Мултиплексиране (уплътняване)
Мултиплексиране (multiplexing) се нарича процесът на формиране на много съобщителни канали по една и съща преносна среда така, че да работят едновременно без взаимно влияние.
Мултиплексирането като технико-икономическо решение
На голямо разстояние приемлива цена на канал може да се получи само ако кабелните чифтове се мултиплексират така, че по един чифт да могат да се провеждат едновременно много разговори, без да си пречат (Фиг.4.3). За целта се използват т.н. многоканални уплътнителни телефонни системи (УТС), които, за сметка на допълнителни комуникационни съоръжения, рязко снижават стойността на преносната система.
Фиг. 4.3. Мултиплексиране
Преносните съоръжени са най-скъпия компонент на телекомуникационната система, което прави необходимо мултиплексирането с цел ефективното им използване. На фиг.4.4 е показана зависимостта между стойността на един канал с тонална честота, устроен по физическа линия, и един канал от многоканална УТС. При къси разстояния мултиплексирането не е необходимо, понеже кабелът има малка стойност, а УТС оскъпява комуникацията. Но след някаква дължина (например от 4 ÷ 6 km), която зависи от стойността на УТС, става по-икономично да се използват мултиплексни системи, вместо физически линии за всеки канал. Когато разстоянието между абонатите е много голямо, такова решение е единствено приемливото.
Фиг. 4.4. Необходимост от мултиплексиране от гледна точка на икономичност
Благодарение на мултиплексирането съединителните линии заемат дял само от около 20% от общата стойност на телекомуникационните системи (Фиг.4.5). Ако те бяха построени на физически линии, делът щеше да е много по-голям, а техническото решение – много скъпо и непригодно.
Фиг. 4.5. Стойностни дялове на компонентите в комуникационната система
Основни видове мултиплексиране
Класификационна схема на видовете мултиплексиране е показана на фиг.4.6.
Фиг. 4.6. Видове мултиплексиране
Трите вида мултиплексиране могат да се представят като оси на една тримерна координатна система (честота f, време t и код С).
Честотното мултиплексиране (Frequency Division Multiplexing – FDM) се осъществява чрез разделяне на каналите по честота (РКЧ). На всеки канал се отделя собствена тясна честотна лента. Спектрите на относително теснолентовите канали (телефонни, телеграфни) се разполагат във възходящ ред в широката честотна лента на преносната среда. За да заемат своето място в честотното пространство сигналите се преобразуват, оставайки аналогови по целия тракт. За да не се препокриват (да не си пречат), каналите се отделят с честотни интервали (Фиг.4.7).
Подобна схема се използва от радио станциите, работещи в един и същи регион, където всяка станция работи на своята честота.
Фиг. 4.7 Мултиплексиране с разделяне на каналите по честота
Мултиплексиране по време (time-division multiplex – TDM) става чрез последователно във времето циклично редуване в една линия на цифрови сигнали от няколко различни съобщителни канала.
Характерното за този метод е, че на канала се предоставя преносната среда с цялата честотна лента, но само за определен промеждутък от време (Фиг.4.8). Тези промеждутъци пак са разделени със защитни интервали, но сега по време.
В груба аналогия двата принципа на разделяне могат да се оприличат на автомагистрала с паралелни ленти за движение. Много потребители (водачи на автомобили) ползват една и съща среда (автомагистралата) без да си пречат (като не допускат аварии). Но за това е задължително всеки да се движи в своята лента на определено разстояние след предшестващия. Защитните времеви интервали са промеждутъците между последователно движещите се автомобили, а защитните честотни интервали – страничните дистанции между автомобилите в съседните ленти.
Фиг. 4.8 Принцип на разделяне на каналите по време
Двата принципа на разделяне могат да се обединят (Фиг.4.9), както това става по автомагистралите с паралелно движещи се автомобили в различни ленти. Подобно обединение е направено в клетъчните мобилни комуникации от типа GSM.
