15. ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ Γενικά Πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (FDM)

15. ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ 15.1. Γενικά Ο όρος «πολυπλεξία» (multiplexing) αναφέρεται στην ταυτόχρονη μετάδοση περισσοτέρων από ένα σημάτων μέσα από το ίδιο τηλεπικοινωνιακό μέσο (χάλκινο καλώδιο, οπτικό καλώδιο κλπ.). Στην πράξη, για την πολυπλεξία σημάτων εφαρμόζονται δύο κυρίως τεχνικές, η «πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας» (Frequency-Division Multiplexing, συντομογραφικά FDM) και η «πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου» (Time-Division Multiplexing, συντομογραφικά TDM). Η πρώτη (FDM) αφορά την αναλογική μετάδοση και συνίσταται στηn εκχώρηση, σε κάθε ένα από τα μεταδιδόμενα σήματα, μιας ιδιαίτερης ζώνης συχνοτήτων (μέσω της διαμόρφωσης διαφορετικού φέροντος από κάθε αναλογικό σήμα) ενώ η δεύτερη (ΤDM) αφορά την ψηφιακή μετάδοση και συνίσταται στη διάθεση, σε κάθε ένα από τα αρχικά αναλογικά σήματα πληροφορίας, μιας ιδιαίτερης «χρονοθυρίδας» που χρησιμοποιείται για τη δειγματοληψία του. Τόσο η πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας, όσο και η πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου γίνονται κατά οργανωμένο και τυποποιημένο τρόπο, προκειμένου να εξασφαλίζεται η μέγιστη δυνατή συμβατότητα μεταξύ διατάξεων από διαφορετικούς κατασκευαστές. 15.2. Πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (FDM) Η πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (FDM) αφορά την αναλογική μετάδοση και συνίσταται στην εκχώρηση μιας ιδιαίτερης ζώνης συχνοτήτων, σε κάθε ένα από τα μεταδιδόμενα σήματα. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της διαμόρφωσης από κάθε αναλογικό σήμα διαφορετικού φέροντος (με τεχνική SSB), που «μεταθέτει» τη ζώνη συχνοτήτων μετάδοσης, από τη «βασική ζώνη» (π.χ. 0 4 khz, για τηλεφωνικό σήμα πληροφορίας) στη ζώνη της συχνότητας του φέροντος (π.χ. 60 64 khz, για φέρον 60 khz). Η υλοποίηση της τεχνικής απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα, όπου 12 διαφορετικά τηλεφωνικά σήματα (συχνότητας 0 4 khz) διαμορφώνουν 12 διαφορετικά φέροντα (συχνοτήτων 60, 64,..., 104 khz) και στη συνέχεια μεταδίδονται, μέσα από το κοινό τηλεπικοινωνιακό μέσο, καταλαμβάνοντας την περιοχή συχνοτήτων 60 108 khz (12 x 4 khz = 48 khz). Αντίστοιχα, στην πλευρά του δέκτη, τα πολυπλεγμένα σήματα Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 15.1

διαχωρίζονται, μέσω κατάλληλων φίλτρων, και στη συνέχεια αποδιαμορφώνονται παρέχοντας τα 12 (τηλεφωνικά) σήματα πληροφορίας. m 1 (t) c 1 (t) (60 khz) ΙΔ #1 m 2 (t) c 1 (t) (64 khz) ΙΔ #2 + Σήμα FDM m 12 (t) c 12 (t) (104 khz) ΙΔ #12 Πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (FDM) 12 τηλεφωνικών σημάτων (σχηματική αναπαράσταση) Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 15.2

Φίλτρο 60-64 khz Σύγχρονος αποδιαμορφωτής #1 m 1 (t) Φίλτρο 64-68 khz Σύγχρονος αποδιαμορφωτής #2 m 2 (t) Σήμα FDM + Φίλτρο 100-104 khz Σύγχρονος αποδιαμορφωτής #12 m 12 (t) Αποπολυπλεξία των 12 πολυπλεγμένων τηλεφωνικών σημάτων (σχηματική αναπαράσταση) Η διεργασία που περιγράφηκε παραπάνω αφορά την 1η στάθμη της FDM, κατά την οποία 12 τηλεφωνικά σήματα πολυπλέκονται και σχηματίζουν τη «βασική ομάδα». Η πλήρης ιεραρχία FDM φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. Στάθμη Αριθμός τ/φ σημάτων (0 4 khz) Περιοχή συχνοτήτων (khz) Βασική ομάδα 12 60 108 Υπερ-ομάδα 60 312 552 Κύρια ομάδα 300 812 2044 Υπερ-κύρια ομάδα 900 8516 12388 Σύστημα 960 καναλιών 960 60 4028 Σύστημα 2700 καναλιών 2.700 316 12388 Σύστημα 10800 καναλιών 10.800 4332 59684 Η πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας εφαρμόστηκε κυρίως στην (αναλογική) τηλεφωνία για την ταυτόχρονη μετάδοση σημάτων μεταξύ των τηλεφωνικών κέντρων (μέσω Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 15.3

