Multiplexing - Dipartimento di Informatica

Multiplexing
I semestre 04/05
Š In genere una stazione di trasmissione non
riesce ad utilizzare tutta la banda messa a
disposizione dal mezzo trasmissivo
Multiplexing
„
„
Prof. Vincenzo Auletta
Š condividere l’uso della linea con altre stazioni
[email protected]
http://www.dia.unisa.it/professori/auletta/
ottimizza i costi di trasmissione
„
Università degli studi di Salerno
Laurea in Informatica
soprattutto su linee ad alta velocità
la linea rimane inutilizzata mentre il trasmettitore
elabora la trama da spedire
ogni stazione utilizza una parte della banda
1
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
2
3
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
4
„
Es. tramissioni radio-televisive
5
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
„
6
„
ogni filtro lascia passare solo le frequenze di un
canale
ogni segnale viene demodulato rispetto alla
portante del canale
7
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
„
„
„
8
il segnale risultante ha una banda di 8 kHz ma
trasmettiamo solo la metà inferiore
„
tre canali con portanti a 64 kHz, 68kHz e 72 kHz
9
Problemi dei Sistemi FDM
Sistemi a Portante Analogica
Š La banda rimane allocata (e inutilizzabile) anche
Š Gerarchie di schemi FDM utilizzati per comunicazioni
tra sistemi di trasmissione di diverse capacità
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
„
„
Progettati per trasportare fonia su linee ad alta capacità (cavo
coassiale o ponti radio)
Š Gerarchia AT&T (usata negli USA)
„
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 un gruppo può essere sostituito da altri tipi di segnali di ampiezza
non superiore a 48 kHz (es. singoli canali)
„
„
10
11
Mastergroup: 10 supergruppi (240 kHz ciasc.) = 2,52 MHz
Jumbogroup: 6 mastergroup = 16,984 MHz
Š Gerarchia ITU-T simile nel resto del mondo
Wavelength Division Multiplexing
Synchronous Time Division
Multiplexing
Š Stessa idea di FDM applicata a trasmissione su fibre
Š più segnali digitali sono intervallati nel tempo
ottiche
„
„
„
Differenti segnali luminosi inviati contemporaneamente sulla
stessa fibra utilizzando lunghezze d’onda differenti
Spesso indicato con DWDM (Dense WDM)
„
Š in ogni slot si possono trasmettere uno o più
bit
Š Sistemi WDM disponibili
„
„
„
12
Nel 1997 i Bell Labs hanno realizzato un prototipo di sistema
WDM con 100 canali operanti ciascuno a 10 Gbps (tasso di
trasmissione aggregato di 1 Tbps)
Oggi disponibili sistemi WDM con 256 canali a 10 Gbps
Alcatel ha realizzato un sistema con 256 canali a 39,8 Gbps su
una distanza di 100 km (tasso di trasmissione aggregato di 10,1
Tbps)
„
„
di una trama
preassegnati ai trasmettitori
„
„
gli
organizzati in blocchi di dimensione fissata
con la trasmissione asincrona ogni slot contiene un
carattere
Š gli slot sono organizzati in trame (frame)
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Assegnazione degli Slot
Š All’interno
asse del tempo diviso in slot
ogni slot è indipendente
Utilizzo di TDM
slot
sono
lo slot rimane allocato anche se non ci sono dati
per ogni trama vale la stessa assegnazione
Š L’insieme di slot delle varie trame assegnati allo
stesso trasmettitore è detto canale
Š gli slot possono essere assegnati anche in
maniera non equa
„
Š utilizzato quando il tasso di trasmissione
sostenibile dal mezzo supera il tasso di
trasmissione dei segnali da trasmettere
un trasmettitore riceve più slot
„
14
15
„
i segnali possono essere digitali o analogici (raro)
I dati devono essere digitali
Sistema TDM: Tramsettitore
Sistema TDM: Ricevente
Šn
Š il segnale ricevuto viene eventualmente
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
„
16
„
demodulato e demultiplexato
„
17
Controllo della Linea in TDM
Sincronizzazione delle Trame
Š Le trame non contengono intestazioni e code
Š Le trame TDM non hanno flag iniziali e finali per
„
„
la sincronizzazione
non serve controllo del flusso sulla linea
multiplexata perchè il tasso di trasmissione è
fissato
controllo degli errori e del flusso gestito da un
protocollo di linea separatamente per ogni canale
„
„
„
F = campo flag
A = campo indirizzo
C = campo di controllo
la trama deve fornire un meccanismo per il recupero
della sincronizzazione
alcuni slot della trama sono utilizzati per la
sincronizzazione
Š Added Digit Framing
„
18
l’insieme dei bit relativi allo stesso canale sono
messi in un buffer per ricostruire il flusso di dati
originario
d = ottetto di dati
f = ottetto di FCS
„
19
un canale 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
Esempio di Trasmissione con
Stuffing di Impulsi
Stuffing di Impulsi
Š Le sorgenti dei dati da inserire nella trama TDM
non sono sincronizzate
„
tassi dei dati indipendenti
Š Stuffing di impulsi
„
„
„
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
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Sistemi a Portante Numerica
Formato della Trama DS-1
Š Progettati per trasmettere fonia su linee ad alta
Š ogni trama contiene 24 slot
Š ogni slot contiene 8 bit (campione PAM)
Š un bit di controllo della trama
Š lunghezza della trama 193 bits
capacità (fibra ottica, ponti radio, ecc.)