Фиг. 4.9 Обединение в една система на РКЧ и РКВ
В системите с РКВ се използват дискретни цифрови сигнали, поради което съответните системи са наречени цифрови уплътнителни системи.
Идеята за кодово разделение (Code Division Multiplexing – CDM) е относително нова. При кодовото мултиплексиране всички канали използват една и съща честота в едно също време (Фиг.4.10). Разделянето тук се постига чрез присвояване на всеки приемник на определен код (адрес), така че само полу-чател, настроен на този код, да може да го приеме. За защитни интервали се използват кодови вектори, отстоящи един от друг на т.н. хемингово разстояние.
Фиг. 4.10 Кодово разделяне на каналите
За да се разбере принципа на кодовото разделяне на каналите, нека направим аналогия като си представим, че на обществено парти са се събрали хора от различни националности, които разбират различни езици. Въпреки, че всички говорят едновременно и от това се създава определена зашуменост, всеки чува другите, но разбира своя език. Естествено, за да не се получат преслушвания и смущения, трябва да има "защитни бариери". Такива са различията в езиците. Колкото по-различни са, толкова по-голяма е защитната бариера. Защитата е твърде слаба, ако те си приличат, както например македонският и българският.
Недостатък на CDM е сложността на приемника, който трябва "да знае" кода и трябва да може да отделя своя канал от фоновия шум.
Главното предимство на кодовото разделяне е добрата му защитеност от преслушване и смущения. Макар, че на отделните канали трябва да се присвояват различни кодове, това при мощните и бързодействащи микропроцесори не е особен проблем. За сметка на това кодовото пространство е огромно в сравнение с честотното. Това предимство се изявява особено в безжичните комуникации.
Мултиплексирането според режима на прехвърляне на информацията
Комутацията (маршрутизирането) на съобщенията през мрежата може да стане по два начина:
Най-общо режимите на прехвърляне на информацията в този аспект се подразделят на канални и пакетни. Пакетният режим от своя страна, има няколко съществени разновидности, но те в настоящото изложение нямат особено значение. Важното е, че всеки пакет е относително самостоятелен и има свой адрес, който стои начело (Header) на импулсната поредица, с която се носи неговата информация.
Статистическо мултиплексиране. В пакетен режим, в който работят съвременните широколентови комуникационни системи, се изпращат различни видове информация - изображения, данни, звук, мултимедия. Всички те се цифровизирани и пакетирани.
Нека приемем, че на входа на мултилексора постъпват 4 такива потока информация (Фиг. 4.11). Принципът на действие е "пръв влязъл – пръв излязъл". Ако пакетите на някои от каналите се застъпват във времето, първият влязъл се обработва и излиза в общия мултиплексиран канал, докато следващият пакет (на Фиг. 4.11 – вторият) го изчаква на входа и след това влиза в мултиплексора за обработка.
Фиг. 4.11 Статистическо мултиплексиране
В тези потоци може да има периоди, когато няма какво да се предаде. В примера четвъртият поток е на дистанция, която позволява вторият пакет да изчака, да се обработи и въпреки това да се получи пауза. Третият пакет се появява чак след това.
Видно е, че преносната система се заема само когато има информация за предаване. Този тип мултиплексиране е известно като асинхронно, или още статистическо.
Мултиплексиране с позиционирани канали. В канален режим всяка комуникационна връзка се дефинира чрез позицията си в канала - честотната или времевата позиция. Понеже днес е актуален втория случай, а и защото лесно се прави паралел, на Фиг. 4.12 е показана схема с позиционирани канали, в които порциите информация са времево позиционирани. Те са синхронни, еднакво дълги и винаги пълни, дори и когато няма какво да се предаде. Тогава се предават нули.
Човешката реч е изохронна услуга, тя генерира равномерен поток и е по-подходяща за мултиплексиране с позиционирани канали. В потоците от данни, какъвто е случая и с Интернет, е точно обратното. Статистическото мултиплексиране е много по ефективно.
