Щоб визначити, на який інтерфейс слід передати дані, що надійшли, комутатор повинен визначити, до якого потоку вони відносяться. Це завдання має вирішуватися незалежно від того, надходить на вхід комутатора тільки один «чистий» потік або «змішаний» потік, який є результатом агрегування декількох потоків. В останньому випадку до завдання розпізнавання потоків додається завдання демультиплексирования,тобто поділу сумарного агрегованого потоку на кілька складових його потоків.
Як правило, операцію комутації супроводжує також зворотна операція - мультиплексування.При мультиплексировании з декількох окремих потоків утворюється загальний агрегований потік, який можна передавати по одному фізичному каналу зв'язку.
Операції мультиплексування / демультиплексування мають таке ж важливе значення в будь-якій мережі, як і операції комутації, тому що без них довелося б для кожного потоку передбачати окремий канал, що призвело б до великої кількості паралельних зв'язків в мережі і звело б «нанівець» всі переваги неполносвязной мережі.
На рис. 5.5 показаний фрагмент мережі, що складається з трьох комутаторів. Комутатор 1 має п'ять мережевих інтерфейсів. Розглянемо, що відбувається на інтерфейсі Інт. 1. Сюди надходять дані з трьох інтерфейсів - Інт. 3, Інт. 4 і Інт. 5. Всі їх треба передати в загальний фізичний канал, тобто виконати операцію мультиплексування. Мультиплексування є способом поділу наявного одного фізичного каналу між декількома одночасно протікають сеансами зв'язку між абонентами мережі.
Малюнок 5.5. Операції мультиплексування і демультиплексування потоків при комутації
Одним з основних способів мультиплексування потоків є поділ часу.При цьому способі кожен потік час від часу (з фіксованим або випадковим періодом) отримує фізичний канал в повне своє розпорядження і передає по ньому свої дані. поширена також частотне розділенняканалу, коли кожен потік передає дані в виділеному йому частотному діапазоні.
Технологія мультиплексування повинна дозволяти одержувачеві такого сумарного потоку виконувати зворотну операцію - поділ (демультиплексирование) даних на складові потоки. На інтерфейсі Інт. 3 комутатор виконує демультиплексування потоку на три складових його підпотоків. Один з них він передає на інтерфейс Інт. 1, інший - на Інт. 2, а третій - на Інт. 5. А ось на інтерфейсі Інт. 2 немає необхідності виконувати мультиплексування або демультиплексирование - цей інтерфейс виділений одному потоку в монопольне використання. Взагалі кажучи, на кожному інтерфейсі можуть одночасно виконуватися обидві функції - мультиплексування і демультиплексування.
Малюнок 5.6. Мультиплексор і демультиплексор
5.5. Поділюване середовище передачі даних
Ще одним параметром розділяється каналу зв'язку є кількість підключених до нього вузлів.У наведених вище прикладах до кожного каналу зв'язку підключалися тільки два взаємодіючих вузла, точніше - два інтерфейси (рис. 5.7, аі б). Втелекомунікаційних мережах використовується і інший вид підключення, коли до одного каналу підключається декілька інтерфейсів (рис. 5.7, в). Таке множинне підключення інтерфейсів породжує вже розглядалася вище топологію «загальна шина», іноді звану також шлейфового підключенням. У всіх цих випадках виникає проблема організації спільного використання каналу декількома інтерфейсами. Можуть бути різні варіанти поділу каналів зв'язку між інтерфейсами. На рис. 5.7, акомутатори К1 і К2 пов'язані двома односпрямованим фізичними каналами, тобто такими, за якими інформація може передаватися тільки в одному напрямку. В цьому випадку передавальний інтерфейс є активним, і фізичне середовище передачі знаходиться під його керуванням. Пасивний інтерфейс тільки приймає дані. Проблема поділу каналу між інтефейс тут відсутня.(Зауважимо, однак, що завдання мультиплексування потоків даних в каналі при цьому зберігається.) На практиці два односпрямованих каналу, що реалізують в цілому дуплексний зв'язок між двома пристроями, зазвичай розглядаються як один дуплексний канал, а пара інтерфейсів одного пристрою - як передає і приймає частини одного і того ж інтерфейсу. На рис. 5.7, бкомутатори К1 і К2 пов'язані каналом, який може передавати дані в обидві сторони, але тільки поперемінно. При цьому виникає необхідність в механізмі синхронізації доступуінтерфейсів К1 і К2 до такого каналу. Узагальненням цього варіанту є випадок, показаний на рис. 5.7, в, Коли до каналу зв'язку підключаються кілька (більше двох) інтерфейсів, утворюючи загальну шину.
Спільно переглянуте декількома інтерфейсами фізичний канал називають розділяються(Shared). Часто застосовують також термін поділюване середовище передачі даних.Спільні канали зв'язку потрібні не тільки для зв'язків типу комутатор-комутатор, але і для зв'язків комп'ютер-комутатор і комп'ютер-комп'ютер.
