Multiplexación
En telecomunicaciones y redes informáticas, la multiplexación (a veces denominada muxing) es un método mediante el cual múltiples señales analógicas o digitales se combinan en una señal a través de un medio compartido. El objetivo es compartir un recurso escaso: un medio de transmisión físico. Por ejemplo, en telecomunicaciones, se pueden realizar varias llamadas telefónicas utilizando un cable. La multiplexación se originó en la telegrafía en la década de 1870 y ahora se aplica ampliamente en las comunicaciones. En telefonía, a George Owen Squier se le atribuye el desarrollo de la multiplexación de operadores telefónicos en 1910.
La señal multiplexada se transmite a través de un canal de comunicación, como un cable. El multiplexado divide la capacidad del canal de comunicación en varios canales lógicos, uno para cada señal de mensaje o flujo de datos a transferir. Un proceso inverso, conocido como demultiplexación, extrae los canales originales en el extremo del receptor.
Un dispositivo que realiza la multiplexación se denomina multiplexor (MUX) y un dispositivo que realiza el proceso inverso se denomina demultiplexor (DEMUX o DMX).
La multiplexación inversa (IMUX) tiene el objetivo opuesto a la multiplexación, es decir, dividir un flujo de datos en varios flujos, transferirlos simultáneamente a través de varios canales de comunicación y recrear el flujo de datos original.
En informática, la multiplexación de E/S también se puede utilizar para referirse al concepto de procesamiento de múltiples eventos de entrada/salida desde un solo ciclo de eventos, con llamadas al sistema como encuesta y selección (Unix).
Tipos
Múltiples flujos de bits digitales de tasa de bits variable pueden transferirse de manera eficiente a través de un solo canal de ancho de banda fijo por medio de multiplexación estadística. Esta es una multiplexación de dominio de tiempo en modo asíncrono que es una forma de multiplexación por división de tiempo.
Los flujos de bits digitales se pueden transferir a través de un canal analógico mediante técnicas de multiplexación por división de código, como el espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS) y el espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS).
En las comunicaciones inalámbricas, la multiplexación también se puede lograr a través de polarización alterna (horizontal/vertical o en sentido horario/antihorario) en cada canal y satélite adyacente, o a través de un conjunto de múltiples antenas en fase combinado con comunicaciones de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) esquema.
Multiplexación por división espacial
En la comunicación por cable, la multiplexación por división espacial, también conocida como acceso múltiple por división espacial (SDMA), es el uso de conductores eléctricos punto a punto separados para cada canal transmitido. Los ejemplos incluyen un cable de audio estéreo analógico, con un par de hilos para el canal izquierdo y otro para el canal derecho, y un cable telefónico de pares múltiples, una red en estrella conmutada como una red de acceso telefónico, una red Ethernet conmutada y una red de malla.
En la comunicación inalámbrica, la multiplexación por división espacial se logra con múltiples elementos de antena que forman una antena de matriz en fase. Algunos ejemplos son la multiplexación de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO), entrada única y salida múltiple (SIMO) y entrada múltiple y salida única (MISO). Un router inalámbrico IEEE 802.11g con antenas k permite, en principio, comunicarse con canales multiplexados k, cada uno con una tasa de bits máxima de 54 Mbit/s, aumentando así la tasa de bits pico total por el factor k. Diferentes antenas darían diferentes firmas de propagación (eco) de trayectos múltiples, lo que hace posible que las técnicas de procesamiento de señales digitales separen las diferentes señales entre sí. Estas técnicas también se pueden utilizar para diversidad espacial (mayor robustez frente al desvanecimiento) o formación de haces (mejor selectividad) en lugar de multiplexación.
Multiplexación por división de frecuencia
La multiplexación por división de frecuencia (FDM) es inherentemente una tecnología analógica. FDM logra la combinación de varias señales en un solo medio mediante el envío de señales en varios rangos de frecuencia distintos a través de un solo medio. En FDM las señales son señales eléctricas. Una de las aplicaciones más comunes para FDM es la transmisión tradicional de radio y televisión desde estaciones terrestres, móviles o satelitales, o televisión por cable. Solo un cable llega al área residencial de un cliente, pero el proveedor de servicios puede enviar varios canales de televisión o señales simultáneamente a través de ese cable a todos los suscriptores sin interferencias. Los receptores deben sintonizar la frecuencia (canal) adecuada para acceder a la señal deseada.