Š Usano una gerarchia di sistemi TDM
„
USA, Canada e Giappone usano sistema DS
progettato da AT&T (nel resto del mondo sistema
ITU-T simile)
„
Š Sistema DS basato su 5 livelli
„
22
DS-1, DS-1C, DS-2, DS-3, DS-4
23
tempo di trasmissione 125 µs
Utilizzo del Sistema DS-1
Sonet/SDH
per trasmissioni di voce
Š ogni slot contiene un campione di voce digitalizzata
(PAM)
„
„
„
Š Synchronous Optical Network (ANSI)
„
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
Š ogni trama contiene 23 slot di dati ed uno slot di
sincronizzazione
„
Š Definisce una gerarchia di tassi standardizzati
per la trasmissione di dati digitali
ogni slot contiene 7 bit di dati ed un bit di controllo = 56 kbps
„
Š la stessa trama può contenere sia dati che voce
24
„
nessuno slot di sincronizzazione
„
Synchronous Transport Signal (STS) o Optical Carrier
(OC) per SONET
STM per standard ITU-T
Š sottinsieme dei livelli di STS
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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
„
„
trasmessa in 125 µs per un tasso di 51,84 Mbps
Š ogni trama forma una matrice di ottetti
„
Š N STS-1 combinati in STS-N
Š STM-N corrisponde a STS-3N
„
9 righe di 90 ottetti
trasmesso una riga per volta
Š Formato di una riga
contiene solo STM-1, STM-4, STM-16, STM-64
„
„
„
26
interfaccia per la trasmissione su fibra ottica
Fornisce una specifica che consente di sfruttare la
grande capacità di trasmissione della fibra
Synchronous Digital Hierarchy è una versione
compatibile sviluppata da ITU-T in G.707
27
3 ottetti usati per controllo della linea
1 ottetto usato per controllo del percorso
86 ottetti usati per dati
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 piena viene trasmessa
„
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
Š utilizzate varie ottimizzazioni
Š ogni slot deve contenere informazioni sulla
sorgente
28
una sola sorgente
maggiore overhead di comunicazione
„
Š utilizza HDLC (o simili) per gestire la linea
più sorgenti
29
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
„
„
30
riducendo il tempo di trasmissione (la dimensione
del buffer) aumenta il tasso aggregato
Š bisogna cercare la minima dimensione del
input al multiplexer bufferizzato
il buffer aumenta i tempi di trasmissione
buffer che consenta di stare al di sotto di un
certo tasso aggregato mantenendo un ritardo
di trasmissione accettabile
31
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
„
„
„
Š utilizza FDM modificato
Creata per supportare servizi di video on demand
basato sulla tecnologia DMT
„
„
circuito locale (local loop)
„
Š circuiti locali utilizzano doppini per trasmissioni
32
„
larghezza di banda disponibile 1 MHz
utilizzata solo per 4 kHz
arrivare a coprire fino a 5,5 km
33
Cancellazione dell’Echo
Spettro del segnale ADSL
Š Tecnica di elaborazione dei segnali
„
Consente la trasmissione di segnali digitali su una
linea in entrambi le direzioni e contemporaneamente
Š Utilizzando questa tecnica si alloca una sola
banda per la trasmissione dei dati
„
„
L’upstream usa la porzione inferiore della banda
Il downstream usa tutta la banda
Š Vantaggi
„
34
„
Usa per il downstream una parte dello spettro con
minore attenuazione
Consente di aumentare la capacità in upstream
due bande di frequenza distinte per trasmissione
upstream e downstream
usa FDM all'interno di ciascuna banda
Š In funzione della qualità del doppino può
di segnali analogici
„
canale al di sotto dei 25kHz per la voce
Š compatibile con la vecchia rete telefonica
Š gestisce il collegamento tra l'abbonato e la rete
„
maggiore capacità downstream che upstream
35
Mulitono Discreto (DMT)
Altre tecnologie DSL
Š Banda dati in sottocanali di 4 kHz
Š HDSL (High Data Rate Digital Subscriber Line)
„
„
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
momento
downstream
36
„
„
„
il modem manda più dati sui sottocanali con miglior
SNR
tasso massimo per sottocanale 60 kbps
usati
256
sottocanali
banda massima disponibile 15.36 Mbps
tasso effettivo da 1.5 Mbps a 9 Mbps
progettata da BellCore negli anni 80 per
implementare servizi T1 (1,544 Mbps) in maniera
economica
utilizza due doppini
tassi fino a 2 Mbps fino a 3,7 km
Š SDSL (Single Line Digital Subscriber Line)
„
versione di HDSL su un solo doppino
Š VDSL (Very High Data Rate Digital Subscriber Line)
per
„
„
37
„
evoluzione (futura) di ADSL
consente tassi superiori ma su distanze più brevi
aggiunge una banda per ISDN