alinhada)
Sinal PAM TDM com sincronização
Conceito de Canal Virtual
Tudo se passa como se cada para fonte destino tivesse um caminho dedicado onde transitam amostras do respectivo sinal
Este conceito aparece frequentemente em outros contextos de telecomunicações em especial na comunicação de dados e comunicação entre computadores
Representação de Canal Virtual
Técnicas de TDM
Na técnica descrita– Símbolos sucedem-se regularmente no tempo– Tramas contíguas sem interrupção
TDM síncrono– Quando uma fonte deixa de transmitir os intervalos de
tempo que lhe estão atribuídos têm que decorrer pois são esses intervalos que identificam a fonte
TDM assíncrono– Não se exige a referida ordenação temporal nem a
contiguidade das tramas e pode-se usar o tempo desperdiçado.
Aplicações TDM
Telefone Digital Comunicação de Dados Acesso a satélite Rádio Celular
TDM Síncrono
Introdução
A primeira forma apareceu com a digitalização TDM do sistema telefónico
Começou com a preocupação de transmitir canais de voz de qualidade telefónica
– Sistemas de multiplexagem TDM A sua estrutura mostrou-se desadequado para TV
digital, comunicação entre computadores– Surgiram outras estruturas de multiplexagem como a SDH
e a SONET Usaremos o PCM como referência e abordaremos
aspectos de outros sistemas
Organização de Tramas
Os sistemas TDM digitais multiplexam os canais na forma digital binária
– Fontes analógicas são previamente digitalizdas– A cada amostra PAM passa a corresponder um
grupo de k bits (uma palavra)– O ritmo unitário corresponde a uma canal
telefónico (4kHz) com 8 bits por amostra
KbpsxxxBxkrb 648422
Organização das Tramas
Constituída pela multiplexagem no tempo de N canais de K bits– 2 organizações
Canais entrelaçados Dígitos entrelaçados
Formas de organização de tramas
Alinhamento das tramas
Típica da multiplexagem síncrona Sincronização do equipamento terminal de
recepção tanto em frequência como em fase à frequência de símbolos que está a receber.
Operação necessária cada vez que o receptor entra em operação– Inicial ou após interrupção
Receptor alinhado
Precisa de referência temporal periódica para verificar isocronismo e detectar eventuais desvios de fase
Referência temporal consiste num padrão de bits organizado da seguinte forma– Alinhamento agrupado: v bits consecutivos no
ínicio de cada trama– Alinhamento distribuído: os v bits do padrão estão
distribuídos na mesma trama ou em várias
Referência temporal simulada
Padrão com baixa auto-correlação Bloqueando canais da trama e enviando
sequência determinística Confirmando o correcto alinhamento através
de critérios diferentes (ausência de padrão de alinhamento em tramas alternadas)
Sinalização
Transmissão de informação de controlo entre equipamentos de multiplexagem– Possui semântica própria– Sinalização dentro do octeto (em banda)– Sinalização fora do octeto– Sinalização em canal comum (+ utilizada)
Sistemas de Multiplexagem PCM
Proliferação de sistemas de multiplexagem incompatíveis– Ritmos de transmissão– Número de canais por trama– Método de sinalização
Normas ITU– Sistema Europeu– Sistema Americano (AT&T)
Sistema de Multiplexagem Primário Europeu
Referenciado abreviadamente como ritmo de 2Mbps resultante da composição da trama com 125us de duração por 32 canais básicos
Canais 1-15;17-31 constituem os 30 canais de informação utilizáveis
Canal 0 destina-se à transmissão em tramas alternadas do padrão de alinhamento da trama
Canal 16- Usado para numeração das tramas num alinhamento multitrama
Sinalização fora do octecto
Estrutura da trama PCM de 2 Mbps
Multitrama PCM de 2 Mbps
Algoritmo de Alinhamento SP Europeu
Sistema de Multiplexagem Primário Amerciano
24 canais +1 bit de sincronismo de trama =193 bits
193bits/125 us = 1544 Kbps~1.5Mbps Sinalização dentro do octeto : último bit de
cada canal das tramas 6 e 12
Estrutura da trama PCM de 1.5Mbps
Multitrama PCM 1.5Mbps e canais de sinalização
Hierarquia de Multiplexagem PDH
Para multiplexar um maior número de canais– Recorre-se à hierarquização de estágios de
multiplexagem sucessivos Ritmo agregado mais elevado
Exemplo de Multiplexagem PDH Europeia
Hierarquia de multiplexagem PDH
Exemplo 6.1
Hierarquia de Multiplexagem PDH
Infra-estruturas das operadoras estão estruturadas segundo esta hierarquia– Utente deve dispor de terminal apropriado para o
serviço que pretende usar Se não for o caso tem que se intercalar um DSU
Anisocronismo das tributárias
Os multiplexadores de nível inferior a um determinado nível de multiplexagem são designadas tributárias – Na construção do nível n de multiplexagem a
partir de tramas de n-1 há o problema do assincronismo das tributárias
Fontes geograficamente distantes– Frequências ligeiramente diferentes– Frequências isócronas mas desfasadas– Desfasamento provoca atrasos (jitter)
Estrutura da trama PDH de 2ª ordem a 8 Mbps
Formato da trama de multiplexagem de 8 Mbps
Arquitectura dos Multiplexadores
Duplexidade dos Multiplexadores
Formatos de tramas SDH e SONET
Tramas básicas: blocos de 810 bytes com 125 us de duração– Coincide com o período PCM: são produzidas
8000 tramas por segundo– Sistema síncrono: as tramas são sempre emitidas
com informação útil ou não– Tramas descritas com matriz 9*90
Formato de Tramas SDH e SONET
Formatos de tramas SDH e SONET
Ritmo binário bruto– 810x8=6480 bits/125 us -> 51.84 Mbps (canal básico
SONET)– Trama correspondenre STS-1– Todos os restantes ritmos são múltiplos do STS-1– 3 1ºs bytes são reservados para gestão do sistema
(sinalização da linha e da secção)– Restantes 87 colunas transportam dados do utilizador - as
origens/destinos ligados aos equipamentos terminais. Esses dados SPE (Synchronous Payload Envelope)
Hierarquias de Multiplexagem SDH e SONET
Multiplexagem Hierárquica SDH
TDM Estatístico
Multiplexagem síncrona
Apropriada para transmissão digitalizada de fontes que produzem tráfego a um ritmo contínuo ou regular
Existem fontes que não se comportam desta forma– Computadores, Terminais de Dados– Tráfego produzido de forma aleatória
Característica do Tráfego Gerado por Computador
De natureza aleatória Multiplexador para tirar partido deveria
– Alocar dinamicamente as ranhuras temporais das tramas de saída
Em função da existência de informação nos buffers de entrada e com o seu estado de ocupação
Multiplexagem estatística ou assíncrona
Característica do Tráfego Gerado por Computador
Intermitente não regular Carácter Aleatório Com elevado factor de crista
– Relação elevada entre o ritmo binário nominal e médio (>> 1)
Muitos picos (bursts) de tráfego Muitos tempos mortos
Características do trafego gerado por computador
fc
r
td
rb
rbfc
trb
ii
d
i
1
tempodo
fracção uma durante apenas m transmiteosequipament Os
crista deFactor
tdurante dos transmitibits de número
aleatória é 1 trafegodo ciaintermitên da Duração
d
i
Características do trafego gerado por computador
Unidade de dados (DU) de transmissão– Equipamento nunca transmite apenas um bit
Ou um byte ou um múltiplo do byte
– DU é um conjunto de bits emitidos consecutivamente e interpretado como um todo
DU pode ser de tamanho fixo ou variável (mensagens)
– Da figura anterior
segundopor produzidos DUs de médio valor
DUs de ões transmissentre médio tempo/1
i
i
TDM Estatístico
Débito Mux-to-Mux < débito agregado dos terminais/hosts Fatias de tempo alocadas baseada em padrões de tráfego
Usar estatística para determinar alocação entre utilizadores Tem que nviar o endereço da porta com os dados
(sobrecarga) Potencia perdas em períodos de pico
Pode usar buffer de dados e controlo de fluxo para reduzir perdas
Nem sempre transparente aos terminais/hosts Perdas e atrasos são possíveis
Porquê usar o STDMMais económico (menos MUXs e linhas mais
baratas) e eficiente
TDM síncrono vs estatístico
Formato de tramas do TDM estatístico
Desempenho
Recorre-se à teoria das filas de espera para descrever o comportamento do multiplexador estatístico
Service times X
M = exponential
D = deterministic G = geral
Tempo de serviço:
E[X]
Processo de Chegada / Tempo de Serviço / Servidores / Max Ocupação
Intervalo entre chegadas
M = exponencial
D = determinístico
G = geral
Ritmo de chegada:
E[ ]
1 servidor
c servidores
infinito
K clientes
Não especificado se ilimitado
Multiplexer Models: M/M/1/K, M/M/1, M/G/1, M/D/1Modelos de Trunking: M/M/c/c, M/G/c/cActividade de utilizadores: M/M/, M/G/
Classificação de Modelo de Filas
1
2
c
X
Nq(t)Ns(t)
N(t) = Nq(t) + Ns(t)
T = W + X
W
Pb
Pb)
N(t) = nº no sistema
Nq(t) = nº na fila
Ns(t) = nº em serviço
T = atraso total
W = tempo de espera
X = tempo de serviço
Variáveis de um Sistema de Fila de Espera
Service times X
M = exponential
D = deterministic G = geral
Tempo de serviço:
E[X]
Processo de Chegada / Tempo de Serviço / Servidores / Max Ocupação
Intervalo entre chegadas
M = exponencial
D = determinístico
G = geral
Ritmo de chegada:
E[ ]
1 servidor
c servidores
infinito
K clientes
Não especificado se ilimitado
Multiplexer Models: M/M/1/K, M/M/1, M/G/1, M/D/1Modelos de Trunking: M/M/c/c, M/G/c/cActividade de utilizadores: M/M/, M/G/
Classificação de Modelo de Filas
Fila de Espera de MUX estatístico
1 equilíbrio em espera de Fila
aleatória variável1
serviço de Tempo
aleatória variável1
clientepor operações de médio nº O
segundo;operações/ C de capacidade uma possuiservidor O
aestatístic adeterminad uma com acordo de /segundo de médio ritmo um a chegam clientes Os
SC
CS
Modelos Probabilístico para F.E.