En las comunicaciones ópticas se utiliza una tecnología variante, denominada multiplexación por división de longitud de onda (WDM).
Multiplexación por división de tiempo
La multiplexación por división de tiempo (TDM) es una tecnología digital (o, en casos excepcionales, analógica) que utiliza el tiempo, en lugar del espacio o la frecuencia, para separar los diferentes flujos de datos. TDM implica la secuenciación de grupos de unos pocos bits o bytes de cada flujo de entrada individual, uno tras otro, y de tal manera que puedan asociarse con el receptor adecuado. Si se hace lo suficientemente rápido, los dispositivos receptores no detectarán que parte del tiempo del circuito se usó para servir a otra ruta de comunicación lógica.
Considere una aplicación que requiera cuatro terminales en un aeropuerto para llegar a una computadora central. Cada terminal se comunicaba a 2400 baudios, por lo que en lugar de adquirir cuatro circuitos individuales para llevar una transmisión de tan baja velocidad, la aerolínea instaló un par de multiplexores. También se instalan un par de módems de 9600 baudios y un circuito de comunicaciones analógico dedicado desde el mostrador de boletos del aeropuerto hasta el centro de datos de la aerolínea. Algunos servidores proxy web (p. ej., polipo) utilizan TDM en la canalización HTTP de varias transacciones HTTP en la misma conexión TCP/IP.
Los métodos de acceso múltiple con detección de portadora y comunicación multipunto son similares a la multiplexación por división de tiempo en el sentido de que múltiples flujos de datos están separados por tiempo en el mismo medio, pero debido a que las señales tienen orígenes separados en lugar de combinarse en una sola señal, son mejores vistos como métodos de acceso al canal, en lugar de una forma de multiplexación.
TD es una tecnología de multiplexación heredada que aún proporciona la columna vertebral de la mayoría de las redes nacionales de telefonía de línea fija en Europa, proporcionando los puertos de señalización y voz de 2 m/bit en centrales telefónicas de banda estrecha como el DMS100. Cada puerto E1 o TDM de 2 m/bit proporciona 30 o 31 intervalos de tiempo de voz en el caso de los sistemas de señalización CCITT7 y 30 canales de voz para los sistemas de señalización Q931, DASS2, DPNSS, V5 y CASS conectados al cliente.
Multiplexación por división de polarización
La multiplexación por división de polarización utiliza la polarización de la radiación electromagnética para separar los canales ortogonales. Tiene un uso práctico tanto en comunicaciones de radio como ópticas, particularmente en sistemas de transmisión de fibra óptica de 100 Gbit/s por canal.
Las comunicaciones inalámbricas con polarización cruzada diferencial son un método novedoso para la transmisión de antena polarizada que utiliza una técnica diferencial.
Multiplexación del momento angular orbital
La multiplexación del momento angular orbital es una técnica relativamente nueva y experimental para multiplexar múltiples canales de señales transportadas usando radiación electromagnética en una sola ruta. Se puede utilizar potencialmente además de otros métodos de multiplexación física para ampliar en gran medida la capacidad de transmisión de tales sistemas. A partir de 2012, todavía se encuentra en su fase inicial de investigación, con demostraciones de laboratorio a pequeña escala de anchos de banda de hasta 2,5 Tbit/s en un solo camino de luz. Este es un tema controvertido en la comunidad académica, y muchos afirman que no se trata de un nuevo método de multiplexación, sino de un caso especial de multiplexación por división espacial.
