Статистическое временное мультиплексирование

Взрывная природа трафика, свойственная сетям передачи данных, привела к разработке более гибкого метода мультиплексирования — статистического. В этом методе тайм-слоты не приписываются жестко за каналами и могут более свободно распределяться под приходящие по разным каналам данные. Времена прибытия данных, а не номера низкоскоростных каналов определяют последовательность, в которой данные от разных каналов размещаются в тайм-слоты. Каждый раз, когда тайм-слот испускается в мультиплексную линию, мультиплексор добавляет к нему специальный идентификатор, по которому демультиплексор на другом конце определяет, в какой выходной канал перенаправить содержимое данного тайм-слота. Если на вход мультиплексора данные не поступают, то он передает пустые тайм слоты с пустыми полями идентификаторов. Асинхронность выражается не в асинхронном испускании тайм-слотов — они следуют строго регулярно, а в допустимости асинхронного размещения приходящих данных в тайм-слоты.

Заметим, что идентификатор, выполняя очень важную функцию в этом методе мультиплексирования, является служебной информацией и, таким образом, уменьшает полосу, которая могла бы использоваться под передачу данных.

Статистический TDM мультиплексор предоставляет приложению такую полосу, которую оно запрашивает, если, конечно, эта величина не превосходит свободной емкости мультиплексной линии. Суммарная величина полос пропускания низкоскоростных каналов, входящих в мультиплексор, может превосходить полосу пропускания скоростного канала. Игра идет на том, что не все низкоскоростные приложения осуществляют одновременно передачу.
Статистическое мультиплексирование требует более сложного управления и значительно большей вычислительной мощности от оборудования.

Сначала статистическое мультиплексирование было использовано в сетях с протоколом Х.25, позже — в сетях Frame Relay и АТМ.

Пример 5.1. Расчет производительности статистического мультиплексора.

Допущения. Рассмотрим работу гипотетического статистического 4-канального мультиплексора, рис. 5.7 а [7]. Пусть максимальная скорость (полоса пропускания) каждого из 4-х входных каналов составляет 100 бит/с, а входные данные представляются 8-битными символами в обкладках «старт» и «стоп» битов, В процессе мультиплексирования биты «старт» и «стоп» сбрасываются, а два дополнительных бита — поле идентификатора — добавляются к тайм-слотам в мультиплексном канале, что приводит к общей длине 10 бит для тайм-слота.

Отклонения. Из-за нерегулярности входных потоков, средняя скорость по каждому из низкоскоростных каналов меньше 100 бит/с. Мультиплексный канал работает на скорости 200 бит/с. Таким образом, полоса пропускания мультиплексного канала в два раза меньше суммарной емкости 4-х низкоскоростных каналов. Каждый символ, прибывающий на мультиплексор, преобразуется в соответствующий тайм-слот. Если символы с разных каналов приходят на мультиплексор одновременно, они обрабатываются последовательно в соответствии с предустановками. При условиях рис. 5.7 а средняя битовая скорость по первому каналу равна 40 бит/с, по второму -50 бит/с, по третьему — 40 бит/с, по четвертому — 30 бит/с. В итоге средняя битовая входная скорость равна 160 бит/с. Загруженность мультиплексного канала составляет 80% (заполнены 16 слотов из 20). Эффективность кода равна 80% — каждый тайм-слот содержит двухбитный идентификатор, вследствие чего полезная информация составляет 8 бит из 10-ти в тайм-слоте, в выходная скорость — 160 бит/с (выход 64% = загруженность х эффективность кода).

Для сравнения на рис. 5.7 б приведены параметры работы синхронного мультиплексора. Эффективность кода 100% является следствием отсутствия при синхронном мультиплексировании служебных идентификаторов у тайм-слотов.

Инверсное мультиплексирование

Если обычное мультиплексирование объединяет n низкоскоростных каналов в один высокоскоростной, то инверсное мультиплексирование можно рассматривать как обратную процедуру, то есть как способ передачи скоростного потока данных посредством нескольких независимых каналов меньшей полосы пропускания, которые существуют на промежуточном участке между точками входа и выхода скоростного потока.

Инверсное мультиплексирование используется для передачи широкополосного сигнала, который не способен разместиться в одном независимом канале существующей телекоммуникационной сети. Например, сигнал видеоконференции емкости 384 Кбит/с не может быть передан по каналу 64 Кбит/с, но может быть разбит и размещен в шести таких каналах и вновь собран на другом конце. Также используют инверсное мультиплексирование, когда мультиплексор (или коммутатор) на промежуточном узле магистральной сети не может обрабатывать емкости больше заданной, например 64 Кбит/с.

На приемной стороне инверсный демультиплексор получает информацию с разных каналов и проводит сборку сигнала — эта процедура может требовать переупорядочения потоков из разных сегментов и компенсации задержек, возникающих в различных низкоскоростных сегментах. Принципы работы инверсного мультиплексора показаны на рис. 5.8.

Инверсное мультиплексирование в ВОЛС. При передаче широкополосного сигнала по волокну на очень большие расстояния (до 1000 км и более) приходится считаться с затуханием и дисперсией сигнала в волокне. Затухание можно компенсировать при помощи оптических усилителей (EDFA), установленных на промежуточных узлах. Дисперсию также можно уменьшать, используя специальные методы компенсации дисперсии, но лишь до определенного предела. Кроме того, оптические усилители вносят дополнительный шум. Из двух оптических сигналов меньше подвержен влиянию шума и дисперсии тот сигнал, который модулируется меньшей частотой. В настоящее время прорабатываются проекты построения городских оптических супермагистралей на скорости 10/100 Гбит/с. В примере 2.5 приведена оценка максимального расстояния для канала с частотой 100 ГГц — 20 км. При по­строении интерсетей такой же высокой пропускной способности, единственный способ передать широкополосный сигнал — это разбить его на множество низкоскоростных сигналов, рис. 5.9. В результате мультиплексный сигнал, представленный множеством длин волн, лучше противостоит влиянию дисперсии и вносимому шуму оптических усилителей в протяженной линии. В рассмотренном примере инверсное мультиплексирование совмещено с частотным (временным) мультиплексированием.