William Stallings
Data and Computer
Communications
7th Edition
Capítulo 8
Multiplexação
Multiplexão (multiplex)
FDM - Frequency Division
Multiplexing
• FDM – multiplexação por divisão de frequencia
• Útil quando a largura de faixa do meio excede à
necessária para o canal de comunicação
• Cada sinal é modulado numa frequencia de
portadora diferente
• Frequencias de portadora são separadas de
modo que os sinais não se superpõem (bandas
de guarda ou)
• e.g. rádio “broadcast”
• Canal é alocado mesmo que não haja dados
Diagrama FDM
Sistema
FDM
FDM de 3 sinais “voiceband”
Sistema com portadoras analógico
• AT&T (USA)
• Hierarquia de esquemas FDM
• Grupo
— 12 canais de voz (4kHz cada) = 48kHz
— Faixa 60kHz to 108kHz
• Supergrupo
— 60 canais
— FDM de 5 sinais de grupo com portadoras entre 420kHz e 612
kHz
• Mastergrupo
— 10 supergrupos
Multiplexação por divisão do
comprimento de onda - WDM
•
•
•
•
Vários feixes de luz em frequencias diferentes
Transmitidos por fibra óptica
Similar a FDM
Cada cor da luz (comprimento de onda / wavelength)
transporta um canal de comunicação diferente
• 1997 Bell Labs
— 100 feixes
— Cada um a 10 Gbps
— 1 terabit por segund (Tbps)
• Sistemas comerciais de 160 canais de 10 Gbps
• Lab systems (Alcatel) 256 canais de 39.8 Gbps cada
— 10.1 Tbps
— Até 100km
DWDM – WDM denso
• Não há padrão oficial ainda
• Mais canais, menor espaçamento entre eles do
que no WDM
TDM síncrono – “Synchronous
Time Division Multiplexing”
• De novo: a taxa de dados do meio físico excede
a taxa necessária para um canal
• Múltiplos sinais digitais intercalados no tempo
• Pode ser ao nível de bits ou ao nível de blocos
• Fatias (“slots”) de tempo fixo são fixos préassociados às diferentes fontes
• Slot de tempo está alocado mesmo que o canal
esteja ocioso (não haja dados)
• Slots de tempo não precisam ser distribuídos
uniformemente dentre as fontes
TDM
Sistema
TDM
Hierarquia Plesiócrona
• As hierarquias PCM plesiócronas têm como ponto de
partida o PCM de 1a ordem. Estes sistemas são
designados de plesiócronos por serem quase síncronos,
denominados de PDH (Hierarquia Digital plesiócrona),
ou seja, as taxas de bit são iguais, podendo variar em
relação ao valor nominal, dentro da margem de
determinada tolerância
• Isto ocorre devido ao fato de que os tributários não
possuem a mesma taxa de transmissão, podendo
apresentar pequenos desvios (slips ou
“escorregamentos”) entre um e outro.
• Fazendo-se uso da justificação, ou seja, da inserção de
bits nos quadros, consegue-se reproduzir de forma
barata o sincronismo, realizado pela memória elástica.
Plesiócrona – cont.
• Forma barata o
sincronismo, realizado
pela memória elástica. De
acordo com as normas
internacionais ficam
estabelecidas as taxas
de bits com suas
respectivas tolerâncias
• Nomenclatura:
— Tributários e agregado
Taxa de
bit
(Kbit/s
)
Tolerância - ppm
(partes por
milhão)
64
60
2048
50
8448
30
34368
20
139264
15
Hierarquia digital norte-americana
1
64 Kbit/s
1544 Kbit/s
1
6312 Kbit/s
1
44736 Kbit/s
1
274176 Kbit/s
24
24CH
4
96CH
7
672CH
7
4702CH
Hierarquia digital japonesa
1
64 Kbit/s
1544 Kbit/s
1
6312 Kbit/s
1
32064 Kbit/s
1
97728 Kbit/s
24
24CH
1
4
96CH
397200 Kbit/s
5
480CH
3
1440CH
5
5760CH
Hierarquia digital européia
1
64 Kbit/s
2048 Kbit/s
1
8448 Kbit/s
1
34368 Kbit/s
1
139264 Kbit/s
24
30CH
1
4
120CH
564992 Kbit/s
4
480CH
4
1920CH
4
7680CH
Estrutura de quadro do sinal digital
de um sistema PCM de 1a ordem
1
2
3
4
5
6
7
8
número de bits e intervalo de
tempo de cada canal
3,9s
0
15 16 17
31
sincronismo de
multiquadro e
sinalização
sincronismo de
quadro
125  s
Derivação e inserção de 2M a partir
de 140M
34M
EQUIP
DE
LINHA
140M
PCM DE
4a ORDEM
PCM DE
4a ORDEM
8M
PCM DE
3a ORDEM
PCM DE
3a ORDEM
2M
PCM DE
2a ORDEM
PCM DE
2a ORDEM
2M
140M
EQUIP.
