January 23rd, 2021

Мультиплексирование с разделением по времени

Каналов передачи данных обычно меньше, чем желающих передавать данные по этим каналам. Чтобы одновременно несколько желающих могли передавать данные по одному каналу, люди придумали «мультиплексирование» (по-английски «multiplexing» или сокращенно «muxing»).

Мультиплексирование — это метод, с помощью которого множество аналоговых или цифровых сигналов можно объединить в один сигнал, передаваемый по одной разделяемой физической среде передачи. Физической средой передачи может быть электропровод, оптоволокно, воздух или космическое пространство при беспроводной передаче. «Разделяемая» (по-английски «shared») эта среда потому, что она делится между множеством сигналов, передаваемых по ней.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Мультиплексирование
https://en.wikipedia.org/wiki/Multiplexing

Мультиплексирование можно выполнять разными способами. Одним из таких способов является «мультиплексирование с разделением по времени» (по-английски «time-division multiplexing», сокращенно «TDM»).

Что это означает? При таком мультиплексировании все входящие сигналы делятся на мелкие части, после чего эти части передаются по одному общему (разделяемому) каналу поочередно. На другом конце общего канала происходит обратный процесс: из приходящих мелких частей воссоздаются первоначальные сигналы.


Рисунок 1

На рисунке 1 передача данных ведется слева направо. В составе источника сообщения (сигнала) находится устройство, которое называется мультиплексором. Именно оно осуществляет мультиплексирование. На рисунке оно схематично изображено повернутой на 90° вправо трапецией. В составе получателя сообщения (сигнала) находится устройство, которое называется демультиплексором. Оно разделяет полученное общее сообщение (сигнал) снова на отдельные сообщения (сигналы) и направляет эти сообщения в соответствующие каналы.

На рисунке 1 в мультиплексор слева по трем каналам приходят три разных сигнала, которые мультиплексор делит на части, назовем их «кадрами». Мультиплексор выделяет каждому входящему в него каналу фиксированный отрезок времени («временной слот», произносится с ударением на «о», то есть на последний слог при склонении; по-английски «time slot» или «timeslot») в своем графике работы. Так как на рисунке входящих канала три, то график работы мультиплексора разбит на три временных слота, которые выделяются каналам поочередно, от первого к последнему, а затем происходит возврат к первому (то есть по кругу или «циклу»). В ходе каждого цикла мультиплексор принимает от каждого канала по кусочку данных (кадру) и формирует в разделяемой среде передаче «суперкадр», состоящий в нашем случае из трех кадров, в числе которых есть по кадру от каждого канала. Работа мультиплексора продолжается по кругу, суперкадры движутся по разделяемой (общей) физической среде передачи к получателю сигнала и попадают в демультиплексор, который разбивает каждый суперкадр обратно на кадры и направляет каждый кадр в соответствующий приемный канал.

Описанная схема работы называется мультиплексированием с разделением по времени потому, что график работы мультиплексора и демультиплексора разбит на временные слоты, каждый из которых привязан к своему каналу передачи данных.

Отмечу, что цифры 1, 2, 3 слева от мультиплексора и справа от демультиплексора являются номерами входящих и исходящих каналов соответственно. А цифры 1, 2, 3 между мультиплексором и демультиплексором, находящиеся над суперкадрами, являются номерами временных слотов.

Обычно общий (разделяемый канал) имеет пропускную способность (скорость передачи данных) больше, чем скорость передачи данных в отдельных входящих каналах. Например, если скорость передачи данных в каждом отдельном входящем канале взять равной одному кусочку данных (кадру) в секунду, а скорость передачи данных в общем (разделяемом) канале взять равной трем кадрам в секунду (одному суперкадру в секунду), то пользователь каждого отдельного входящего канала даже не заметит, что делит одну общую физическую среду передачи данных с еще двумя пользователями. Ведь скорость передачи его данных останется равной одному кадру в секунду, то есть не будет заметно какого-либо снижения скорости передачи данных.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Мультиплексирование_с_разделением_по_времени
https://en.wikipedia.org/wiki/Time-division_multiplexing