Малюнок 5.7 Спільне використання каналу зв'язку
Існують різні способи рішення задачі організації спільного доступу до поділюваних ліній зв'язку. Одні з них мають на увазі централізований підхід, коли доступом управляє спеціальний пристрій - арбітр,інші - децентралізований. Усередині комп'ютера проблеми розділення ліній зв'язку між різними модулями також існують - прикладом є доступ до системної шини, яким управляє або процесор, або спеціальний арбітр шини. У мережах організація спільного доступу до ліній зв'язку має свою специфіку через істотно більшого часу поширення сигналів по лініях зв'язку, тому процедури узгодження доступу до лінії зв'язку можуть займати дуже великий проміжок часу і приводити до значних втрат продуктивності мережі. Саме з цієї причини розділяються між інтерфейсами середовища практично не використовуються в глобальних мережах.
У локальних же мережах розділяються середовища використовуються досить часто завдяки простоті і економічності їх реалізації. Цей підхід, зокрема, застосовується в домінуючою сьогодні в локальних мережах технології Ethernet, а також в популярних в минулому технологіях Token Ring і FDDL
Однак в останні роки стала переважати інша тенденція - відмова від поділюваних середовищ передачі даних і в локальних мережах. Це пов'язано з тим, що за досягається таким чином здешевлення мережі доводиться розплачуватися продуктивністю.
УВАГА
Мережа з розділяється середовищем при великій кількості вузлів працюватиме завжди повільніше, ніж аналогічна мережа з індивідуальними двоточковими лініями зв'язками, так як пропускна здатність лінії зв'язку при її спільному використанні ділиться між декількома комп'ютерами мережі.
І тим не менше не тільки в класичних, але і в деяких зовсім нових технологіях, розроблених для локальних мереж, зберігається режим поділюваних ліній зв'язку. Наприклад, розробники технології Gigabit Ethernet, прийнятої в 1998 році в якості нового стандарту, включили режим розділення середовища в свої специфікації поряд з режимом роботи по індивідуальних лініях зв'язку.
Мультиплексування з поділом часу
Принцип дії мультиплексора простий: що надходять з кількох входять низькошвидкісних лініях сигнали передаються в відведеному для кожного з них частотному діапазоні або інтервалі часу з високошвидкісної вихідної лінії. На протилежному кінці високошвидкісної лінії ці сигнали вичленяються, або демультіплексіруются.
Відповідно до способу ущільнення технології мультиплексування можна розділити на дві основні категорії: мультиплексування з поділом по частоті (Frequency Division Multiplexing, FDM) і мультиплексування з поділом за часом (Time Division Multiplexing, TDM). При частотному мультиплексировании частотний спектр ділиться на логічні канали, причому кожен користувач отримує цей канал в своє розпорядження на час розмови. При тимчасовому мультиплексировании користувачам періодично виділяється вся смуга, але тільки на короткий період часу.
тимчасове мультиплексування
При мультиплексировании з поділом за часом кожен пристрій або входить канал отримують в своє розпорядження всю пропускну здатність лінії, але тільки на строго певний проміжок часу кожні 125 мкс (див. Малюнок 2). Останнє значення відповідає циклу дискретизації, так як при ІКМ кожну 1/8000 частку секунди необхідно проводити вимірювання амплітуди аналогового сигналу. Час передачі восьмирозрядного значення миттєвої амплітуди називається квантом часу (time slot) і дорівнює тривалості передачі восьми імпульсів (один для кожного біта). Послідовність квантів часу, які прямують з вищевказаним інтервалом, утворює тимчасової канал. Сукупність каналів за один цикл дискретизації становить кадр.
При тимчасовому мультиплексировании вся пропускна здатність вихідної лінії надається на фіксований проміжок часу вхідної лінії меншої ємності.
У Європі, як і в решті світу, за винятком США і Японії, стандартною системою є ІКМ-32/30 (або E-1) з 32 тимчасовими каналами по 64 кбіт / с, в якій 30 каналів використовуються в якості інформаційних для передачі голосу , даних і т. д., а два - в якості службових, причому один із службових каналів призначений для сигналізації (службових сигналів встановлення зв'язку), інший - для синхронізації. Як неважко підрахувати, загальна ємність системи складає 2,048 Мбіт / с.
Система E-1 утворює так звану первинну групу. Вторинну групу E-2 утворюють 4 канали E-1 загальною ємністю 8,448 Мбіт / с, третинну систему E-3 - чотири канали E-2 (або шістнадцять каналів E-1) загальною ємністю 34,368 Мбіт / с, а четверичной групу - чотири канали E-3 загальною ємністю 139,264 Мбіт / с. Ці системи утворюють європейську плезіохронний цифрову ієрархію.
