GHÉP KÊNH – MULTIPLEXING
8.4BỘ GHÉP KÊNH THEO THỜI GIAN TDM
TDM là quá trình xử lý số có thể được áp dụng khi khả năng tốc độ dữ liệu của phương tiện truyền dẫn lớn hơn nhiều so với tốc độ dữ liệu được yêu cầu bởi bên thiết bị gửi và nhận. Trong trường hợp như thế, các truyền dẫn có thể chiếm dụng một đường kết nối đơn qua việc chia nhỏ chúng và xen vào các phần/
Hình 8.10 cho chúng ta cái nhìn khái quát về TDM Tuy nhiên cần chú ý rằng đường kết nối được sử dụng giống như ở FDM; ở đây đường kết nối được thể hiện theo từng bộ phận theo thời gian thay vì tần số.
Trong hình về TDM, các phần của các tín hiệu 1,2,3 và 4 chiếm dụng đường kết nối một cách tuần tự. Chúng ta có thể tưởng tượng như một thang kéo xki (để kéo hoặc mang những người trượt tuyến tới một đường dốc) phục vụ nhiều chuyến. Mỗi chuyển có đường đi của chính nó và những người trượt tuyết trên mỗi đường đến lượt lên thang. Khi mỗi ghế trên thang di chuyển đến đỉnh nói, người trượt tuyết xuống thang và thực hiện trượt xuống núi theo thứ tự trong thứ tự lượt trượt của mình trên đường trượt.
TDM có thể được thực hiện theo 2 cách: TDM đồng bộ và TDM không đồng bộ. Hình 8.10 TDM
TDM đồng bộ
Trong phương pháp TDM đồng bộ, thuật ngữ đồng bộ có nghĩa khác với thuật ngữ được sử dụng trong lĩnh vực khác của viễn thông. Ở đây đồng bộ có nghĩa là bộ ghép kênh định vị chính xác cùng một khoảng (slot) thời gian tới từng thiết bị tại tất cả các thời điểm không cần biết thiết bị đó có gì để truyền đi hay không. Ví dụ, trong khoảng thời gian A được gán cho một mình thiết bị A và không thể được sử dụng bởi bất kỳ thiết bị nào khác. Tại mỗi thời điểm khoảng thời gian được định vị của nó đến, một thiết bị có cơ hội truyền một phần dữ liệu của nó. Nếu một thiết bị không thể truyền dẫn hoặc không có dữ liệu để gửi, khoảng thời gian của nó bằng 0.
Các frame. Các khoảng thời gian được nhóm lại thành các frame. Mỗi frame bao gồm một chu trình hoàn chỉnh của các khoảng thời gian, bao gồm một hay nhiều khoảng dành cho từng thiết bị gửi (xem hình 8.11). Trong một hệ thống với n đường vào, mỗi frame có ít nhất là n khoảng thời gian, với mỗi khoảng được định vị để mang dữ liệu từ một đường vào cụ thể. Nếu tất cả các thiết bị đầu vào cùng chia sẻ một đường kết nối đang truyền dẫn ở cùng một tốc độ dữ liệu, mỗi thiết bị có một khoảng thời gian mỗi frame. Tuy nhiên, có thể cung cấp nhiều tốc độ dữ liệu khác nhau. Một truyền dẫn với 2 khoảng thời gian mỗi frame sẽ đến nhanh gấp 2 lần so với một truyền dẫn với một khoảng thời gian mỗi frame. Các khoảng thời gian dành cho một thiết bị xác định chiếm dụng có vị trí ở từng frame và tạo thành kênh của thiết bị đó. Hình 8.11 thể hiện 5 đường vào được ghép kênh thành một đường đơn sử dụng TDM đồng bộ. Trong ví dụ này, tất cả các đầu vào có cùng tốc độ dữ liệu, do đó số các khoảng thời gian mỗi frame bằng số các đường vào.
Xen kẽ - Interleaving : TDM đồng bộ hóa có thể được so sánh với một bộ chuyển mạch xoay vòng rất nhanh. Khi bộ chuyển mạch mở ở đằng trước của thiết bị, thiết bị đó có khả năng gửi một số lượng cụ thể (x bits) dữ liệu trên đường truyền. Bộ chuyển mạch chuyển từ thiết bị này sang thiết bị khác trong khoảng thời gian hằng số và theo một thứ tự cố định. Quá trình đó được gọi là xen kẽ - interleaving.