καλωδιακών ή ραδιοηλεκτρικών ζεύξεων). Λόγω του αναλογικού της χαρακτήρα, η χρήση της είναι σήμερα είναι περιορισμένη και διαρκώς φθίνουσα. 15.3. Πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου (ΤDM) Η πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου (ΤDM) συνίσταται στη διάθεση, σε κάθε ένα από τα αρχικά αναλογικά σήματα πληροφορίας, μιας ιδιαίτερης «χρονοθυρίδας» που χρησιμοποιείται για τη δειγματοληψία του. Π.χ., για ένα τηλεφωνικό σήμα 0,3 3,4 khz, η συχνότητα δειγματοληψίας είναι f s = 8000 δείγματα/s, ο δε χρόνος μεταξύ δύο 1 δειγματοληψιών (περίοδος δειγματοληψίας) είναι T s = = 125 μs. Άρα, αν για τη λήψη του δείγματος ο δειγματολήπτης απαιτεί μια «χρονοθυρίδα» 4 μs, τότε απομένουν (μέχρι τη λήψη του 2ου δείγματος) 121 μs που μπορούν να διατεθούν για τη λήψη δειγμάτων από άλλα σήματα 1. Από το παράδειγμα αυτό φαίνεται ότι ο αριθμός των πολυπλεγμένων σημάτων εξαρτάται από τη διάρκεια της χρονοθυρίδας (ουσιαστικά, τη διάρκεια του παλμού δειγματοληψίας) η οποία πρέπει να είναι όσο το δυνατόν συντομότερη.. f s Η πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου (TDM) προβλέπει συγκεριμένα ιεραρχικά επίπεδα που ονομάζονται τάξεις πολυπλεξίας. Για την Ευρώπη, οι τάξεις πολυπλεξίας απεικονίζονται στον παρακάτω πίνακα: Τάξη Ενεργά σήματα των 64 kbit/s Συνολικός αριθμός σημάτων 64 kbit/s Ρυθμός μετάδοσης (Μbit/s) Κώδικας γραμμής Ε1 30 32 2,048 ΗDB3 Ε2 120 (= 4 x 30) 132 8,448 ΗDB3 Ε3 480 (= 4 x 120) 537 34,448 ΗDB3 Ε4 1440 (= 4 x 480) 2176 139,264 CMI Ε4 5760 (= 4 x 1440) 8828 564,992 Ατυποποίητο Η ευρωπαϊκή ιεραρχία TDM (Τα επιπλέον σήματα χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση των δεδομένων συγχρονισμού και σηματοδοσίας) 1 Οι βασικές αρχές της πολυπλεξίας διαίρεσης χρόνου (TDM) περιγράφονται στην ενότητα 7.5. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 15.4

4xE4 E5 4xE3 E4 E5 4xE2 E3 E4 4xE1 E2 E3 30x64 kbit/s E1 E2 E1 Σχηματική αναπαράσταση της ευρωπαϊκής ιεραρχίας TDM Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των σημάτων Ε1 έως Ε4 περιγράφονται στη Σύσταση G.703 της ITU-Τ. Από την άλλη πλευρά, η δομή των σημάτων αυτών (ουσιαστικά, η διάταξη και ο ρόλος των δυφίων bits και των δυφιοκτάδων bytes μέσα στο σήμα Ε1 έως Ε4) εξαρτάται από την τηλεπικοινωνιακή εφαρμογή στην οποία τα σήματα αυτά χρησιμοποιούνται και, για το λόγο αυτόν, η δομή τους περιγράφεται από τις συστάσεις που αφορούν τη εκάστοτε εφαρμογή (π.χ., για την περίπτωση της ψηφιακής τηλεφωνίας, η δομή των σημάτων Ε1 έως Ε4 περιγράφεται από τη Σύσταση G.704 της ITU-T) 2. Τα σήματα της Αμερικανικής Ιεραρχίας TDM φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Τάξη Ενεργά σήματα των 64 kbit/s Ρυθμός μετάδοσης (Μbit/s) Κώδικας γραμμής T1 24 1,544 Β8ΖS T2 96 6,312 Β8ΖS T3 672 44,736 Β3ΖS T4 4032 274,136 ΝRZ Η αμερικανική ιεραρχία TDM Τόσο η ευρωπαϊκή όσο και η αμερικανική ιεραρχία TDM χαρακτηρίζονται ως «πλησιόχρονες» ψηφιακές ιεραρχίες (Plesiochronous Digital Hierarchies, συντομογραφικά PDH). Το βασικό τους μειονέκτημα είναι το γεγονός ότι για την απομάστευση ενός 2 Η δομή του τηλεφωνικού σήματος Ε1 περιγράφεται στην ενότητα 7.7 και στην ενότητα 21.1. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 15.5