Принцип послідовного мультиплексування каналів проілюстровано на рисунку 3. Чотири канали E-1 мультиплексируются в один канал E-2, причому на цьому і наступних рівнях мультиплексування здійснюється побитно, а не побайтно, як це мало місце у випадку мультиплексування 30 голосових каналів в один канал E -1. Сумарна ємність чотирьох каналів E-1 становить 8,192 Мбіт / с, в той час як повна ємність E-2 дорівнює насправді 8,448 Мбіт / с. Надлишкові біти використовуються для обрамлення і відновлення синхронізації. Потім чотири канали E-2 мультиплексируются в один канал E-3 і т. Д.
рис.3
Як малі притоки зливаються в одну велику річку, так і низькошвидкісні лінії об'єднуються в високошвидкісні за допомогою іеархіі мультиплексорів.
Прийнятий в Північній Америці і Японії, стандарт визначає канал T-1 (формат кадру DS1). Канал T-1 складається з 24 мультиплексованих голосових каналів, причому спочатку передбачалося, що амплітуда аналогового сигналу буде виражатися 7-розрядних двійковим числом, а один біт використовуватися для цілей управління (сигналізації). Крім того, крім 192 біт кожен кадр має ще один біт для синхронізації. Таким чином, загальна ємність каналу T-1 становить 1,544 Мбіт / с. Проте врешті-решт все 8 біт були відведені під дані, а сигналізація стала здійснюватися одним з таких двох способів. При сигналізації по загальному каналу 193-ю біт в кожному непарному кадрі служить для цілей синхронізації, а в кожному парному - для сигналізації. Суть іншого методу полягає в тому, що кожен канал має свій власний подканал для передачі сигнальної інформації (один біт в кожному шостому кадрі).
У попередніх уроках ми розглянули таке типове для комп'ютерних мереж обладнання, як мости, комутатори і маршрутизатори. Однак з огляду на все більш тісної інтеграції комп'ютерних та телефонних мереж (мереж зв'язку взагалі) для адміністраторів і навіть користувачів знання загальних принципів організації телефонних мереж стає все більш обов'язковим, особливо якщо вони працюють з глобальними мережами. Тому в даному уроці ми і вирішили розглянути таку технологію (точніше, технології), як мультиплексування.
Прокладка і експлуатація низкоскоростной магістральної лінії між двома АТС обходиться майже в стільки ж, у скільки і високошвидкісної лінії, так як основні витрати припадають аж ніяк не на покупку мідного або оптичного кабелю, а, взагалі кажучи, на риття траншеї для укладання кабелю. Для передачі декількох телефонних розмов по одній фізичній лінії телефонні компанії та розробили технології ущільнення, або мультиплексування.
Мультиплексування У ДВОХ СЛОВАХ
Принцип дії мультиплексора простий: що надходять з кількох входять низькошвидкісних лініях сигнали передаються в відведеному для кожного з них частотному діапазоні або інтервалі часу з високошвидкісної вихідної лінії. На протилежному кінці високошвидкісної лінії ці сигнали вичленяються, або демультіплексіруются.
Відповідно до способу ущільнення технології мультиплексування можна розділити на дві основні категорії: мультиплексування з поділом по частоті (Frequency Division Multiplexing, FDM) і мультиплексування з поділом за часом (Time Division Multiplexing, TDM). При частотному мультиплексировании частотний спектр ділиться на логічні канали, причому кожен користувач отримує цей канал в своє розпорядження на час розмови. При тимчасовому мультиплексировании користувачам періодично виділяється вся смуга, але тільки на короткий період часу.
частотного мультиплексування
Як відомо, людська мова може бути адекватно передана частотами в діапазоні від 300 до 3400 Гц, т. Е. Необхідний частотний інтервал становить 3100 Гц. Однак при мультиплексировании декількох голосових каналів кожному з них виділяється діапазон в 4000 Гц, щоб вони не перекривалися. Частота кожного каналу збільшується кожна на свою величину, кратну 4 кГц, потім канали комбінуються. В результаті канали розносяться по всьому спектру частот даної лінії. Канали відокремлені один від одного так званими захисними інтервалами (див. Малюнок 1).
Малюнок 1.
При частотному мультиплексировании весь частотний діапазон розбивається на кілька каналів. Щоб канали не перекривалися, вони відокремлені один від одного захисними інтервалами.
Схеми мультиплексування FDM в достатній мірі стандартизовані. Найбільшого поширення набув стандарт, згідно з яким дванадцять голосових каналів шириною 4000 Гц мультиплексируются в діапазоні частот від 60 до 108 кГц. Такий блок називається групою. Діапазон з 12 до 60 кГц використовується іноді для іншої групи.
Різновидом технології частотного мультиплексування, що використовується в разі оптичних ліній зв'язку, є мультиплексування по довжині хвилі (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Фізично мультиплексування здійснюється наступним чином: кілька волокон підводиться до призмі (або частіше дифракційної решітці), світлові пучки пропускаються через призму і потрапляють в загальну волокно. На протилежному кінці пучки розділяються за допомогою іншої призми. Якщо кожен підводиться пучок обмежений своїм частотним діапазоном, то вони не будуть перекриватися. Оптичні системи повністю пасивні і, як результат, більш надійні.
Сигнал PCM
Сучасний світ стає все більш комп'ютеризованим і, як наслідок, цифровим; зрозуміло, ця тенденція не обійшла стороною і телефонні мережі. Цифрові системи отримують все більш широке поширення, і в підсумку частотне мультиплексування поступається своїм місцем тимчасового мультиплексуванню. Однак, перш ніж людську мову, за своєю природою аналогову, можна буде передавати по цифровій мережі, її треба перетворити в дискретну форму. Це досягається за допомогою імпульсно-кодової модуляції (Pulse-Code Modulation). Тому в сучасних цифрових телефонних мережах зв'язку тимчасове мультиплексування тісно пов'язане з сигнал PCM.
Згідно з теоремою Котельникова, частота дискретизації повинна вдвічі перевищувати максимальну частоту спектра частот аналогового сигналу для його коректного відтворення, таким чином, вимірювання амплітуди повинні проводитися 8000 разів в секунду в разі людської мови. Значення амплітуди наближається 8-розрядних двійковим числом, тому швидкість передачі повинна складати 64 кбіт / с. Як наслідок, в цифрових мережах інформаційний канал на 64 кбіт / с - базовий для обчислення швидкості всіх більш ємних каналів зв'язку.
тимчасове мультиплексування
При мультиплексировании з поділом за часом кожен пристрій або входить канал отримують в своє розпорядження всю пропускну здатність лінії, але тільки на строго певний проміжок часу кожні 125 мкс (див. Малюнок 2). Останнє значення відповідає циклу дискретизації, так як при ІКМ кожну 1/8000 частку секунди необхідно проводити вимірювання амплітуди аналогового сигналу. Час передачі восьмирозрядного значення миттєвої амплітуди називається квантом часу (time slot) і дорівнює тривалості передачі восьми імпульсів (один для кожного біта). Послідовність квантів часу, які прямують з вищевказаним інтервалом, утворює тимчасової канал. Сукупність каналів за один цикл дискретизації становить кадр.
Малюнок 2.
При тимчасовому мультиплексировании вся пропускна здатність вихідної лінії надається на фіксований проміжок часу вхідної лінії меншої ємності.
У Європі, як і в решті світу, за винятком США і Японії, стандартною системою є ІКМ-32/30 (або E-1) з 32 тимчасовими каналами по 64 кбіт / с, в якій 30 каналів використовуються в якості інформаційних для передачі голосу , даних і т. д., а два - в якості службових, причому один із службових каналів призначений для сигналізації (службових сигналів встановлення зв'язку), інший - для синхронізації. Як неважко підрахувати, загальна ємність системи складає 2,048 Мбіт / с.
Система E-1 утворює так звану первинну групу. Вторинну групу E-2 утворюють 4 канали E-1 загальною ємністю 8,448 Мбіт / с, третинну систему E-3 - чотири канали E-2 (або шістнадцять каналів E-1) загальною ємністю 34,368 Мбіт / с, а четверичной групу - чотири канали E-3 загальною ємністю 139,264 Мбіт / с. Ці системи утворюють європейську плезіохронний цифрову ієрархію.
Принцип послідовного мультиплексування каналів проілюстровано на рисунку 3. Чотири канали E-1 мультиплексируются в один канал E-2, причому на цьому і наступних рівнях мультиплексування здійснюється побитно, а не побайтно, як це мало місце у випадку мультиплексування 30 голосових каналів в один канал E -1. Сумарна ємність чотирьох каналів E-1 становить 8,192 Мбіт / с, в той час як повна ємність E-2 дорівнює насправді 8,448 Мбіт / с. Надлишкові біти використовуються для обрамлення і відновлення синхронізації. Потім чотири канали E-2 мультиплексируются в один канал E-3 і т. Д.
Малюнок 3.
Як малі притоки зливаються в одну велику річку, так і низькошвидкісні лінії об'єднуються в високошвидкісні за допомогою іеархіі мультиплексорів.
Прийнятий в Північній Америці і Японії, стандарт визначає канал T-1 (формат кадру DS1). Канал T-1 складається з 24 мультиплексованих голосових каналів, причому спочатку передбачалося, що амплітуда аналогового сигналу буде виражатися 7-розрядних двійковим числом, а один біт використовуватися для цілей управління (сигналізації). Крім того, крім 192 біт кожен кадр має ще один біт для синхронізації. Таким чином, загальна ємність каналу T-1 становить 1,544 Мбіт / с. Проте врешті-решт все 8 біт були відведені під дані, а сигналізація стала здійснюватися одним з таких двох способів. При сигналізації по загальному каналу 193-ю біт в кожному непарному кадрі служить для цілей синхронізації, а в кожному парному - для сигналізації. Суть іншого методу полягає в тому, що кожен канал має свій власний подканал для передачі сигнальної інформації (один біт в кожному шостому кадрі).
