Multiplexación por división de tiempo

multiplexación por división de tiempo (TDM) es un método de transmisión y recepción de señales independientes a través de una ruta de señal común mediante conmutadores sincronizados en cada extremo de la línea de transmisión. de modo que cada señal aparece en la línea solo una fracción de tiempo en un patrón alterno. Este método transmite dos o más señales digitales o señales analógicas a través de un canal común. Se puede utilizar cuando la tasa de bits del medio de transmisión supera la de la señal que se va a transmitir. Esta forma de multiplexación de señales se desarrolló en telecomunicaciones para sistemas de telegrafía a fines del siglo XIX, pero encontró su aplicación más común en telefonía digital en la segunda mitad del siglo XX.

Historia

Multixer telegráfico, de 1922 Britannica

La multiplexación por división de tiempo se desarrolló por primera vez para aplicaciones en telegrafía para enrutar múltiples transmisiones simultáneamente a través de una sola línea de transmisión. En la década de 1870, Émile Baudot desarrolló un sistema de multiplexación en el tiempo de múltiples máquinas de telégrafo Hughes.

En 1944, el ejército británico utilizó el conjunto inalámbrico n.º 10 para multiplexar 10 conversaciones telefónicas a través de un relé de microondas hasta 50 millas. Esto permitió a los comandantes en el campo mantenerse en contacto con el personal en Inglaterra al otro lado del Canal de la Mancha.

En 1953, RCA Communications puso en operación comercial un TDM de 24 canales para enviar información de audio entre las instalaciones de RCA en Broad Street, Nueva York, su estación de transmisión en Rocky Point y la estación de recepción en Riverhead, Long Island, Nueva York. La comunicación era por un sistema de microondas a lo largo de Long Island. El sistema TDM experimental fue desarrollado por RCA Laboratories entre 1950 y 1953.

En 1962, los ingenieros de Bell Labs desarrollaron los primeros bancos de canales D1, que combinaban 24 llamadas de voz digitalizadas a través de un troncal de cobre de cuatro hilos entre los conmutadores analógicos de la oficina central de Bell. Un banco de canales dividió una señal digital de 1,544 Mbit/s en 8000 tramas separadas, cada una compuesta por 24 bytes contiguos. Cada byte representaba una sola llamada telefónica codificada en una señal de tasa de bits constante de 64 kbit/s. Los bancos de canales utilizaron la posición fija (alineación temporal) de un byte en el marco para identificar la llamada a la que pertenecía.

Tecnología

La multiplexación por división de tiempo se usa principalmente para señales digitales, pero se puede aplicar en la multiplexación analógica en la que se transfieren dos o más señales o flujos de bits que aparecen simultáneamente como subcanales en un canal de comunicación, pero se turnan físicamente en el canal. El dominio del tiempo se divide en varios intervalos de tiempo recurrentes de longitud fija, uno para cada subcanal. Un byte de muestra o bloque de datos del subcanal 1 se transmite durante el intervalo de tiempo 1, el subcanal 2 durante el intervalo de tiempo 2, etc. Una trama TDM consta de un intervalo de tiempo por subcanal más un canal de sincronización y, a veces, un canal de corrección de errores. antes de la sincronización. Después del último subcanal, la corrección de errores y la sincronización, el ciclo comienza de nuevo con un nuevo cuadro, comenzando con la segunda muestra, byte o bloque de datos del subcanal 1, etc.

Ejemplos de aplicación

• El sistema de jerarquía digital plesiocrónica (PDH), también conocido como el sistema PCM, para la transmisión digital de varias llamadas telefónicas sobre el mismo cable de cobre de cuatro hilos (T-carrier o E-carrier) o cable de fibra en la red telefónica digital conmutada
• Las normas de transmisión de red de redes ópticas sincronizadas (SDH) y sincronizadas (SONET) que han reemplazado a PDH.
• Interfaz de Tasa Básica y Interfaz Primaria para la Red Digital de Servicios Integrados (ISDN).
• El estándar de audio RIFF (WAV) interlea señales estéreo izquierda y derecha sobre una base por muestreo

TDM se puede extender aún más al esquema de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA), donde varias estaciones conectadas al mismo medio físico, por ejemplo, compartiendo el mismo canal de frecuencia, pueden comunicarse. Los ejemplos de aplicación incluyen:

• El sistema telefónico GSM
• Enlaces de datos tácticos 16 y Link 22

Transmisión digital multiplexada

En las redes de conmutación de circuitos, como la red telefónica pública conmutada (PSTN), es conveniente transmitir varias llamadas de suscriptor por el mismo medio de transmisión para utilizar eficazmente el ancho de banda del medio. TDM permite transmitir y recibir conmutadores telefónicos para crear canales (afluentes) dentro de un flujo de transmisión. Una señal de voz DS0 estándar tiene una tasa de bits de datos de 64 kbit/s. Un circuito TDM funciona con un ancho de banda de señal mucho más alto, lo que permite que el ancho de banda se divida en marcos de tiempo (intervalos de tiempo) para cada señal de voz que el transmisor multiplexa en la línea. Si la trama TDM consta de n tramas de voz, el ancho de banda de la línea es n*64 kbit/s.

Cada intervalo de tiempo de voz en el marco TDM se denomina canal. En los sistemas europeos, las tramas TDM estándar contienen 30 canales de voz digital (E1), y en los sistemas estadounidenses (T1), contienen 24 canales. Ambos estándares también contienen bits adicionales (o intervalos de tiempo de bits) para bits de señalización y sincronización.