σήματος χαμηλής τάξης (π.χ. Ε1 ~ 2 Μbit/s) από ένα σήμα υψηλότερης τάξης (π.χ. Ε4 ~ 140 Μbit/s), θα πρέπει να γίνει αποπολυπλεξία σε όλα τα διαδοχικά ενδιάμεσα επίπεδα (Ε4 Ε3 Ε2 Ε1). Τη λύση στο πρόβλημα αυτό δίνει ένας νέος τύπος οργάνωσης της πολυπλεξίας TDM (και των τηλεπικοινωνιακών δικτύων γενικότερα), η ονομαζόμενη «σύγχρονη» ψηφιακή ιεραρχία (Synchronous Digital Hierarchy, συντομογραφικά SDH) 3. Η σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία (Synchronous Digital Hierarchy ή SDH) είναι μια νεότερη ιεραρχία TDM η οποία, συγκρινόμενη με την πλησιόχρονη ψηφιακή ιεραρχία (PDH), παρουσιάζει (μεταξύ άλλων) τα εξής σημαντικά πλεονεκτήματα: Σε αντίθεση με την ιεραρχία PDH, στην οποία η αποπολυπλεξία σημάτων χαμηλότερης τάξης πρέπει να γίνεται με διαδοχικά βήματα (π.χ. δεν είναι δυνατή η απευθείας αποπολυπλεξία σημάτων Ε1 από σήμα Ε3), στην ιεραρχία SDH, η αποπολυπλεξία σημάτων μπορεί να γίνει άμεσα. Η ιεραρχία SDH προβλέπει σημαντικά υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης. Ο συνήθης τρόπος μετάδοσης των σημάτων SDH είναι μέσω οπτικών καλωδίων, γίνεται δήλαδή πλήρης εκμετάλλευση των δυνατοτήτων που παρέχει η οπτοηλεκτρονική τεχνολογία. Τα σήματα SDH παρέχουν μεγάλες δυνατότητες δρομολόγησης και διαχείρισης. Αυτό οφείλεται στη δομή των σημάτων SDH, η οποία προβλέπει τη διάθεση σημαντικού αριθμού επιπλέον δυφίων (overhead bits) για τους παραπάνω σκοπούς. Η δομή των σημάτων SDH είναι τέτοια ώστε να μπορεί να περιλάβει τα σήματα τόσο της ευρωπαϊκής όσο και της αμερικανικής ιεραρχίας PDH. Ο εξοπλισμός γραμμής που χρησιμοποιείται για την υλοποίηση της ιεραρχίας SDH διακρίνεται από υψηλό βαθμό τυποποίησης, γεγονός που επιτρέπει τη «συνεργασία» μεταξύ τερματικών γραμμής ακόμη και αν αυτά προέρχονται από διαφορετικούς κατασκευαστές (σε αντίθεση με τα τερματικά γραμμής τεχνολογίας PDH που, αν προέρχονται από διαφορετικούς κατασκευαστές, είναι, κατά κανόνα, ασύμβατα μεταξύ τους) 3 Οι όροι «πλησιόχρονη» (δηλαδή «περίπου συγχρονισμένη») και «σύγχρονη» σχετίζονται με τις απαιτήσεις για συγχρονισμό μεταξύ των συστημάτων, που για μεν τα συστήματα PDH είναι σχετικά χαλαρές ενώ για τα συστήματα SDH πολύ αυστηρές. Για παράδειγμα, στα δίκτυα PDH χρονικές ολισθήσεις της τάξης των 20 ppm (20 parts per million = 20x10 6 ) θεωρούνται ανεκτές, ενώ στα συστήματα SDH (που ο συγχρονισμός παρέχεται κεντρικά) η ακρίβεια χρονισμού μπορεί να είναι της τάξης του 1:10 11. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 15.6

Τάξη Σχέση με προηγούμενη τάξη Ρυθμός μετάδοσης (Μbit/s) 4 STM-1 Είτε 63 σήματα Ε1 155,520 Είτε 3 σήματα Ε3 Είτε 1 σήμα Ε4 STM-4 4 x STM-1 622,080 STM-16 4 x STM-4 2448,320 STM-64 4 x STM-16 9953,280 STM-256 4 x STM-64 39813,120 Η σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία (SDH) Σε ένα σήμα SΤΜ-1 ( 155 Mbit/s), μπορούν να πολυπλεχθούν: Είτε 63 σήματα Ε1 Είτε 3 σήματα Ε3 (γενικά 1 σήμα Ε3 «υποκαθιστά» 21 σήματα Ε1) Είτε 1 σήμα Ε4 ( 5 ). Το πλαίσιο STM-1 περιέχει 2430 bytes (δηλαδή 2430 x 8 = 19440 bits) τα οποία μεταδίδονται σε χρόνο 125 μs (δηλαδή κατά τη διάρκεια μιας περιόδου δειγματοληψίας). Αυτό σημαίνει ότι ο ρυθμός μετάδοσης για το σήμα STM-1 ισούται με 19440 bits R = = 155,52 Mbit/s. 125μ2 κατεύθυνση μετάδοσης byte 1 byte 2... byte 2430 byte 1 byte 2... byte 2430 1o πλαίσιο STM-1 (125μs) 2o πλαίσιο STM-1 (125μs) To σήμα STM-1 ως διαδοχή πλαισίων «μήκους» 2430 bytes (19440 bits) Tο πλαίσιο STM-1, λόγω του μεγάλου μεγέθους του, συνήθως, απεικονίζεται σε δύο (2) διαστάσεις (270 x 9 = 2430 bytes). Η σχετική δομή ονομάζεται περιέκτης (container) STM-1 και έχει τη μορφή που φαίνεται στα παρακάτω σχήματα: 4 Για λόγους συντομίας, τα σήματα αυτά αναφέρονται και ως σήματα 155 Mbit/s, 622 Mbit/s, 2,5 Gbit/s, 10 Gbit/s και 40 Gbit/s, αντίστοιχα. 5 Δεν προβλέπεται η πολυπλεξία σημάτων Ε2 (8,448 Mbit/s). Τέλος, στο σήμα STM-1, μπορούν να πολυπλεχθούν και σήματα της αμερικανικής ιεραρχίας PDH. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 15.7

1 2 3...... 270 1 byte 1 byte 2 byte 3...... byte 270 2 byte 271 byte 272 byte 273...... byte 540 3 4 5 6 7 8 9 byte 2161 byte 2162 byte 2163...... byte 2430 Ο περιέκτης (container) STM-1 (2-διάστατη απεικόνιση): Η διάταξη των δυφιοκτάδων (bytes). 1... 9 10............ 270 1 2 R-SOH 3 4 Ενδείκτης (pointer) Ωφέλιμος φόρτος 5 (payload) 6 7 M-SOH 8 9 Ο περιέκτης (container) STM-1 (2-διάστατη απεικόνιση): Τα τμήματα του περιέκτη. Ο ωφέλιμος φόρτος (payload), περιέχει τα «παρακάναλα» σήματα (tributaries). Αυτά μπορεί να είναι: Είτε 63 σήματα Ε1 (63 x 2,048 Mbit/s) Είτε 3 σήματα Ε3 ( 3 x 34,368 Mbit/s) 1 σήμα Ε3 αντικαθιστά 21 σήματα Ε1. Είτε 1 σήμα Ε4 ( 1 x 139,264 Mbit/s) Η χονδρική δομή του ωφέλιμου φόρτου με παρακάναλα σήματα Ε1 και Ε3 φαίνεται στα παρακάτω σχήματα 6 : 6 Η πολύπλεξη («ενταξη») σημάτων στη δομή Ε1 χαρακτηρίζεται ως απεικόνιση (mapping) των σημάτων αυτών στον περιέκτη (container) STM-1. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 15.8

1... 9 10............ 270 1 2 R-SOH 3 Ε1 (# 1 21) Ε1 (# 22 42) Ε1 (# 43 63) 4 Ενδείκτης (pointer) 5 6 7 M-SOH 8 9 Περιέκτης (container) STM-1 με 63 παρακάναλα σήματα Ε1 1... 9 10............ 270 1 2 R-SOH 3 Ε3 (# 1) Ε3 (# 2) Ε3 (# 3) 4 Ενδείκτης (pointer) 5 6 7 M-SOH 8 9 Περιέκτης (container) STM-1 με 3 παρακάναλα σήματα Ε3 Στα σήματα STM-4 (4 x STM-1 = 622,08 Mbit/s) και STM-16 (16 x STM-1 = 2,48832 Gbit/s), τα παραπάνω παρακάναλα σήματα 4-πλασιάζονται και 16-πλασιάζονται αντίστοιχα. Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 15.9

