Multiplexing I semestre 02/03 Prof. Vincenzo Auletta auletta@dia.unisa.it http://www.dia.unisa.it/~auletta/ Multiplexing In genere un utente non riesce ad utilizzare tutta la banda messa a disposizione dal mezzo trasmissivo soprattutto in reti ad alta velocità la linea rimane inutilizzata mentre il trasmettitore elabora la trama da spedire condividere l uso della linea con altri utenti ottimizza i costi di trasmissione ogni utente utilizza una parte della banda Università degli studi di Salerno Laurea e Diploma in Informatica 2 Tipi di Multiplexing Multiplexing a Divisione di Frequenza (FDM) 3 Frequency Division Multiplexing dati analogici Synchronous Time Division Multiplexing dati digitali Statistical Time Division Multiplexing 4 l intera banda disponibile viene divisa in sottobande (canali) ogni canale ha una larghezza di banda sufficiente a contenere il segnale da trasmettere per ogni canale viene individuata una frequenza portante frequenze portanti distanziate per evitare sovrapposizioni di banda ogni segnale viene assegnato ad un canale distinto e modulato sulla corrispondente frequenza portante
Utilizzo di FDM Sistema FDM: Trasmettitore 5 utilizzato quando la larghezza di banda disponibile supera le necessità del canale Es. tramissioni radio-televisive 6 n segnali (digitali o analogici) sono modulati su n portanti distinte e sommati per ottenere un unico segnale analogico composito il segnale composito può anche essere nuovamente modulato (per spostarlo in un altra banda) prima di essere trasmesso 7 Sistema FDM: Ricevente il segnale ricevuto viene demodulato e passato a n filtri passabanda ogni filtro lascia passare solo le frequenze di un canale ogni segnale viene demodulato rispetto alla portante del canale 8 Struttura del Segnale Composito La larghezza di banda del segnale composito è maggiore della somma delle larghezze di banda dei segnali le bande dei canali sono distanziate per evitare eccessive sovrapposizioni
Esempio di Trasmissione FDM Trasmissione di un segnale vocale larghezza di banda del segnale = 4 khz (larghezza di banda effettiva da 400 a 3400 Hz) segnale utilizzato per modulare in ampiezza una portante a 64 khz il segnale risultante ha una banda di 8 khz ma trasmettiamo solo la metà inferiore Esempio di Trasmissione FDM Trasmissione di tre segnali vocali tre canali con portanti a 64 khz, 68kHz e 72 khz 9 10 Problemi dei Sistemi FDM Sistemi a Portante Analogica 11 La banda rimane allocata (e inutilizzabile) anche quando non c è niente da trasmettere interferenze tra canali adiacenti su lunghe distanze gli amplificatori producono una distorsione non lineare del segnale effetti diversi sui vari canali 12 principale sistema progettato da AT&T (USA) nel resto del mondo sistema ITU-T simile GerarchiadischemiFDM Group: 12 canali vocali (4kHz ciascuno) = 48kHz portanti da 60kHz e 108kHz distanziate di 4 khz Supergroup: 5 gruppi (48 khz ciasc.) = 240 khz portanti da 420 khz e 612 khz distanziate di 48 khz il segnale occupa da 312 khz a 552 khz un gruppo può essere sostituito da altri tipi di segnali di ampiezza non superiore a 48 khz (es. singoli canali) Mastergroup: 10 supergruppi (240 khz ciasc.) = 2,52 MHz
Synchronous Time Division Multiplexing più segnali digitali sono intervallati nel tempo asse del tempo diviso in slot ogni slot è indipendente in ogni slot si possono trasmettere uno o più bit organizzati in blocchi di dimensione fissata con la trasmissione asincrona ogni slot contiene un carattere gli slot sono organizzati in trame (frame) Assegnazione degli Slot All interno di una trama gli slot sono preassegnati ai trasmettitori lo slot rimane allocato anche se non ci sono dati per ogni trama vale la stessa assegnazione L insieme di slot delle varie trame assegnati allo stesso trasmettitore è detto canale gli slot possono essere assegnati anche in maniera non equa un trasmettitore riceve più slot 13 14 Utilizzo di TDM Sistema TDM: Tramsettitore 15 utilizzato quando il tasso di trasmissione raggiungibile del mezzo supera il tasso di trasmissione dei segnali da trasmettere i segnali devono essere digitali 16 n segnali digitali sono bufferizzati e interlacciati per ottenere un unico segnale digitale di tasso maggiore o uguale alla somma dei tassi dei segnali originari il segnale composito può anche essere modulato o passato ad un altro multiplexer