Quá trình xen kẽ có thể được hoàn thành bằng bit, byte, hoặc bằng bất kỳ đơn vị dữ liệu nào khác. Hay nói cách khác, bộ ghép kênh có thể lấy một byte từ từng thiết bị, sau đó đến byte khác từ từng thiết bị…. Trong một hệ thống được cho, các đơn vị xen kẽ sẽ luôn luôn có cùng kích cỡ.
Hình 8.12 thể hiện quá trình xây dựng “xen kẽ” và frame. Trong ví dụ, chúng ta xen kẽ nhiều kiểu truyền dẫn theo đặc trưng (bằng một byte), nhưng khái niệm cũng tương tự cho các đơn vị dữ liệu chiều dài bất kỳ. Như đã thấy, mỗi thiết bị đang gửi một thông điệp khác nhau. Bộ ghép kênh xen kẽ các thông điệp khác nhau và định dạng chúng thành các frame trước khi được đặt lên đường truyền.
Tại bên nhân, bộ tách kênh phân tách từng frame bằng cách trích rút từng ký tự tuần tự. Khi một ký tự được loại bỏ từ một frame, nó được truyền tới thiết bị nhận thích hợp. (xem hình 8.13)
Hình 8.12 và 8.13 cũng cho ta thấy được điểm yếu chính của TDM đồng bộ. Bằng cách gán từng khoảng thời gian tới một đường vào cụ thể, chúng ta kết thúc với các khoảng rỗng bất kể khi nào bất kỳ khi nào không có tất cả các đường đang ở chế độ active. Trong hình 8.12, chỉ có 3 frame là được điền đầy đủ. 3 frame cuối có 6 khoảng trống, như vậy chúng ta thầy rằng có 6 khoảng trống trong số 24 frame, điều đó có nghĩa là một phần tư dung lượng của đường kết nối bị bỏ phí.
Các bit xác định frame – Framing bits. Do thứ tự khoảng thời gian trong một hệ thống đồng bộ TDM không biến đổi từ frame này sang frame khác cho nên rất ít các thông tin tổng phí cần thiết được bao gồm trong từng frame. Thứ tự nhận các frame giúp cho bộ tách kênh biết cách điều hướng từng khoảng thời gian do đó không cần thiết phải xác định địa chỉ. Tuy nhiên có nhiều yếu tố có thể gây nên sự nhập nhằng về thời gian. Vì lý do đó, một hoặc nhiều bit đồng bộ thường được bổ sung vào đầu từng frame. Các bit này được gọi là các bit xác định frame theo mẫu từ frame tới frame cho phép bộ tách kênh có thể đồng bộ với dòng dữ liệu vào theo đó nó có thể phân tách các khoảng thời gian một cách chính xác. Trong phần lớn các trường hợp, thông tin đồng bộ hóa này bao gồm một bit mỗi frame, xen kẽ giữ bit 0 và 1 (01010101010), như được thể hiện trong hình 8.14
Hình 8.14. Các bit xác định frame
Ví dụ về TDM đồng bộ: Hãy hình dung rằng chúng ta có 4 nguồn vào trên một đường kết nối TDM, ở đó các quá trình truyền dẫn được xen kẽ nhau theo ký tự. Nếu mỗi nguồn tạo ra 250 ký tự mỗi giây, và mỗi frame mang 1 ký tự từ mỗi nguồn, đường truyền dẫn phải có thể cho phép mang 250 frame mỗi giây (xem hình 8.15).
Giả sử mỗi ký tự có độ dài 8 bit, thì mỗi frame có độ dài là 33 bit: 32 bit cho 4 ký tự cộng thêm 1 bit xác định frame. Khi quan sát các mỗi quan hệ bit chúng ta thấy rằng mỗi thiết bị tạo ra 2000 bps (250 ký tự x 8 bit mỗi ký tự),
nhưng đường truyền có thể vận chuyển 8250 bps (250 frame x 33 bit mỗi frame): 8000 bit dữ liệu và 250 bit xác định đầu frame.
Hình 8.15 Tính toán tốc độ dữ liệu cho các frame
Lèn thêm bit – bit stuffing: Như đã nhắc tới ở phần trước, có thể cho phép kết nối 2 thiết bị có tốc độ dữ liệu khác nhau tới một TDM đồng bộ. Ví dụ, thiết bị A sử dụng một khoảng thời gian trong khi thiết bị B nhanh hơn sử dụng 2 khoảng thời gian. Số các khoảng thời gian trong một frame và các đường đầu vào mà chúng được gắn vào luôn luôn là cố định suốt khoảng thời gian truyền của một hệ thống được cho, nhưng do các thiết có tốc độ dữ liệu khác nhau có thể điều khiển số các khoảng thời gian khác nhau. Chúng ta cần chú ý là chiều dài của khoảng thời gian là cố định. Do vậy để kỹ thuật hoạt động được các tốc độ dữ liệu khác nhau phải là các phép nhân số nguyên với nhau. Ví dụ, chúng ta điều chỉnh một thiết bị cho tốc độ dữ liệu nhanh gấp 5 lần so với các thiết bị khác bằng cách đặt 5 khoảng thời gian thay vì một đối với từng thiết bị khác. Tuy nhiên chúng ta không thể điều chỉnh một thiết bị có tốc độ nhanh hơn 5 khoảng và một nửa khoảng thời gian theo phương pháp này bởi vì chúng ta không đưa vào một nửa khoảng thời gian vào một frame.