Фиг. 4.12 Мултиплексиране с позиционирани канали
Мултиплексирането като технико-икономическо решение
На голямо разстояние приемлива цена на канал може да се получи само ако кабелните чифтове се мултиплексират така, че по един чифт да могат да се провеждат едновременно много разговори, без да си пречат (Фиг.4.3). За целта се използват т.н. многоканални уплътнителни телефонни системи (УТС), които, за сметка на допълнителни комуникационни съоръжения, рязко снижават стойността на преносната система.
Фиг. 4.3. Мултиплексиране
Преносните съоръжени са най-скъпия компонент на телекомуникационната система, което прави необходимо мултиплексирането с цел ефективното им използване. На фиг.4.4 е показана зависимостта между стойността на един канал с тонална честота, устроен по физическа линия, и един канал от многоканална УТС. При къси разстояния мултиплексирането не е необходимо, понеже кабелът има малка стойност, а УТС оскъпява комуникацията. Но след някаква дължина (например от 4 ÷ 6 km), която зависи от стойността на УТС, става по-икономично да се използват мултиплексни системи, вместо физически линии за всеки канал. Когато разстоянието между абонатите е много голямо, такова решение е единствено приемливото.
Фиг. 4.4. Необходимост от мултиплексиране от гледна точка на икономичност
Благодарение на мултиплексирането съединителните линии заемат дял само от около 20% от общата стойност на телекомуникационните системи (Фиг.4.5). Ако те бяха построени на физически линии, делът щеше да е много по-голям, а техническото решение – много скъпо и непригодно.
Фиг. 4.5. Стойностни дялове на компонентите в комуникационната система
Основни видове мултиплексиране
Класификационна схема на видовете мултиплексиране е показана на фиг.4.6.
Фиг. 4.6. Видове мултиплексиране
Трите вида мултиплексиране могат да се представят като оси на една тримерна координатна система (честота f, време t и код С).
Честотното мултиплексиране (Frequency Division Multiplexing – FDM) се осъществява чрез разделяне на каналите по честота (РКЧ). На всеки канал се отделя собствена тясна честотна лента. Спектрите на относително теснолентовите канали (телефонни, телеграфни) се разполагат във възходящ ред в широката честотна лента на преносната среда. За да заемат своето място в честотното пространство сигналите се преобразуват, оставайки аналогови по целия тракт. За да не се препокриват (да не си пречат), каналите се отделят с честотни интервали (Фиг.4.7).
Подобна схема се използва от радио станциите, работещи в един и същи регион, където всяка станция работи на своята честота.
Фиг. 4.7 Мултиплексиране с разделяне на каналите по честота
Мултиплексиране по време (time-division multiplex – TDM) става чрез последователно във времето циклично редуване в една линия на цифрови сигнали от няколко различни съобщителни канала.
Характерното за този метод е, че на канала се предоставя преносната среда с цялата честотна лента, но само за определен промеждутък от време (Фиг.4.8). Тези промеждутъци пак са разделени със защитни интервали, но сега по време.
В груба аналогия двата принципа на разделяне могат да се оприличат на автомагистрала с паралелни ленти за движение. Много потребители (водачи на автомобили) ползват една и съща среда (автомагистралата) без да си пречат (като не допускат аварии). Но за това е задължително всеки да се движи в своята лента на определено разстояние след предшестващия. Защитните времеви интервали са промеждутъците между последователно движещите се автомобили, а защитните честотни интервали – страничните дистанции между автомобилите в съседните ленти.
Фиг. 4.8 Принцип на разделяне на каналите по време
Двата принципа на разделяне могат да се обединят (Фиг.4.9), както това става по автомагистралите с паралелно движещи се автомобили в различни ленти. Подобно обединение е направено в клетъчните мобилни комуникации от типа GSM.
Фиг. 4.9 Обединение в една система на РКЧ и РКВ
В системите с РКВ се използват дискретни цифрови сигнали, поради което съответните системи са наречени цифрови уплътнителни системи.
