Multiplexing - Dipartimento di Informatica

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