Синхронної цифрової ієрархії
Необхідність прийняття єдиного стандарту для систем зв'язку в Європі і Америці, а також потреба у підвищенні максимальної швидкості передачі і вбудованих засобах управління мережею зв'язку привели до розробки синхронної цифрової ієрархії SDH (на жаль, північноамериканський варіант цього стандарту під назвою SONET дещо відрізняється від європейського, хоча ці відмінності не настільки істотні, як у випадку, наприклад, ієрархії каналів T-1, T-2 ... і E-1, E-2 ...).
В SDH синхронний транспортний модуль (STM-1) утворює нижній рівень ієрархії. Він еквівалентний синхронного транспортного сигналу STS-3c в ієрархії SONET з ємністю 155,52 Мбіт / с. Чотири модуля STM-1 мультиплексируются в STM-4 (\u003d STS-12c) c ємністю 622,08 Мбіт / с, а чотири модуля STM-4 - в STM-12 (\u003d STS-48c) з ємністю 2,488 Гбіт / с. Ієрархія визначає і більш високі рівні.
Мультиплексування здійснюється побайтно, а не побитно, т. Е., Наприклад, коли чотири потоки даних STM-1 об'єднуються в STM-4, мультиплексор спочатку відправляє один байт з першого потоку, потім один байт з другого і т. Д. По колу.
Одне з найбільш важливих відмінностей синхронної від плезиохронной ієрархії - це можливість виділення потрібного каналу аж до рівня E-1 без демультиплексування всього транспортного сигналу. Це призвело до появи принципово іншого типу мультиплексорів - мультиплексорів з додаванням і виділенням окремих каналів (в англійської термінології - add-drop multiplexer, а в російській технічній літературі їх коротко називають мультиплексорами введення / виведення).
Крім того, багато мультиплексори стали виконувати і функції кросової комутації (втім, може бути і навпаки, але це вже суперечка про курку і яйце). Мультиплексори з кросової комутацією (cross-connect multiplexor) дозволяють здійснювати концентрацію і розподіл потоків (функції мультиплексування і демультиплексування) поряд з перемиканням цифрових сигналів з одного каналу на інший відповідно до певних правил (функції комутації).
інверсного мультиплексування
У разі, коли організації необхідно мати лінію певної пропускної здатності, а пропоновані ємності або занадто малі (наприклад, Е-1), або занадто великі (скажімо, E-3), тоді-то і стане в нагоді пристрій під назвою інверсний мультиплексор. Цей пристрій дозволяє розподіляти вхідний потік даних між декількома вихідними лініями з меншою ємністю, ніж сукупний обсяг одержуваних даних в одиницю часу (див. Малюнок 4). Таким чином, наприклад, замовник може отримати канал, еквівалентний по ємності двом E-1. Перевагою такого підходу в порівнянні з незалежним підключенням двох ліній E-1 складається, наприклад, в тому, що інверсний мультиплексор дозволяє динамічно розподіляти навантаження між ними.
Малюнок 4.
Інверсне мультиплексування змушує згадати течія річки: огинаючи острова, вона розбивається на протоки, які потім знову зливаються воєдино.
ВИСНОВОК
В даному уроці ми розглянули основні технології мультиплексування, що застосовуються в телефонних мережах. Телефонія все тісніше переплітається зі світом комп'ютерів, у всякому разі, все частіше і частіше вони використовують одну і ту ж транспортну мережу як в глобальних, так і локальних мережах, не кажучи вже про те, що така "гаряча" технологія ATM з'явилася, як один з варіантів широкосмугового цифрової мережі з інтеграцією послуг. І, до речі кажучи, ATM було б правильніше назвати асинхронним тимчасовим мультиплексированием. Попередник ATM, технологія асинхронного тимчасового поділу (Asynchronous Time Division, ATD), був розроблений в лабораторіях France Telecom як варіація TDM. Її найважливішою відмінністю від TDM стало динамічне надання каналу, а не на весь час з'єднання ( телефонної розмови); заголовок же дозволяв визначити, до якого з'єднанню належать дані. Як наслідок, доступна ємність використовувалася більш ефективно. Тепер спадкоємець ATD претендує на роль єдиної технології як глобальних, так і локальних мереж. Але це вже тема іншої розмови.