Идеята за кодово разделение (Code Division Multiplexing – CDM) е относително нова. При кодовото мултиплексиране всички канали използват една и съща честота в едно също време (Фиг.4.10). Разделянето тук се постига чрез присвояване на всеки приемник на определен код (адрес), така че само полу-чател, настроен на този код, да може да го приеме. За защитни интервали се използват кодови вектори, отстоящи един от друг на т.н. хемингово разстояние.
Фиг. 4.10 Кодово разделяне на каналите
За да се разбере принципа на кодовото разделяне на каналите, нека направим аналогия като си представим, че на обществено парти са се събрали хора от различни националности, които разбират различни езици. Въпреки, че всички говорят едновременно и от това се създава определена зашуменост, всеки чува другите, но разбира своя език. Естествено, за да не се получат преслушвания и смущения, трябва да има "защитни бариери". Такива са различията в езиците. Колкото по-различни са, толкова по-голяма е защитната бариера. Защитата е твърде слаба, ако те си приличат, както например македонският и българският.
Недостатък на CDM е сложността на приемника, който трябва "да знае" кода и трябва да може да отделя своя канал от фоновия шум.
Главното предимство на кодовото разделяне е добрата му защитеност от преслушване и смущения. Макар, че на отделните канали трябва да се присвояват различни кодове, това при мощните и бързодействащи микропроцесори не е особен проблем. За сметка на това кодовото пространство е огромно в сравнение с честотното. Това предимство се изявява особено в безжичните комуникации.
Мултиплексирането според режима на прехвърляне на информацията
Комутацията (маршрутизирането) на съобщенията през мрежата може да стане по два начина:
Най-общо режимите на прехвърляне на информацията в този аспект се подразделят на канални и пакетни. Пакетният режим от своя страна, има няколко съществени разновидности, но те в настоящото изложение нямат особено значение. Важното е, че всеки пакет е относително самостоятелен и има свой адрес, който стои начело (Header) на импулсната поредица, с която се носи неговата информация.
Статистическо мултиплексиране. В пакетен режим, в който работят съвременните широколентови комуникационни системи, се изпращат различни видове информация - изображения, данни, звук, мултимедия. Всички те се цифровизирани и пакетирани.
Нека приемем, че на входа на мултилексора постъпват 4 такива потока информация (Фиг. 4.11). Принципът на действие е "пръв влязъл – пръв излязъл". Ако пакетите на някои от каналите се застъпват във времето, първият влязъл се обработва и излиза в общия мултиплексиран канал, докато следващият пакет (на Фиг. 4.11 – вторият) го изчаква на входа и след това влиза в мултиплексора за обработка.
Фиг. 4.11 Статистическо мултиплексиране
В тези потоци може да има периоди, когато няма какво да се предаде. В примера четвъртият поток е на дистанция, която позволява вторият пакет да изчака, да се обработи и въпреки това да се получи пауза. Третият пакет се появява чак след това.
Видно е, че преносната система се заема само когато има информация за предаване. Този тип мултиплексиране е известно като асинхронно, или още статистическо.
Мултиплексиране с позиционирани канали. В канален режим всяка комуникационна връзка се дефинира чрез позицията си в канала - честотната или времевата позиция. Понеже днес е актуален втория случай, а и защото лесно се прави паралел, на Фиг. 4.12 е показана схема с позиционирани канали, в които порциите информация са времево позиционирани. Те са синхронни, еднакво дълги и винаги пълни, дори и когато няма какво да се предаде. Тогава се предават нули.
Човешката реч е изохронна услуга, тя генерира равномерен поток и е по-подходяща за мултиплексиране с позиционирани канали. В потоците от данни, какъвто е случая и с Интернет, е точно обратното. Статистическото мултиплексиране е много по ефективно.
Фиг. 4.12 Мултиплексиране с позиционирани канали
Коментари: