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Fundamentos de Telecomunicações Aula 4: Multiplexagem.

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1 Fundamentos de Telecomunicações Aula 4: Multiplexagem

2 Sumário TDM -Multiplexagem pela divisão do tempo TDM Síncrono TDM Estatístico FDM-Multiplexagem pela divisão na frequência

3 Introdução No caso mais simples cada canal de transmissão transporta apenas os sinais de uma fonte Quando o canal de transmissão possui capacidade muito superior ao débito da fonte, pode-se usar esse canal para transportar os sinais de mais do que uma fonte Quando isso acontece diz-se que o canal está a ser partilhado ou multiplexado.

4 Multiplexagem

5 Categorias de Multiplexagem Multiplexagem Divisão do Tempo TDM Divisão da Frequência FDM Divisão do Espaço SDM Divisão Código CDMA

6 TDM: Multiplexagem por Divisão no Tempo

7 Sinal amostrado é nulo no espaço entre amostras – Durante grande parte do tempo – Podemos aproveitar os tempos mortos para transmitir amostras de sinais doutras fontes

8 TDM

9 frequência tempo

10 TDM

11 Sistema TDM

12 Ritmo de transmissão TDM

13 Sistema TDM com 3 canais PCM

14 Multiplexagem por divisão no tempo: TDM Processo Digital que permite que várias conexões partilham uma ligação com muita largura de banda Fatias (Slots) de tempo e Tramas (Frames) – Cada PC tem uma fatia de tempo – No TDM uma trama consiste num ciclo completo de fatias de tempo Based on Data Communications and Networking, 3rd EditionBehrouz A. Forouzan, © McGraw-Hill Companies, Inc., 2004

15 Quadros TDM TDM Puro: débito mux-para-mux = débitos dos PCs agregados Sem perdas de dados (similar à multiplexagem de chamadas telefónicas) Based on Data Communications and Networking, 3rd EditionBehrouz A. Forouzan, © McGraw-Hill Companies, Inc., 2004

16 Exemplo 1 4 ligações 1-Kbps são multiplexadas. A unidade é 1 bit. Determine:(1) A duração de 1 bit antes da multiplexagem, (2) O débito da ligação, (3) a duração duma fatia de tempo (4) a duração dum quadro? Solução Podemos responder assim: 1. A duração do bit é 1/1 Kbps, ou s (1 ms). 2. O débito da ligação é 4 Kbps. 3. A duração de cada fatia de tempo é 1/4 ms ou 250 s. 4. A duração de cada quadro é 1 ms.

17 Intercalação Multiplexador/Desmultiplexador processa um PC de cada vez Intercalação de caracter (byte) – A multiplexagem processa de cada vez um/mais caracteres de cada unidade Intercalação de bit – A multiplexagem processa um bit de cada unidade de cada vez

18 Exemplo 2 Quatro canais são multiplexados usando o TDM. Cada um deles envia 100 bytes/seg e é multiplexado 1 byte por canal. Mostre o quadro a viajar no canal, a duração do quadro, a taxa de quadros e o débito em bits para a ligação

19 Exemplo 2: Solução

20 Comutador Electrónico para TDM

21 Sincronização Questão essencial da multiplexagem é a sincronização entre comutador e o distribuidor – Cada amostra tem que ser entregue ao destino correcto e no instante devido – O distribuidor deve estar posicionado na saída do destino i sempre que chega amostra originária da fonte i (trama alinhada)

22 Sinal PAM TDM com sincronização

23 Conceito de Canal Virtual Tudo se passa como se cada para fonte destino tivesse um caminho dedicado onde transitam amostras do respectivo sinal Este conceito aparece frequentemente em outros contextos de telecomunicações em especial na comunicação de dados e comunicação entre computadores

24 Representação de Canal Virtual

25 Técnicas de TDM Na técnica descrita – Símbolos sucedem-se regularmente no tempo – Tramas contíguas sem interrupção TDM síncrono – Quando uma fonte deixa de transmitir os intervalos de tempo que lhe estão atribuídos têm que decorrer pois são esses intervalos que identificam a fonte TDM assíncrono – Não se exige a referida ordenação temporal nem a contiguidade das tramas e pode-se usar o tempo desperdiçado.

26 Aplicações TDM Telefone Digital Comunicação de Dados Acesso a satélite Rádio Celular

27 TDM Síncrono

28 Introdução A primeira forma apareceu com a digitalização TDM do sistema telefónico Começou com a preocupação de transmitir canais de voz de qualidade telefónica – Sistemas de multiplexagem TDM A sua estrutura mostrou-se desadequado para TV digital, comunicação entre computadores – Surgiram outras estruturas de multiplexagem como a SDH e a SONET Usaremos o PCM como referência e abordaremos aspectos de outros sistemas

29 Organização de Tramas Os sistemas TDM digitais multiplexam os canais na forma digital binária – Fontes analógicas são previamente digitalizdas – A cada amostra PAM passa a corresponder um grupo de k bits (uma palavra) – O ritmo unitário corresponde a uma canal telefónico (4kHz) com 8 bits por amostra

30 Organização das Tramas Constituída pela multiplexagem no tempo de N canais de K bits – 2 organizações Canais entrelaçados Dígitos entrelaçados

31 Formas de organização de tramas

32 Alinhamento das tramas Típica da multiplexagem síncrona Sincronização do equipamento terminal de recepção tanto em frequência como em fase à frequência de símbolos que está a receber. Operação necessária cada vez que o receptor entra em operação – Inicial ou após interrupção

33 Receptor alinhado Precisa de referência temporal periódica para verificar isocronismo e detectar eventuais desvios de fase Referência temporal consiste num padrão de bits organizado da seguinte forma – Alinhamento agrupado: v bits consecutivos no ínicio de cada trama – Alinhamento distribuído: os v bits do padrão estão distribuídos na mesma trama ou em várias

34 Referência temporal simulada Padrão com baixa auto-correlação Bloqueando canais da trama e enviando sequência determinística Confirmando o correcto alinhamento através de critérios diferentes (ausência de padrão de alinhamento em tramas alternadas)

35 Sinalização Transmissão de informação de controlo entre equipamentos de multiplexagem – Possui semântica própria – Sinalização dentro do octeto (em banda) – Sinalização fora do octeto – Sinalização em canal comum (+ utilizada)

36 Sistemas de Multiplexagem PCM Proliferação de sistemas de multiplexagem incompatíveis – Ritmos de transmissão – Número de canais por trama – Método de sinalização Normas ITU – Sistema Europeu – Sistema Americano (AT&T)

37 Sistema de Multiplexagem Primário Europeu Referenciado abreviadamente como ritmo de 2Mbps resultante da composição da trama com 125us de duração por 32 canais básicos Canais 1-15;17-31 constituem os 30 canais de informação utilizáveis Canal 0 destina-se à transmissão em tramas alternadas do padrão de alinhamento da trama Canal 16- Usado para numeração das tramas num alinhamento multitrama Sinalização fora do octecto

38 Estrutura da trama PCM de 2 Mbps

39 Multitrama PCM de 2 Mbps

40 Algoritmo de Alinhamento SP Europeu

41 Sistema de Multiplexagem Primário Amerciano 24 canais +1 bit de sincronismo de trama =193 bits 193bits/125 us = 1544 Kbps~1.5Mbps Sinalização dentro do octeto : último bit de cada canal das tramas 6 e 12

42 Estrutura da trama PCM de 1.5Mbps

43 Multitrama PCM 1.5Mbps e canais de sinalização

44 Hierarquia de Multiplexagem PDH Para multiplexar um maior número de canais – Recorre-se à hierarquização de estágios de multiplexagem sucessivos Ritmo agregado mais elevado

45 Exemplo de Multiplexagem PDH Europeia

46 Hierarquia de multiplexagem PDH

47 Exemplo 6.1

48 Hierarquia de Multiplexagem PDH Infra-estruturas das operadoras estão estruturadas segundo esta hierarquia – Utente deve dispor de terminal apropriado para o serviço que pretende usar Se não for o caso tem que se intercalar um DSU