Изложенная выше текстом и на рисунке 1 схема работы мультиплексирования с разделением по времени называется «синхронным мультиплексированием с разделением по времени» (сокращенно «синхронное TDM», по-английски «synchronous TDM»). Оно называется так потому, что демультиплексор работает синхронно с мультиплексором, в результате чего демультиплексор знает, что (для нашего примера) кусочек данных (кадр) из временного слота 1 входящего суперкадра следует направить в исходящий канал 1, а кусочек данных (кадр) из временного слота 2 следует направить в исходящий канал 2 и так далее. От каждого кусочка данных (кадра) не требуется нести в себе номер исходящего канала, чтобы попасть в нужный исходящий канал, потому что из-за синхронизма демультиплексора с мультиплексором всё и так пройдет правильно.

У синхронного TDM имеется недостаток:


Рисунок 2

На рисунке 2 изображено то же синхронное TDM, что и на рисунке 1. Однако, данные, поступившие от пользователей во входящие каналы, имеют разный размер. Исходя из своей синхронной природы, демультиплексор может размещать данные первого канала только во временном слоте 1 каждого суперкадра, данные второго канала — только во временном слоте 2 каждого суперкадра и так далее. В результате получается, что из-за неравномерной нагрузки из входящих каналов некоторые суперкадры получаются частично пустыми, то есть разделяемый канал используется неэффективно (эта ситуация показана на рисунке 2 — см. состояние разделяемого канала между мультиплексором и демультиплексором).

Чтобы избавиться от этого недостатка, придумали так называемое «асинхронное TDM» (по-английски «asynchronous TDM»), которое также называют «статистическим TDM» (по-английски «statistical TDM»):


Рисунок 3

На рисунке 3 мультиплексирование с разделением по времени происходит асинхронно с демультиплексированием, это означает, что мультиплексор не привязывает каждый входящий канал к своему временному слоту, а может выделять одному входящему каналу не по одному временному слоту в каждом суперкадре, а по несколько, по необходимости. Это видно на рисунке: два первых суперкадра справа в разделяемом (общем) канале передачи данных заполнены так же, как и при синхронном TDM, потому что входящие каналы сначала обеспечивают равную загрузку данными. Однако, на третий отсчет данные во втором входящем канале заканчиваются и мультиплексор решает второй слот третьего справа суперкадра отдать под данные из третьего входящего канала. И так далее.

В результате работы асинхронного TDM входящие каналы не привязаны к своим временным слотам, поэтому демультиплексор без дополнительной информации не может правильно определить, в какой исходящий канал направлять очередной полученный кадр. На рисунке 3 показано добавление дополнительной информации к каждому кадру: перед данными каждого кадра помещается заголовочная часть кадра с номером (адресом) нужного исходящего канала. Воспользовавшись этим номером (адресом), демультиплексор в результате сможет правильно распределить получаемые кадры в нужные исходящие каналы.

Асинхронное TDM еще называют «статистическим TDM» потому, что мультиплексор принимает решение о распределении временных слотов в суперкадрах на основании статистики о входящей нагрузке (входящих данных) из входящих каналов.

https://en.wikipedia.org/wiki/Statistical_time-division_multiplexing

В радиосвязи приложение синхронного TDM могут называть «статичным TDMA» (привязка входящих каналов к определенным временным слотам остается неизменной, то есть статичной; по-английски «static TDMA»), а приложение асинхронного TDM — «динамичным TDMA» (входящие каналы не привязаны к определенным временным слотам, распределение временных слотов между каналами происходит каждый раз по-разному, то есть динамически; по-английски «dynamic TDMA»). Дополнительная буква «A» в аббревиатуре означает «access», по-русски «доступ»:

https://ru.wikipedia.org/wiki/TDMA
https://en.wikipedia.org/wiki/Time-division_multiple_access

Разбирая работу мультиплексирования с разделением по времени, можно понять, почему различают три вида синхронизации цифровых сигналов с данными: поэлементная (по битам), групповая (по кадрам) и цикловая (по суперкадрам):

https://ru.wikipedia.org/wiki/Синхронизация_(передача_сигналов)