Дмитро Ганьжа - відповідальний редактор LAN. З ним можна зв'язатися за адресою:
У волоконно-оптичних системах зв'язку і передачі інформації використовуються різні методи і технології передачі і обробки сигналів, в тому числі технології тимчасового (TDM) і спектрального (DWDM) мультиплексування і демультиплексування. У цій статті коротко викладаються принципи побудови і основи традиційних систем передачі інформації, що використовують TDM-технології, їх еволюція, можливості і обмеження, а також наводяться загальні порівняння з системами, що використовують технології WDM-мультиплексування.
тимчасове мультиплексування
Унікальні можливості оптичних волокон передавати на великі відстані сигнали в суперширокої смузі частот, з одного боку, і зростаюча потреба в підвищенні інформаційної ємності каналів зв'язку, з іншого, зумовили необхідність розробки методів мультиплексування (ущільнення) інформаційних каналів і створення мультиплексних систем.
Першим методом мультиплексування, який відразу ж став застосовуватися в волоконно-оптичних системах і мережах зв'язку, з'явився метод тимчасового мультиплексування.
При тимчасовому мультиплексировании кожному з інформаційних каналів системи, що мають загальну оптичну несучу, відводиться певний інтервал часу для передачі інформації. Тобто в перший інтервал часу оптична несуча модулюється сигналом одного інформаційного каналу, у другій - іншого і т. Д. Таким чином, інформація кожного каналу передається за допомогою одного джерела випромінювання по черзі, послідовно. Кожному каналу відводиться свій часовий інтервал або тимчасове вікно. Тривалість цього тимчасового вікна залежності від багатьох факторів, головними з яких є швидкість перетворення електричних сигналів в оптичні і швидкість передачі інформації в лінії зв'язку. Приладом, що встановлює черговість і часовий інтервал передачі інформації на вході лінії, є тимчасовою мультиплексор. На іншому кінці лінії встановлюється демультиплексор, який перетворює оптичний сигнал в електричний, визначає номер каналу, тобто ідентифікує його, і направляє інформацію відповідному користувачеві. Таким чином, мультиплексування і демультиплексування здійснюються тільки електронними засобами за допомогою електричних сигналів управління. На рис. 1 показана схема передачі сигналу по ВОЛЗ з тимчасовим мультиплексированием.
Мал. 1.
Використання технології TDM в даний час забезпечило введення в широку експлуатацію одноканальних (по оптичної несучої) волоконно-оптичних ліній передачі (одне джерело - одне волокно - один фотоприймач) зі швидкостями передачі 10 Гбіт / с. ВОЛЗ з такими швидкостями передачі поступово заміщають лінії зі швидкостями 2,5 Гбіт / с. В стадії практичної реалізації знаходиться зараз ВОЛЗ наступного покоління з інформаційною ємністю каналу 40 Гбіт / с, досліджуються можливості створення TDM-систем на швидкості передачі 100 Гбіт / с.
Швидкості в 10 Гбіт / с, на наш погляд, становлять певну поворотну точку в TDM-технологіях. Нижче цієї швидкості характеристики більшості існуючих волоконно-оптичних трактів практично не впливають на якість передачі інформації; при перевищенні швидкості передачі 10 Гбіт / с ці характеристики повинні вже більш ретельно перевірятися і коригуватися.
Перш за все необхідно враховувати хроматичну дисперсію волокна - залежність швидкості поширення світла від довжини хвилі оптичного випромінювання, зумовлену, в свою чергу, відповідної залежністю коефіцієнта заломлення світла в оптичному волокні від довжини хвилі.
Дисперсія приводить до розширення оптичних імпульсів в волокні, і при швидкостях передачі інформації 10 Гбіт / с (стандарт ОС-192) її вплив на обмеження в швидкості передачі проявляється вже в 16 раз сильніше, ніж при швидкостях в 2,5 Гбіт / с (стандарт ОС-48). Методи, які дозволяють компенсувати хроматичну дисперсію в уже прокладених оптичних волокнах, в принципі розроблені, але вони неминуче призводять до зростання втрат в системі, її суттєвого ускладнення і підвищення вартості. Для стандартного одномодового волокна (типу G.652) максимальна відстань, на яке можна передавати інформацію зі швидкістю 10 Гбіт / с за допомогою стандартних джерел випромінювання і без застосування спеціальних заходів компенсації дисперсії і корекції сигналу, обмежується межами 50ё 75 км.
На перших етапах створення гігабітних ВОЛЗ з метою придушення дисперсії в якості джерел випромінювання було запропоновано застосовувати вузькосмугові напівпровідникові лазери з довжиною хвилі випромінювання, близької (але не рівний) довжині хвилі, на якій в волокні має місце нульова дисперсія. Це повинно було б дозволити також уникнути чотирьох хвильового зміщення в волокні, що приводить до перехресним перешкод в ВОЛЗ. Однак виявилося, що при прямій модуляції лазерів по току харчування крім амплітудної відбувається і частотна модуляція, тобто змінюється довжина хвилі випромінювання лазера. Це явище, відоме як "чірпінг", призводить до досить сильному розкиду генеруючих імпульсів по спектрального складу оптичного випромінювання і, отже, до прояву таких небажаних ефектів, як згадані вище чотирьох хвильове зміщення і хроматична дисперсія.