Το τμήμα RSOH ενδείκτης MSOH του πλαισίου STM-1 αναλύεται όπως παρακάτω: 1 A1 A1 A1 A2 A2 A2 C1 NU NU 10...270 2 B1(BIP8) Δ Δ Ε1 Δ F1 NU NU 3 D1 Δ Δ D2 Δ D3 4 ενδείκτης Ωφέλιμος φόρτος 5 B2 B2 B2 K1(APS) K2(APS) 6 D4 D5 D6 7 D7 D8 D9 8 D10 D11 D12 9 S1 Z1 Z1 Z1 Z2 M1(REI E2 NU NU 2170...2430 Δ: Bytes των οποίων η τιμή εξαρτάται από το μέσο μετάδοσης Dx: Κανάλια δεδομένων που μεταφέρουν πληροφορία διαχείρισης Εx: Υπηρεσιακά κανάλια ΝU: Bytes που έχουν κρατηθεί για εθνική χρήση (National Use) Κενά: Bytes που έχουν κρατηθεί για τυχόν μελλοντική τυποποίηση Οι πολυπλέκτες που παράγουν τα σήματα STM-n της ιεραρχίας SDH χαρακτηρίζονται ως «πολυπλέκτες προσθαφαίρεσης τάξης n» ( Add-Drop Multiplexers - n ή ADM-n) 7. Σημαντικό πλεονέκτημα των πολυπλεκτών αυτών είναι ότι η διασύνδεσή τους (συνήθως μέσω οπτικών ινών) γίνεται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να υπάρχει κύρια (main) και εφεδρική (redundant) διαδρομή (σχήμα), η δε μεταγωγή από τη μία στην άλλη να γίνεται αυτόματα. Η τάξη των πολυπλεκτών αυτών (ADM-1, ADM-4, ADM-16) προσδιορίζεται από την τάξη των μεταδιδόμενων σημάτων (STM-1 = 155,52 Mbit/s, STM-4 = 622,08 Mbit/s, STM-16 = 2,48832 Gbit/s) Το σημαντικότερο πλεονέκτημα από τη χρήση πολυπλεκτών ADM είναι η παροχή «εναλλακτικού δρόμου» κατά τη σύνδεση μεταξύ τηλεπικοινωνιακών κέντρων (σχήμα). Έτσι, οι ADMs συνδέονται πάντα σε τοπολογία δακτυλίου και, στην περίπτωση που η μία διαδρομή απενεργοποιηθεί (π.χ. εξαιτίας αστοχίας του οπτικού καλωδίου), ενεργοποιείται αυτόματα η εναλλακτική. 7 Η τάξη του ADM είναι η τάξη του σήματος STM (π.χ. η παραγωγή σήματος STM-1 γίνεται από πολυπλέκτη ADM-1). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 15.10

63 σήματα Ε1 (G.703) Κύρια διαδρομή (εκπομπή - λήψη) 63 σήματα Ε1 (G.703) ADM-1 ADM-1 Εφεδρική διαδρομή (εκπομπή - λήψη) 15.4. Ερωτήσεις 1. Να οριστεί η «πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας» (FDM). Σε ποιο τύπο συστημάτων (αναλογικά ψηφιακά) εφαρμόζεται; 2. Να οριστεί η «πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου» (ΤDM). Σε ποιο τύπο συστημάτων (αναλογικά ψηφιακά) εφαρμόζεται; 3. Να αναφερθούν τα βασικά πλεονεκτήματα της σύγχρονης ψηφιακής ιεραρχίας (SDH) έναντι της πλησιόχρονης (PDH). 4. Να δοθούν τα βασικά σήματα (Ε-n) της πλησιόχρονης ψηφιακής ιεραρχίας (ΡDH) και, κατά προσέγγιση, οι αντίστοιχοι ρυθμοί μετάδοσης. 5. Να δοθούν τα βασικά σήματα (STM-n) της σύγχρονης ψηφιακής ιεραρχίας (SDH) και, κατά προσέγγιση, οι αντίστοιχοι ρυθμοί μετάδοσης. 6. Πόσα σήματα Ε1, Ε3 και Ε4 μπορούν να πολυπλεχθούν σε ένα σήμα STM-1; 7. Να αναφερθεί ένα βασικό πλεονέκτημα των πολυπλεκτών προσθαφαίρεσης (ADM-1). Γερ. Κ. Παγιατάκης: Τηλεπικοινωνιακά Συστήματα 15.11