Khi các tốc độ không phải là kết quả của phép nhân các số nguyên với nhau chúng có thể được tạo lập để hoạt động được qua một kỹ thuật được gọi là kỹ thuật lèn thêm bit – bit stuffing. Trong kỹ thuật này, bộ ghép kênh bổ sung thêm một số bit vào dòng dữ liệu nguồn của thiết bị để áp đặt các phép nhân số nguyên đối với những mối liên hệ về tốc độ giữa nhiều thiết bị lân cận với nhau. Ví dụ, nếu chúng ta có một thiết bị có tốc độ bit gấp 2.75 lần so với các thiết bị khác, chúng ta có thể thêm đủ số bít để tăng tốc độ bit lên gấp 3 lần so với các thiết bị khác. Các bít bổ sung sau đó được loại bỏ bởi bộ tách kênh.
Nhưng chúng ta đã biết ở phần trước, TDM đồng bộ không đảm bảo rằng toàn bộ thông lượng của đường kết nối được sử dụng. Thực tế, dường như chỉ có một phần khoảng thời gian là được sử dụng một cách tức thời. Bởi vì các khoảng thời gian được chỉ định trước và cố định, bất kể khi nào một thiết bị được kết nối không truyền phát, khoảng thời gian tương ứng là rỗng và đường truyền dẫn khi đó bị bỏ phí nhiều. Ví dụ hình dung rằng chúng ta thực hiện ghép kênh đầu ra của 20 máy tính giống nhau trên một đường truyền đơn. Sử dụng TDM đồng bộ, tốc độ của đường đó phải đạt ít nhất 20 lần so với tốc độ của từng đường vào. Nhưng nếu chỉ có 10 máy tính là đang sử dụng truyền phát tại cùng thời điểm thì một nửa thông lượng của đường truyền bị bỏ phí.
Ghép kênh không đồng bộ theo thời gian hay còn được gọi là ghép kênh thống kê theo thời gian được thiết kế để khắc phục sự lãng phí này. Ngược với thuật ngữ đồng bộ, thuật ngữ không đồng bộ có nghĩa một cái gì đó khác trong ghép kênh hơn nghĩa trong các lĩnh vực khác của truyền số liệu. Ở đây nó có nghĩa là linh động hay không cố định.
Giống như TDM đồng bộ, TDM không đồng bộ cho phép một số các đường truyền có tốc độ thấp được ghép kênh trên một đường truyền đơn tốc độ cao. Tuy nhiên không giống như TDM đồng bộ, trong TDM không đồng bộ, tổng tốc độ của các đường vào có thể lớn hơn thông lượng của đường truyền. Trong một hệ thống đồng bộ, nếu chúng ta có n đường vào thì frame chứa một số cố định của ít nhất n khoảng thời gian. Trong một hệ thống không đồng bộ, nếu chúng ta có n đường vào thì frame chứa không quá m khoảng thời gian, với m nhỏ hơn n (xem hình 8.16). Theo cách nay, TDM không đồng bộ hỗ trợ cùng số đường vào như TDM đồng bộ với một đường truyền có thông lượng thấp hơn. Hay có thể nói với cùng một đường truyền dẫn, TDM không đồng bộ có thể hỗ trợ nhiều thiết bị hơn TDM đồng bộ.
Số các khoảng thời gian trong một frame TDM không độ bộ (m) được tính toán dựa trên phân tích thông kê về số các đường vào có khả năng truyền dẫn tại bất kỳ thời điểm nào được cho. Thay vì bị gán trở lại, mỗi khoảng thời gian sẵn sàng đối với bất kỳ đường vào nào đi kèm theo có dữ liệu cần gửi. Bộ ghép kênh quét các đường vào, cấp nhận các phần dữ liệu cho đến khi một được điền đầy. và sau đó gửi frame đó ra đường kết nối. Nếu không có đủ dữ liệu để điền đầy vào tất cả các khoảng thời gian trong một frame, thì frame đó chỉ được truyền đi một phần được điền đầy; do thông lượng của đường kết nối có thể không được sử dụng 100% thời gian. Nhưng có khả năng định vị động các khoảng thời gian kết hợp với tỷ lệ thấp hơn các khoảng thời gian cho các đường đầu vào, điều này làm giảm đi nhiều những khả năng có thể xảy ra cũng như độ hao phí.