Modelo para MUX estatístico
)1(2n sistema) no DU de (nº Litle de Teorema
)1(2
SS tsistema no totalmédio Tempo
)1(2
St ) M/D/1 sistemas em espera de tempodo
médio(valor Khinchin -Pollaczek de Teorema
r
r.N.S
r
1S
k
r.N.
clientepor operações 1
efectuando bits/seg r de capacidade com Serviço
DU/s k
r.N. de única Entrada DU/s
k
r. de médio ritmo um tementradas N das uma Cada
bitsk de fixo ocompriment com DU
2
q
q
w
bs
be
bs
be
bs
bebe
k
C
k
Ocupação e atraso médios no MUX estatístico
Probabilidade de sobrelotação dos buffers
Exemplo 6.2
Considere-se um multiplexador estatístico com entradas de de 64Kbps e saída de 120Kbps. Suponha-se que os equipamentos ligados à entrada transmitem unidades de dados (DUs) de comprimento fixo igual a 1000 bits durante 40% do tempo a uma ritmo aleatório (Poisson), isto é, tempos entre DUs distribuídos segundo uma exponencial negativa. Valores para esta situação
k=1000 bits; rbe=64000 bps; rbs=128000; alfa=0.4a) 3 equipamentos ligados à entradab) 4 equipamentos ligados à entrada
FDMMultilexagem por Divisão na
Frequência
FDM: Multiplexagem por divisão da Frequência
Atribui diferentes frequências analógicas a cada dispositivo ligado
Tal como TDM puro Velocidade mux-mux- agregação velocidade de terminais Não há perdas de dados- transparente ao utilizador
Canais separdos por banda de guarda
Domínio da frequência
Não Modulado
Frequência
SinalPortadora
watts
Banda de Base (BB)
Modulado
Frequência
SignalPortadora
BB
watts
BB
FDM
FDM
frequency
time
4 users
Example:
Processo FDM
– Os sinais de cada canal são modulados usando diferentes portadoras
– Os sinais modulados resultados são combinados num sinal composto que é enviado através do canal
– O canal tem que ter largura de banda suficiente para o transportar.
Desmultiplexagem FDM
O desmultiplexador usa uma série de filtros para decompor o sinal multilexado nos seus sinais constituintes
Os sinais individuais são então desmodulados e passados aos receptores
MUX FDM
MUX FDM INV
FDM de 3 sinais de voz
Exemplo 6Exemplo 6
Assuma que um canal de voz ocupa uma largura de banda de 4 KHz. Precisamos de combinar três canais de voz num canal com largura de banda de 12 KHz, de 20 a 32 KHz. Mostre a configuração no domínio da frequência sem usar bandas de guarda.Show the configuration using the frequency domain without the use of guard bands.
Exemplo 6
Exemplo 7Exemplo 7
5 canais cada um dos quais com 100 KHz de largura de banda, vão ser multiplexados conjuntamente. Qual é a largura de banda mínima da ligação a usar se for necessária uma banda de guarda de 10 KHz entre os canais para prevenir interferência?
Exemplo 7
Hierarquias FDM
WDM: Multiplexagem por divisão de comprimento de onda
WAVE DIVISION MULTIPLEXING - WDM
WDM
Técnica de multiplexagem analógica para combinação de sinais ópticos
Fluxos de luz múltiplos a diferentes frequências
Transportado por fibra óptica Uma forma de FDM Cada cor de luz transporta um
canal de dados diferente Sistemas comerciais de 160
canais de 10 Gbps disponíveis