Multiplexación por división de código
La multiplexación por división de código (CDM), el acceso múltiple por división de código (CDMA) o el espectro ensanchado son una clase de técnicas en las que varios canales comparten simultáneamente el mismo espectro de frecuencia, y este ancho de banda espectral es mucho mayor que la tasa de bits o símbolo índice. Una forma es el salto de frecuencia, otra es el espectro ensanchado de secuencia directa. En el último caso, cada canal transmite sus bits como una secuencia codificada de pulsos específicos del canal llamados chips. El número de fichas por bit, o fichas por símbolo, es el factor de dispersión. Esta transmisión codificada generalmente se logra mediante la transmisión de una serie única de pulsos cortos dependientes del tiempo, que se colocan dentro de los tiempos de chip dentro del tiempo de bit más grande. Todos los canales, cada uno con un código diferente, pueden transmitirse en el mismo canal de fibra o radio u otro medio, y demultiplexarse de forma asíncrona. Las ventajas sobre las técnicas convencionales son que es posible un ancho de banda variable (al igual que en la multiplexación estadística), que el ancho de banda amplio permite una mala relación señal-ruido de acuerdo con el teorema de Shannon-Hartley, y que la propagación de trayectos múltiples en la comunicación inalámbrica puede combatirse mediante receptores de rastrillo.
Una aplicación significativa de CDMA es el Sistema de Posicionamiento Global (GPS).
Método de acceso múltiple
Una técnica de multiplexación puede extenderse aún más a un método de acceso múltiple o un método de acceso a canales, por ejemplo, TDM en acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) y multiplexación estadística en acceso múltiple por sentido de portadora (CSMA). Un método de acceso múltiple hace posible que varios transmisores conectados a un mismo medio físico compartan su capacidad.
La capa física del modelo OSI proporciona multiplexación, mientras que el acceso múltiple también implica un protocolo de control de acceso a los medios, que forma parte de la capa de enlace de datos.
La capa de transporte en el modelo OSI, así como el modelo TCP/IP, proporciona multiplexación estadística de varios flujos de datos de la capa de aplicación hacia/desde la misma computadora.
La multiplexación por división de código (CDM) es una técnica en la que cada canal transmite sus bits como una secuencia codificada de pulsos específica del canal. Esta transmisión codificada generalmente se logra mediante la transmisión de una serie única de pulsos cortos dependientes del tiempo, que se colocan dentro de los tiempos de chip dentro del tiempo de bit más grande. Todos los canales, cada uno con un código diferente, pueden transmitirse en la misma fibra y demultiplexarse de forma asíncrona. Otras técnicas de acceso múltiple ampliamente utilizadas son el acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) y el acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA). Las técnicas de multiplexación por división de código se utilizan como tecnología de acceso, a saber, el acceso múltiple por división de código (CDMA), en el estándar Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) para la comunicación móvil de tercera generación (3G) identificada por la UIT.
Áreas de aplicación
Telegrafía
La tecnología de comunicación más antigua que utilizó cables eléctricos y, por lo tanto, compartió un interés en las economías que ofrece la multiplexación fue el telégrafo eléctrico. Los primeros experimentos permitieron que dos mensajes separados viajaran en direcciones opuestas simultáneamente, primero usando una batería eléctrica en ambos extremos y luego solo en un extremo.
Émile Baudot desarrolló un sistema de multiplexación en el tiempo de varias máquinas Hughes en la década de 1870. En 1874, el telégrafo cuádruplex desarrollado por Thomas Edison transmitía dos mensajes en cada dirección simultáneamente, para un total de cuatro mensajes que transitaban por el mismo cable al mismo tiempo. Varios investigadores investigaban la telegrafía acústica, una técnica de multiplexación por división de frecuencia, que condujo a la invención del teléfono.
Telefonía
En telefonía, la línea telefónica de un cliente ahora generalmente termina en la caja concentradora remota, donde se multiplexa junto con otras líneas telefónicas para ese vecindario u otra área similar. Luego, la señal multiplexada se transporta a la oficina de conmutación central a través de una cantidad significativamente menor de cables y a distancias mucho mayores de las que prácticamente puede recorrer la línea de un cliente. Esto también se aplica a las líneas de abonado digital (DSL).
Fiber in the loop (FITL) es un método común de multiplexación, que utiliza fibra óptica como columna vertebral. No solo conecta las líneas telefónicas POTS con el resto de la PSTN, sino que también reemplaza el DSL al conectarse directamente a Ethernet cableado en el hogar. El modo de transferencia asíncrona suele ser el protocolo de comunicaciones que se utiliza.