La multiplexación de más de 24 o 30 canales de voz digital se denomina multiplexación de orden superior. La multiplexación de orden superior se logra multiplexando las tramas TDM estándar. Por ejemplo, una trama TDM europea de 120 canales se forma multiplexando cuatro tramas TDM estándar de 30 canales. En cada multiplex de orden superior, se combinan cuatro tramas TDM del orden inferior inmediato, creando multiplex con un ancho de banda de n*64 kbit/s, donde n = 120, 480, 1920, etc

Sistemas de telecomunicaciones

Hay tres tipos de TDM síncrono: T1, SONET/SDH e ISDN.

La jerarquía digital plesiócrona (PDH) se desarrolló como un estándar para multiplexar tramas de orden superior. PDH creó un mayor número de canales mediante la multiplexación de las tramas TDM estándar europeas de 30 canales. Esta solución funcionó por un tiempo; sin embargo, PDH sufría de varios inconvenientes inherentes que finalmente dieron como resultado el desarrollo de Synchronous Digital Hierarchy (SDH). Los requisitos que impulsaron el desarrollo de SDH fueron los siguientes:

• Ser sincronizados – Todos los relojes en el sistema deben alinearse con un reloj de referencia.
• Ser orientado al servicio – SDH debe trazar el tráfico desde End Exchange hasta End Exchange sin preocuparse por los intercambios entre, donde el ancho de banda se puede reservar a nivel fijo por un período fijo de tiempo.
• Permitir que los marcos de cualquier tamaño sean eliminados o insertados en un marco SDH de cualquier tamaño.
• Fácil de gestionar con la capacidad de transferir datos de gestión a través de enlaces.
• Proporcionar altos niveles de recuperación de fallas.
• Proporcionar altas tasas de datos al multiplexar cualquier marco de tamaño, limitado sólo por la tecnología.
• Dar errores de velocidad reducida.

SDH se ha convertido en el principal protocolo de transmisión en la mayoría de las redes PSTN. Fue desarrollado para permitir la multiplexación de flujos de 1,544 Mbit/s y superiores, con el fin de crear tramas SDH más grandes conocidas como Módulos de transporte síncrono (STM). La trama STM-1 consta de flujos más pequeños que se multiplexan para crear una trama de 155,52 Mbit/s. SDH también puede multiplexar tramas basadas en paquetes, p. Ethernet, PPP y cajero automático.

Si bien SDH se considera un protocolo de transmisión (capa 1 en el modelo de referencia OSI), también realiza algunas funciones de conmutación, como se indica en el requisito del tercer punto enumerado anteriormente. Las funciones de red SDH más comunes son las siguientes:

• SDH Crossconnect – El SDH Crossconnect es la versión SDH de un interruptor de punto de cruce Tiempo-Space-Time. Conecta cualquier canal en cualquiera de sus entradas a cualquier canal en cualquiera de sus salidas. El SDH Crossconnect se utiliza en Transit Exchanges, donde todas las entradas y salidas están conectadas a otros intercambios.
• SDH Add-Drop Multiplexer – El SDH Add-Drop Multiplexer (ADM) puede agregar o eliminar cualquier marco multiplexado hasta 1.544Mb. Debajo de este nivel, se puede realizar TDM estándar. SDH ADMs también puede realizar la tarea de un SDH Crossconnect y se utilizan en End Exchanges donde los canales de suscriptores están conectados a la red PSTN central.

Las funciones de la red SDH se conectan mediante fibra óptica de alta velocidad. La fibra óptica utiliza pulsos de luz para transmitir datos y, por lo tanto, es extremadamente rápida. La transmisión de fibra óptica moderna utiliza la multiplexación por división de longitud de onda (WDM), donde las señales transmitidas a través de la fibra se transmiten en diferentes longitudes de onda, creando canales adicionales para la transmisión. Esto aumenta la velocidad y la capacidad del enlace, lo que a su vez reduce los costos unitarios y totales.

Multiplexación estadística por división de tiempo

La multiplexación por división de tiempo estadística (STDM) es una versión avanzada de TDM en la que tanto la dirección del terminal como los datos en sí se transmiten juntos para un mejor enrutamiento. El uso de STDM permite dividir el ancho de banda en una línea. Muchos campus universitarios y corporativos utilizan este tipo de TDM para distribuir el ancho de banda.

En una línea de 10 Mbit que ingresa a una red, STDM se puede usar para proporcionar 178 terminales con una conexión dedicada de 56k (178 * 56k = 9,96Mb). Sin embargo, un uso más común es otorgar el ancho de banda solo cuando se necesita. STDM no reserva un intervalo de tiempo para cada terminal, sino que asigna un intervalo cuando el terminal requiere que se envíen o reciban datos.

En su forma principal, TDM se utiliza para la comunicación en modo circuito con una cantidad fija de canales y un ancho de banda constante por canal. La reserva de ancho de banda distingue la multiplexación por división de tiempo de la multiplexación estadística, como la multiplexación por división de tiempo estadística. En TDM puro, los intervalos de tiempo son recurrentes en un orden fijo y se asignan previamente a los canales, en lugar de programarse paquete por paquete.

En TDMA dinámico, un algoritmo de programación reserva dinámicamente una cantidad variable de intervalos de tiempo en cada cuadro para flujos de datos de tasa de bits variable, según la demanda de tráfico de cada flujo de datos. TDMA dinámica se utiliza en:

• HIPERLAN/2
• Modo de transferencia sincronizada dinámica
• IEEE 802.16a

La multiplexación asíncrona por división de tiempo (ATDM) es una nomenclatura alternativa en la que STDM designa la multiplexación síncrona por división de tiempo, el método más antiguo que utiliza intervalos de tiempo fijos.