DE
LINHA
Hierarquia síncrona: Sonet e SDH
SINAL SONET
SINAL SDH
STS-1
TAXA DE TRANSMISSÃO
51,84 M bit/s
STS-3
STM-1
155,52 Mbit/s
STS-12
STM-4
622,08 Mbit/s
STS-24
STS-48
1244,16 Mbit/s
STM-16
2488,32 Mbit/s
SDH: transporte em redes
metropolitanas, WAN
DS-1 Transmission Format
SONET/SDH
•
•
•
•
Synchronous Optical Network (ANSI)
Synchronous Digital Hierarchy (ITU-T)
Compatible
Signal Hierarchy
—Synchronous Transport Signal level 1 (STS-1) or
Optical Carrier level 1 (OC-1)
—51.84Mbps
—Carry DS-3 or group of lower rate signals (DS1 DS1C
DS2) plus ITU-T rates (e.g. 2.048Mbps)
—Multiple STS-1 combined into STS-N signal
—ITU-T lowest rate is 155.52Mbps (STM-1)
SONET Frame Format
SONET STS-1 Overhead Octets
Pulse Stuffing
• Problema – sincronizar fontes de dados
• Clocks podem variar em diferentes fontes
• Solução: “Pulse Stuffing”
—Adicione extra “dummy” bits ou pulsos em linha de
entrada até que ela seja compatível com clock local
—Pulsos “stuffed” inseridos em pontos prédeterminados no frame podem ser removidos no
demultiplexador
TDM de fontes analógicas e
digitais
Diferenças entre a hierarquia
plesiócrona e síncrona
Hierarquia Digital Plesiócrona
•
Hierarquia Digital Síncrona
Rede plesiócrona
Rede síncrona
Técnica de multiplexação assíncrona
Técnica de multiplexação síncrona
Está definido um quadro de transmissão
para cada nível multiplex
Todos os sinais multiplex tem estrutura de
quadro idêntica
Multiplexação bit-a-bit
Multiplexação byte-a-byte
Alinhamento de temporização com
justificação bit-a-bit
Alinhamento de temporização com
justificação positiva/ nula/ negativa e
byte-a-byte
Não há necessidade de sincronização para
a palavra de alinhamento de quadro
Há necessidade de sincronização para a
palavra de alinhamento de quadro
O acesso a canais individuais intercalados
só é possível após a demultiplexação
Um acesso único a canais individuais
intercalados é possível após a
interpretação do ponteiro
Taxas de bit padronizadas até 140 Mbit/s
Taxa de bit acima de 155 Mbit/s
TDM estatístico
• No TDM síncrono vários slots são desperdiçados
• TDM estatístico aloca slots de forma dinâmica,
sob demanda
• Um multiplexador varre as linhas de entrada e
coleta dados até que um frame esteja cheio
Cable Modem
• Dois canais fornecidos pelo provedor de TV a cabo
— Um em cada direção
• Cada canal é compartilhado por um número de
assinantes
— Um esquema é necessário para alocar capacidade
— TDM estatístico
Esquema do Cable Modem
Asymmetrical Digital
Subscriber Line
• ADSL
• Tecnologia para o link entre assinante e rede
—“Local loop”
• Usa o já instalado par trançado
—Pode atingir espectro maior do que o canal de voz
—1 MHz ou mais
Projeto do ADSL
• Assimétrico
—Maior capacidade downstream do que upstream
• FDM
—25kHz mais baixas para voz
—Convive com a “Plain old telephone service (POTS)”
—Usa FDM entre bandas
• Alcance 5.5km
Configuração do canal ADSL
Discrete Multitone
• DMT
• Multiplas frequencias de portadoras com diferentes
frequencias
• Alguns bits em cada subcanal (portadora)
• Subcanais de 4kHz
• Envia sinal de teste e usa subcanais com maior razão
sinal / ruído (RSR)
• 256 subcanais downstream de 4kHz (60kbps)
— 15.36MHz
— Ruído, interferência, etc. reduz para 1.5Mbps to 9Mbps
Alocação de bits por canal no
DMT
Transmissor DMT
xDSL
• High data rate DSL
• Single line DSL
• Very high data rate DSL
OFDM
Orthogonal FDM – uma técnica
moderna para redes wireless
“Multicarrier Modulation”
• Orthogonal Frequency Division Multiplexing
– Based on the fast Fourier transform
– Standardized for DAB, DVB-T, IEEE 802.11a, 802.16a, HyperLAN II
– Considered for fourth-generation mobile communication systems
magnitude
channel
carrier
subchannel
frequency
Subchannels are 312 kHz wide in 802.11a and HyperLAN II
OFDM Modem
Bits
00110
S/P
quadrature
amplitude
modulation
(QAM)
encoder
N-IFFT
add
cyclic
prefix
P/S
D/A +
transmit
filter
TRANSMITTER
multipath channel
RECEIVER
N subchannels
P/S
QAM
decoder
invert
channel
=
frequency
domain
equalizer
N complex samples
N-FFT
remove
S/P cyclic
prefix
Receive
filter
+
A/D
DMT vs. OFDM
• DMT
— Channel changes very slowly ~ 1 s
— Subchannel gains known at transmitter
— Bitloading (sending more bits on good channels) increases throughput
• OFDM
magnitude
— Channel may change quickly ~ 10 ms
— Not enough time to convey gains to transmitter
— Forward error correction mitigates problems on bad channels
DMT: Send more data here
OFDM: Try to code so bad subchannels can be ignored
frequency
Exemplo: IEEE 802.11a
• IEEE 802.11 emprega modulação adaptativa
— “Code rate” e modulação depende da distância à estação base
— Taxas variam de 6 Mbps a 54 Mbps
Referência: IEEE Std 802.11a-1999