49 Anisocronismo das tributárias Os multiplexadores de nível inferior a um determinado nível de multiplexagem são designadas tributárias – Na construção do nível n de multiplexagem a partir de tramas de n-1 há o problema do assincronismo das tributárias Fontes geograficamente distantes – Frequências ligeiramente diferentes – Frequências isócronas mas desfasadas – Desfasamento provoca atrasos (jitter)

50 Estrutura da trama PDH de 2ª ordem a 8 Mbps

51 Formato da trama de multiplexagem de 8 Mbps

52 Arquitectura dos Multiplexadores

53 Duplexidade dos Multiplexadores

54 Formatos de tramas SDH e SONET Tramas básicas: blocos de 810 bytes com 125 us de duração – Coincide com o período PCM: são produzidas 8000 tramas por segundo – Sistema síncrono: as tramas são sempre emitidas com informação útil ou não – Tramas descritas com matriz 9*90

55 Formato de Tramas SDH e SONET

56 Formatos de tramas SDH e SONET Ritmo binário bruto – 810x8=6480 bits/125 us -> Mbps (canal básico SONET) – Trama correspondenre STS-1 – Todos os restantes ritmos são múltiplos do STS-1 – 3 1ºs bytes são reservados para gestão do sistema (sinalização da linha e da secção) – Restantes 87 colunas transportam dados do utilizador - as origens/destinos ligados aos equipamentos terminais. Esses dados SPE (Synchronous Payload Envelope)

57 Hierarquias de Multiplexagem SDH e SONET

58 Multiplexagem Hierárquica SDH

59 TDM Estatístico

60 Multiplexagem síncrona Apropriada para transmissão digitalizada de fontes que produzem tráfego a um ritmo contínuo ou regular Existem fontes que não se comportam desta forma – Computadores, Terminais de Dados – Tráfego produzido de forma aleatória

61 Característica do Tráfego Gerado por Computador De natureza aleatória Multiplexador para tirar partido deveria – Alocar dinamicamente as ranhuras temporais das tramas de saída Em função da existência de informação nos buffers de entrada e com o seu estado de ocupação Multiplexagem estatística ou assíncrona

62 Característica do Tráfego Gerado por Computador Intermitente não regular Carácter Aleatório Com elevado factor de crista – Relação elevada entre o ritmo binário nominal e médio (>> 1) Muitos picos (bursts) de tráfego Muitos tempos mortos

63 Características do trafego gerado por computador

64 Unidade de dados (DU) de transmissão – Equipamento nunca transmite apenas um bit Ou um byte ou um múltiplo do byte – DU é um conjunto de bits emitidos consecutivamente e interpretado como um todo DU pode ser de tamanho fixo ou variável (mensagens) – Da figura anterior

65 TDM Estatístico Débito Mux-to-Mux < débito agregado dos terminais/hosts Fatias de tempo alocadas baseada em padrões de tráfego Usar estatística para determinar alocação entre utilizadores Tem que nviar o endereço da porta com os dados (sobrecarga) Potencia perdas em períodos de pico Pode usar buffer de dados e controlo de fluxo para reduzir perdas Nem sempre transparente aos terminais/hosts Perdas e atrasos são possíveis Porquê usar o STDM Mais económico (menos MUXs e linhas mais baratas) e eficiente

66 TDM síncrono vs estatístico

67 Formato de tramas do TDM estatístico

68 Desempenho Recorre-se à teoria das filas de espera para descrever o comportamento do multiplexador estatístico

69 Service times X M = exponential D = deterministic G = geral Tempo de serviço: E[X] Processo de Chegada / Tempo de Serviço / Servidores / Max Ocupação Intervalo entre chegadas M = exponencial D = determinístico G = geral Ritmo de chegada: E[ ] 1 servidor c servidores infinito K clientes Não especificado se ilimitado Multiplexer Models: M/M/1/K, M/M/1, M/G/1, M/D/1 Modelos de Trunking: M/M/c/c, M/G/c/c Actividade de utilizadores: M/M/, M/G/ Classificação de Modelo de Filas

70 1 2 c X N q (t) N s (t) N(t) = N q (t) + N s (t) T = W + X W P b P b ) N(t) = nº no sistema N q (t) = nº na fila N s (t) = nº em serviço T = atraso total W = tempo de espera X = tempo de serviço Variáveis de um Sistema de Fila de Espera

71 Service times X M = exponential D = deterministic G = geral Tempo de serviço: E[X] Processo de Chegada / Tempo de Serviço / Servidores / Max Ocupação Intervalo entre chegadas M = exponencial D = determinístico G = geral Ritmo de chegada: E[ ] 1 servidor c servidores infinito K clientes Não especificado se ilimitado Multiplexer Models: M/M/1/K, M/M/1, M/G/1, M/D/1 Modelos de Trunking: M/M/c/c, M/G/c/c Actividade de utilizadores: M/M/, M/G/ Classificação de Modelo de Filas

72 Fila de Espera de MUX estatístico

73 Modelos Probabilístico para F.E.

74 Modelo para MUX estatístico

75 Ocupação e atraso médios no MUX estatístico

76 Probabilidade de sobrelotação dos buffers

77 Exemplo 6.2 Considere-se um multiplexador estatístico com entradas de de 64Kbps e saída de 120Kbps. Suponha-se que os equipamentos ligados à entrada transmitem unidades de dados (DUs) de comprimento fixo igual a 1000 bits durante 40% do tempo a uma ritmo aleatório (Poisson), isto é, tempos entre DUs distribuídos segundo uma exponencial negativa. Valores para esta situação k=1000 bits; rbe=64000 bps; rbs=128000; alfa=0.4 a) 3 equipamentos ligados à entrada b) 4 equipamentos ligados à entrada

78 FDM Multilexagem por Divisão na Frequência

79 FDM: Multiplexagem por divisão da Frequência Atribui diferentes frequências analógicas a cada dispositivo ligado Tal como TDM puro Velocidade mux-mux- agregação velocidade de terminais Não há perdas de dados- transparente ao utilizador Canais separdos por banda de guarda

80

81 Domínio da frequência Não Modulado Frequência Sinal Portadora watts Banda de Base (BB) Modulado Frequência Signal Portadora BB watts BB

82 FDM

83 frequency time 4 users Example:

84

85 Processo FDM – Os sinais de cada canal são modulados usando diferentes portadoras – Os sinais modulados resultados são combinados num sinal composto que é enviado através do canal – O canal tem que ter largura de banda suficiente para o transportar.

86 Desmultiplexagem FDM O desmultiplexador usa uma série de filtros para decompor o sinal multilexado nos seus sinais constituintes Os sinais individuais são então desmodulados e passados aos receptores

87 MUX FDM

88 MUX FDM INV

89 FDM de 3 sinais de voz

90 Exemplo 6 Assuma que um canal de voz ocupa uma largura de banda de 4 KHz. Precisamos de combinar três canais de voz num canal com largura de banda de 12 KHz, de 20 a 32 KHz. Mostre a configuração no domínio da frequência sem usar bandas de guarda.Show the configuration using the frequency domain without the use of guard bands.

91 Exemplo 6

92 Exemplo 7 5 canais cada um dos quais com 100 KHz de largura de banda, vão ser multiplexados conjuntamente. Qual é a largura de banda mínima da ligação a usar se for necessária uma banda de guarda de 10 KHz entre os canais para prevenir interferência?

93 Exemplo 7

94 Hierarquias FDM

95 WDM: Multiplexagem por divisão de comprimento de onda WAVE DIVISION MULTIPLEXING - WDM

96 WDM Técnica de multiplexagem analógica para combinação de sinais ópticos Fluxos de luz múltiplos a diferentes frequências Transportado por fibra óptica Uma forma de FDM Cada cor de luz transporta um canal de dados diferente Sistemas comerciais de 160 canais de 10 Gbps disponíveis


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