Sistema FDM: Ricevente Controllo della Linea Le trame non contengono intestazioni e code non servono protocolli di controllo del data link perchè il tasso di trasmissione è fissato controllo degli errori e del flusso gestito da un protocollo di data link separatamente per ogni canale il segnale ricevuto viene eventualmente demodulato e demultiplexato l insieme dei bit relativi allo stesso canale sono messi in un buffer per ricostruire il flusso di dati orginario F = campo flag A = campo indirizzo C = campo di controllo d = ottetto di dati f = ottetto di FCS 17 18 Sincronizzazione delle Trame Stuffing di Impulsi 19 Le trame TDM non hanno flag iniziali e finali per la sincronizzazione la trama deve fornire un meccanismo per il recupero della sincronizzazione alcuni slot della trama sono utilizzati per la sincronizzazione Added Digit Framing un bit di controllo aggiunto ad ogni trama schema di bit fissato trasmesso con i bit di controllo (es. 01010101) ricevitore controlla che sul bit di controllo siano alternati 0 e 1 20 Le sorgenti dei dati da inserire nella trama TDM non sono sincronizzate tassi dei dati indipendenti Stuffing di impulsi tasso dei dati complessivo superiore alla somma dei tassi delle sorgenti impulsi (dummy bits) aggiunti all'output di ogni sorgente per mantenere tutte le sorgenti allo stesso tasso impulsi aggiuntivi inseriti in posti prefissati della trama e rimossi dal demultiplexer al ricevente
Esempio di Trasmissione con Stuffing di Impulsi Sistemi di Trasporto Digitali USA, Canada e Giappone usano sistema DS nel resto del mondo sistema ITU-T simile Sistema DS basato su 5 livelli DS-1, DS-1C, DS-2, DS-3, DS-4 21 22 Formato della Trama DS-1 Utilizzo del Sistema DS-1 23 ogni trama contiene 24 slot ogni slot contiene 8 bit (campione PCM) un bit di controllo della trama lunghezza della trama 193 bits tempo di trasmissione 125 µs 24 per trasmissioni di voce ogni slot contiene un campione di voce digitalizzata PCM, 8000 campioni al secondo tasso dei dati 8000x193 = 1.544Mbps ogni sei trame tutti gli slot contengono un bit di controllo per trasmissioni dati ogni trama contiene 23 slot di dati ed uno slot di sincronizzazione ogni slot contiene un bit di controllo la stessa trama può contenere sia dati che voce nessuno slot di sincronizzazione
25 Interfaccia Utente-Rete di ISDN ISDN consente all'utente di condividere la linea tra più flussi di dati voce e dati la gestione del multiplexing è affidata all'interfaccia ISDN interfaccia basic interfaccia primary 26 Interfaccia Basic trasmissione full duplex una linea fisica per ogni direzione tasso dei dati 192 kbps codifica pseudoternary tre canali per la trasmissione per un tasso totale di 144 kbps due canali B per i dati a 64 kbps un canale D per i segnali di controllo a 16 kbps capacità rimanente utilizzata per framing e sincronizzazione Utilizzo Interfaccia Basic Struttura del Frame dell Interfaccia Basic 27 Canali B utilizzati per trasmettere dati dati o voce codificata PCM due flussi distinti a 64 kbps ognuno es. telefonata + connessione a Internet oppure un unico flusso a 128 kbps diviso tra i due canali si paga come due telefonate Canale D utilizzato per trasmettere informazioni di controllo (creazione e chiusura di una connessione) e flussi di dati a basso tasso Usa protocollo LAPD 28 trasmissione simile a TDM sincrono sequenza di trame di lunghezza fissa trasmessi a tasso costante Ogni trama è lungo 48 bit 16 bit per ogni canale B 4 bit per canale D rimanenti bit usati per controllo significato dipendente dalla direzione della trasmissione
Struttura della Trame dell Interfaccia Basic Accesso al Canale D 29 B1, B2 e D = bit dei canali B e D F = fragment bit (per sincronizzazione) L = dc balancing bit (per eliminare componenti dc) E = echo bit (replica ultimo D-it ricevuto) A = activation bit (attiva o disattiva un terminale) 30 Il canale D è condiviso da tutti i dispositivi serve un meccanismo per regolare l accesso al canale Algoritmo di accesso al canale se un dispositivo non ha dati da trasmettere manda un 1 nel D-bit del suo slot i D-bit sono rimandati indietro a tutti i terminali un terminale prima di trasmettere sul canale D deve leggere una sequenza di 1 consecutivi nei D- bit di tutti gli slot lunghezza differente a seconda della priorità se due terminali trasmettono in contemporanea leggendo gli E-bit si rendono conto del conflitto