Але навіть якщо і вдається будь-яким способом компенсувати хроматичну дисперсію волокна на швидкостях передачі c 10 Гбіт / с і більше, починає проявлятися поляризационно-модів дисперсія (ПМД), яка також призводить до обмеження швидкості передачі інформації в лінії. ПМД є наслідок відмінності швидкостей поширення двох основних ортогонально-поляризованих мод, що поширюються в одномодовом волокні, яке, в свою чергу, може бути викликано цілим рядом факторів, що впливають на величину двулучепреломления волокна і на взаємодію (або змішання) мод.
Крім цього, розробка TDM-систем, що забезпечують подальший (за межі 10 Гбіт / с) підвищення швидкості передачі інформації, також вимагає розробки і застосування нових надшвидких електронних систем модуляції, комутації та прийому лазерного випромінювання в ВОЛЗ. Подібні проблеми неминуче виникають і при створенні систем корекції помилок в ВОЛЗ з такими швидкостями.
Таким чином, можна сказати, що TDM-технологи, навіть при значному удосконаленні, можуть бути практично використані в ВОЛЗ зі швидкостями передачі інформації в десятки Гбіт / с, при цьому також залишається відкритим питання економічної доцільності таких рішень. Для створення більш широкосмугових ВОЛЗ необхідно було або прокладати нові волоконно-оптичні лінії, або шукати нові рішення, що дозволяють мультиплексировать окремі TDM-канали та передавати їх по одному волокну одночасно.
спектральний мультиплексування
Таким рішенням є розробка технології спектрального мультиплексування (DWDM), які дозволяють збільшувати швидкості передачі інформації в ВОЛЗ за рахунок одночасної передачі по волокну декількох TDM-каналів на різних довжинах хвиль.
Оптична схема побудови ВОЛЗ, що використовує DWDM-технології, наведена на рис. 2. У схемі є набір оптичних передавачів, що випромінюють на довжинах хвиль l n на одному кінці лінії, і набір відповідних фотоприймачів на іншому. На кожній з цих довжин хвиль l n може незалежно передаватися один з TDM-сигналів системи, таким чином забезпечується одночасна передача всіх TDM-каналів. Необхідними елементами таких ВОЛЗ є волоконно-оптичні підсилювачі, мультиплексори, демультиплексори, блоки введення-виведення оптичних каналів (або мультиплексори з пристроями введення-виведення), комутатори та, природно, волоконно-оптичні кабелі. Кожен з цих елементів є важливим для правильного функціонування системи в цілому, характеристики кожного повинні бути ретельно визначені і поставлені.
а - Мультиплексори з пристроєм вводу-виводу
b - Оптичні підсилювачі
c - Оптичні перемикачі
Мал. 2.
Критерії вибору компонентів для DWDM-систем визначаються рядом досить жорстких вимог, головним з яких є вимога про те, що всі канали повинні мати рівну пропускну здатність по всьому оптичному шляху проходження і обробки сигналів.
Це означає, що оптичні джерела, мультиплексори, демультиплексори, оптичні підсилювачі і саме волокно повинні мати характеристики, які повністю забезпечують реалізацію заданих параметрів створюваної локальної мережі. Тому оптичні характеристики пасивних і активних компонентів локальної мережі, такі, як вносяться і зворотні втрати, дисперсія, поляризаційні ефекти та ін. Повинні ретельно вимірюватися і контролюватися в залежності від довжини хвилі в межах спектральної смуги DWDM-системи. Як правило, DWDM-системи містять значно більше складних пристроїв і елементів в порівнянні з системами, що працюють на одній довжині хвилі, і тому контроль їх параметрів здійснювати значно складніше. До таких пристроїв і елементів відносяться мультиплексори і демультиплексори, вузькосмугові фільтри, одержувані методами тонкопленочной технології, сплавні биконические разветвители, пристрої введення-виведення на основі хвилеводних дифракційних решіток, об'ємні бреггівськими фільтри і бреггівськими фільтри на основі дифракційних решіток.
На додаток до цього має бути точно встановлено і враховано волоконно-оптичних підсилювачів на якість і цілісність спектра оптичних сигналів і, нарешті, повинні бути враховані і зведені до мінімуму ефекти взаємодії спектральних каналів між собою, з тим щоб звести до мінімуму перехресні перешкоди, які можуть привести до спотворення інформації в різних елементах мережі.