Hình 8.17 thể hiện một hệ thống ở đó có 5 máy tính đang chia sẻ cùng một đường dữ liệu sử dụng TDM không đồng bộ. Trong ví dụ này, kích cỡ của frame bằng 3. Hình cũng thể hiện cách bộ ghép kênh xử lý 3 mức độ lưu lượng. Trong trường hợp đầu tiên, chỉ có 3 trong số 5 máy tính có dữ liệu để truyền. Trong trường hợp thứ 2, 4 đường gửi dữ liệu nhiều hơn 1 khoảng so với số các khoảng thời gian mỗi frame. Trong trường hợp 3, (theo thống kê ít xảy ra), tất cả các đường gửi dữ liệu. Trong mỗi trường hợp, bộ ghép kênh quét các thiết bị theo thứ tự từ 1 tới 5, điền các khoảng thời gian khi nó gặp dữ liệu cần truyền.
Trong trường hợp đầu tiên, có 3 đường đầu vào hoạt động tương ứng với 3 khoảng thời gian trong mỗi frame. Đối với 4 frame đầu tiên, đầu vào được phân phối một cách cần đối giữa tất cả các thiết bị truyền thông. Tuy nhiên đến frame thứ 5 các thiết bị số 3 và 5 đều hoàn thành phần việc truyền phát của chúng, nhưng thiết bị số 1 vẫn còn gửi 2 ký tự nữa. Bộ ghép kênh nhặt lên ký tự A từ thiết bị 1, quét đường đó mà không cần phải tìm truyền phát khác, và trở về thiết bị 1 để nhặt ký tự A cuối cùng. Khi không còn dữ liệu để điền vào khoảng thời gian cuối cùng, bộ ghép kênh thực hiện truyền phát frame thứ 5 có hai khoảng thời gian được điền. Trong một hệ thống TDM đồng bộ, 6 frame thì cần có 5 khoảng thời gian để có thể truyền tất cả dữ liệu – tổng số của 30 khoảng thời gian. Nhưng chỉ 14 khoảng thời gian đó có thể đã được điền, để đường truyền không được sử dụng hơn nữa khoảng thời gian còn lại. Với hệ thống
TDM không đồng bộ được thể hiện ở đây, chỉ có một frame được truyền đi một phần. Trong suốt thời gian truyền dẫn còn lại, toàn bộ thông lượng của đường truyền đều được sử dụng.
Hình 8.17 Các ví dụ về các frame của TDM không đồng bộ
Trong trường hợp thứ hai, có một đường vào hoạt động nhiều hơn các đường khác. Lúc này, vì thiết bị ghép kênh quét từ 1 đến 5, nó điền đầy frame trước khi tất cả các đường được kiểm tra. Vì vậy frame thứ nhất mang dữ liệu của thiết bị 1, 3 và 4 còn thiết bị 5 thì không. Thiết bị ghép kênh tiếp tục quét từ nơi nó tạm dừng, đặt phần dữ liệu cần truyền dẫn đầu tiên của thiết bị 5 vào khoảng thời gian đầu tiên của frame tiếp theo, sau đó thiết bị ghép kênh trở lại điểm đầu của đường đó và đặt phần dữ liệu cần truyền dẫn thứ 2 của thiết bị 1 vào khoảng thời gian thứ 2 và cứ tiếp tục như vậy. Như chúng ta thấy, khi số các thiết bị gửi đang cần gửi không bằng số các khoảng thời gian trong mỗi frame
dẫn tới các khoảng thời gian không được điền đầy một cách cân đối. Trong ví dụ này, thiết bị 1 chiếm khoảng thời gian đầu tiên trong frame thứ nhất, khoảng thời gian thứ 2 trong frame thứ 2 ..vvv
Trong trường hợp 3, các frame được điện như trên, nhưng ở đây tất cả ba đường vào đều hoạt đồng. Trong ví dụ này, thiết bị 1 chiếm khoảng thời gian trong frame đầu, khoảng thời gian thứ 3 trong frame thứ 2, và không khoảng nào ở frame thứ 3. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong trường hợp 2 và 3, nếu tốc độ của đường truyền bằng 3 lần các