Interfaccia Primary Sonet/SDH utilizzabile solo per collegamenti punto-punto in genere collegamenti a PBX il PBX gestisce trasmissione TDM sincrona su ISDN implementazione basata su DS-1 tasso di 1,544 Mbps con codifica AMI usato per servizi T1 23 canali B più un canale D a 64 kbps implementazione basata su standard ITU-T tasso di 2,048 Mbps con codifica AMI 30 canali B più un canale D a 64 kbps Synchronous Optical Network (ANSI) interfaccia per la trasmissione su fibra ottica Synchronous Digital Hierarchy è una versione compatibile sviluppata da ITU-T in G.707 Definisce una gerarchia di tassi standardizzati per la trasmissione di dati digitali Synchronous Transport Signal (STS) o Optical Carrier (OC) per SONET STM per standard ITU-T 31 32 sottinsieme dei livelli di STS
Gerarchie di Tassi Sonet/SDH STS-1/OC-1 tasso di 51,84 Mbps (50,112 Mbps effettivi) utilizzabile per traportare un segnale DS-3 o un gruppo di segnali di tasso inferiore N STS-1 combinati in STS-N STM-N corrisponde a STS-3N contiene solo STM-1, STM-4, STM-16, STM-64 Formato della Trama SONET una trama STS-1 consiste di 810 ottetti trasmessa in 125 µs per un tasso di 51,84 Mbps ogni trama forma una matrice di ottetti 9 righe di 90 ottetti trasmesso una riga per volta Formato di una riga 3 ottetti usati per controllo della linea 1 ottetto usato per controllo del percorso 86 ottetti usati per dati 33 34 Statistical TDM Formato delle Trame 35 In TDM sincrono vengono trasmessi molti slot vuoti Statistical TDM alloca gli slot dinamicamente allocazione a richiesta della sorgente Il multiplexer esamina le linee di ingresso e raccoglie dati fino a riempire una trama quando la trama è pieno viene trasmessa ogni slot deve contenere informazioni sulla sorgente maggiore overhead di comunicazione utilizza HDLC (o simili) per gestire la linea 36 Flusso dati aggregato incapsulato in una trama HDLC se una sola sorgente ha prodotto tutti i dati si può specificare un solo indirizzo se le sorgenti sono diverse si deve dividere il payload in blocchi e specificare per ogni blocco l indirizzo e la lunghezza utilizzate varie ottimizzazioni una sola sorgente più sorgenti
Prestazioni Trade-off 37 segnale prodotto dal multiplexer ha un tasso inferiore alla somma dei tassi delle sorgenti sfrutta il fatto che non tutti i trasmettitori inviano dati contemporaneamente la larghezza di banda della linea di trasmissione è dimensionata sul tasso medio aggregato bisogna gestire i momenti di picco input al multiplexer bufferizzato il buffer aumenta i tempi di trasmissione 38 aumentando la dimensione del buffer aumenta il tempo di trasmissione dei dati c è un trade off tra tempo di trasmissione e tasso dei dati sulla linea riducendo il tempo di trasmissione (la dimensione del buffer) aumenta il tasso aggregato bisogna cercare la minima dimensione del buffer che consenta di stare al di sotto di un certo tasso aggregato mantenendo un ritardo di trasmissione accettabile Asymmetrical Digital Subscriber Line (ADSL) Caratteristiche di ADSL 39 appartiene alla famiglia xdsl di tecnologie modem per fornire servizi di trasmissione di dati digitali ad alta velocità su rete telefonica basato sulla tecnologia DMT gestisce il collegamento tra l'abbonato e la rete circuito locale (local loop) ultimo miglio circuiti locali utilizzano doppini per trasmissioni di segnali analogici larghezza di banda disponibile 1 MHz utilizzata solo per 4 khz 40 asimmetria maggiore capacità downstream che upstream utilizza FDM modificato canale al di sotto dei 25kHz per la voce compatibile con la vecchia rete telefonica due bande di frequenza distinte per trasmissione upstream e downstream usa FDM all'interno di ciascuna banda
41 Discrete Multitone (DMT) banda divisa in sottocanali di 4 khz dati distribuiti tra i vari canali in maniera non uniforme ogni canale trasporta segnali analogici con modulazione QAM ogni sottocanale testato all'avvio per SNR il modem manda più dati sui sottocanali con miglior SNR tasso massimo per sottocanale 60 kbps al momento usati 256 sottocanali per downstream banda massima disponibile 15.36 MHz tasso effettivo da 1.5 Mbps a 9 Mbps 42 Altre tecnologie DSL HDSL progettata da BellCore negli anni 80 utilizza due doppini tassi fino a 2 Mbps fino a 3,7 km SDSL versione di HDSL su un solo doppino VDSL evoluzione (futura) di ADSL consente tassi superiori ma su distanze più brevi