La televisión por cable ha ofrecido durante mucho tiempo canales de televisión multiplexados y, a fines del siglo XX, comenzó a ofrecer los mismos servicios que las compañías telefónicas. IPTV también depende de la multiplexación.
Procesamiento de vídeo
En los sistemas de procesamiento y edición de video, la multiplexación se refiere al proceso de entrelazar audio y video en un flujo de datos coherente.
En video digital, dicho flujo de transporte es normalmente una característica de un formato de contenedor que puede incluir metadatos y otra información, como subtítulos. Los flujos de audio y video pueden tener una tasa de bits variable. El software que produce dicho flujo de transporte y/o contenedor se denomina comúnmente multiplexor o muxer. Un demuxer es un software que extrae o pone a disposición para procesar por separado los componentes de dicho flujo o contenedor.
Difusión digital
En los sistemas de televisión digital, varios flujos de datos de tasa de bits variable se multiplexan juntos en un flujo de transporte de tasa de bits fija por medio de multiplexación estadística. Esto hace posible transferir varios canales de video y audio simultáneamente sobre el mismo canal de frecuencia, junto con varios servicios. Esto puede implicar varios programas de televisión de definición estándar (SDTV) (particularmente en DVB-T, DVB-S2, ISDB y ATSC-C), o un HDTV, posiblemente con un solo canal complementario SDTV en un televisor de 6 a 8 MHz de ancho. canal. El dispositivo que logra esto se llama multiplexor estadístico. En varios de estos sistemas, la multiplexación da como resultado un flujo de transporte MPEG. Los estándares DVB más nuevos, DVB-S2 y DVB-T2, tienen la capacidad de transportar varios canales HDTV en un múltiplex.
En la radio digital, un múltiplex (también conocido como conjunto) es un número de estaciones de radio que se agrupan. Un múltiplex es un flujo de información digital que incluye audio y otros datos.
En los satélites de comunicaciones que transmiten redes de televisión y redes de radiodifusión, esto se conoce como múltiples canales por portadora o MCPC. Cuando la multiplexación no es práctica (como cuando hay diferentes fuentes que usan un solo transpondedor), se usa el modo de un solo canal por portadora.
Transmisión analógica
En la transmisión de FM y otros medios de radio analógicos, la multiplexación es un término comúnmente dado al proceso de agregar subportadoras a la señal de audio antes de que ingrese al transmisor, donde se produce la modulación. (De hecho, la señal multiplex estéreo se puede generar mediante multiplexación por división de tiempo, al cambiar entre las dos señales de entrada (canal izquierdo y canal derecho) a una velocidad ultrasónica (la subportadora) y luego filtrar los armónicos más altos). Multiplexación en este sentido a veces se le conoce como MPX, que a su vez también es un término antiguo para FM estereofónico, visto en sistemas estéreo desde la década de 1960.
Otros significados
En espectroscopia, el término se usa para indicar que el experimento se realiza con una mezcla de frecuencias a la vez y luego se descifra su respectiva respuesta usando el principio de transformada de Fourier.
En programación informática, puede referirse al uso de un solo recurso en memoria (como un identificador de archivo) para manejar varios recursos externos (como archivos en disco).
Algunas técnicas de multiplexación eléctrica no requieren un "multiplexor" dispositivo, se refieren a una "matriz de teclado" o "Charlieplexing" estilo de diseño:
- La multiplexación puede referirse al diseño de una pantalla multiplexada (las pantallas no plegadas son inmunes para romper).
- Múltiplexing puede referirse al diseño de una "matricia de conmutación" (los botones no complejos son inmunes a "clave fantasma" y también inmunes a "bloqueo de clave fantasma").
En la secuenciación de ADN de alto rendimiento, el término se utiliza para indicar que se han agregado algunas secuencias artificiales (a menudo denominadas códigos de barras o índices) para vincular las lecturas de secuencias dadas con una muestra dada, y así permitir la secuenciación de múltiples muestras en la misma reacción.
En sociolingüística, la multiplexidad se utiliza para describir el número de conexiones distintas entre individuos que forman parte de una red social. Una red multiplex es aquella en la que los miembros comparten una serie de lazos derivados de más de un contexto social, como compañeros de trabajo, vecinos o familiares.
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