Таким чином, навіть на перший погляд видно, що системи зв'язку, що використовують DWDM-технології, є більш складними і дорогими у порівнянні з існуючими одноканальними ВОЛЗ. Однак, якщо врахувати, що значну частину вартості будівництва нових ВОЛЗ і мереж зв'язку становить вартість оптичного кабелю і його прокладки, то порівняльний аналіз показує, що застосування DWDM-технології дозволяє істотно знизити витрати в розрахунку на 1 біт інформації, т. Е. Мережу стає дешевшою. Крім того, з'являється можливість більш гнучкого маркетингу інформаційними каналами: можна буде купувати або брати в оренду не тільки кабель або волокно, а й окрему довжину хвилі. Таким чином, DWDM-технології здатні забезпечити можливості багаторазового розширення смуги переданих частот в мережі без її капітальної реконструкції та прокладки нового кабелю. В даний час в світі вже практично реалізовані і функціонують DWDM-системи з 64 спектральними каналами, на стадії завершення розробки знаходяться системи на 128 спектральних каналів. У 2001 році перші DWDM-системи вже з'явилися і в Росії.
І зв'язку, мультиплексування (Англ. Multiplexing, muxing) - ущільнення каналу, тобто передача декількох потоків (каналів) даних з меншою швидкістю ( пропускною спроможністю) По одному каналу.
В телекомунікації мультиплексування на увазі передачу даних по кількох логічних каналах зв'язку в одному фізичному каналі. Під фізичним каналом мається на увазі реальний канал зі своєю пропускною спроможністю - мідний або оптичний кабель, радіоканал.
В інформаційних технологіях мультиплексування на увазі об'єднання декількох потоків даних (віртуальних каналів) в один. Прикладом може послужити відеофайл, в якому потік (канал) відео об'єднується з одним або декількома каналами аудіо.
Пристрій або програма, що здійснює мультиплексування, називається мультиплексором.
принципи мультиплексування
Мультиплексування з поділом по частоті (FDM)
технологія
Оскільки вихідний канал може бути зайнятий, на входах передбачені буфери для зберігання пакетів. У зв'язку з цим деякі пакети можуть бути доставлені в місце призначення зі змінними затримками.
Основні застосування
- мережі комутації пакетів, в тому числі мережі зі швидкою комутацією пакетів.
Див. також
Мультиплексування з поділом по довжині хвилі (WDM)
технологія
Мультиплексування з поділом по довжині хвилі (Англ. WDM, Wavelength Division Multiplexing) Передбачає передачу по одному оптичного волокна каналів на різних довжинах хвиль. В основі технології лежить факт того, що хвилі з різною довжиною поширюються незалежно одна від одної. Виділяють три основні типи спектрального ущільнення: WDM, CWDM та DWDM.
Основні застосування
- міські мережі передачі даних
- магістральні мережі передачі даних
Застосування мультиплексування сучасними провайдерами ШПД
Мультиплексування (див. Овербукинг) сучасними провайдерами ШПД обумовлено економічними і технологічними особливостями мереж передачі даних.
Економічні особливості передачі даних полягають у наступному. При введенні в одну точку підключення 100 Мбіт / сек смуги провайдер в стані підключити близько 100 клієнтів із заявленою швидкістю в 100 Мбіт / сек, без втрати видимого відчуття швидкості Інтернету. Розглянемо докладніше: припустимо, вартість 100 Мбіт / сек дорівнює 100 000 р. Не кожна фірма або приватна особа здатне оплачувати постійний доступ за такою ціною. Якщо провайдер призначить ціну в 2 000 р. за доступ до такої смузі, і продасть цей доступ 50-100 користувачам, він отримає прибуток, а користувачі - доступну послугу.
Що стосується швидкості доступу для користувачів. Припустимо, 10 з 100 користувачів одночасно скачують «важкий» контент з мережі. У кожного провайдера варто система розподілу навантаження, тобто отримати весь канал в 100 Мбіт / сек у користувача не вийде. Система обмежить ваш канал за певною формулою, але навіть при швидкості скачування в 10 Мбіт / сек завантаження файлу розміром в 30 Мбайт займе не більше 30 секунд. Далі ваша навантаження на канал зведеться до перегляду сторінок і користування поштою. Якщо масштабувати ситуацію і прийняти, що у провайдера таких каналів зв'язку і, відповідно, користувачів більше в сотні і тисячі разів, можна уявити, що в кожний певний проміжок часу кожен користувач фізично не здатний запитувати стільки інформації, щоб завантажити канал. Тому швидкість може незначно знижуватися в «години пік» і залишатися на заявленому рівні в решту часу.
Примітки
Див. також
література
- Д. Девіс, Д. Барбер, У. Прайс, С. Соломонідес. обчислювальні мережі і мережеві протоколи \u003d Computer Networks and their Protocols / Пер. з англ. під ред. д.т.н., проф. С. І. Самойленко. - М.: "Мир", 1982. - 562 с. - 10,000 прим.
