Time Division Multiplexing (TDM)

Time Division Multiplexing (TDM)

Partilhar Recursos... Uma vez que os recursos de transmissão são tradicionalmente escassos, é necessário partilhar estes recursos. A multiplexagem é o processo que permite usar um mesmo meio para a transmissão de vários fluxos de informação independentes, sem interferências mútuas, aumentando a eficiência no uso dos recursos disponíveis. As 2 formas principais de partilhar estes recursos são: Frequency Division Multiplexing (FDM) A largura de banda disponível no canal de transmissão é dividida em frequency slots que são atribuídos aos vários sinais a transmitir. Time Division Multiplexing (TDM) - O canal de transmissão é partilhado ao longo do tempo entre vários sinais, sendo atribuído a cada sinal uma dado time slot. Esta forma de multiplexagem é uma consequência directa do Teorema da Amostragem.

Time Division Multiplexing (TDM) 1 canal de voz digital: 8 kamostras/s; 8 bits/amostra 64 kbit/s 125 µs t 2 canais de voz digital 128 kbit/s 125 µs 125 µs t 3 canais de voz digital 192 kbit/s 125 µs t 125 µs 125 µs

Arquitectura TDM

Multiplexagem por Divisão no Tempo Existem 2 grandes tipos de multiplexagem por divisão no tempo: SÍNCRONA O tempo total é dividido em intervalos de igual duração time slots que são atribuídos de modo fixo a cada fluxo de informação a transmitir: corresponde à atribuição estática de uma certa capacidade de transmissão a cada fonte, p.e. voz digital. ESTATÍSTICA STICA A capacidade total de transmissão é atribuída só quando é necessária/pedida por uma dada fonte de informação, p.e. dados em TDM assíncrono, TDM estatístico, comutação de pacotes.

Problemas da Multiplexagem TDM Formatação O sinal multiplexado deve ser formatado de modo a que cada fluxo possa ser facilmente identificado na recepção e que se possa recuperar o sincronismo (alinhamento de trama) no caso de haver problemas. Multiplexers não alinhados Bits entregues à saída incorrecta Sincronização A multiplexagem temporal exige a sincronização dos fluxos de entrada segundo um mesmo relógio; o mesmo é válido para os multiplexer e demultiplexer. Multiplexers não sincronizados Bits perdidos ou duplicados Variabilidade dos ritmos de transmissão Variabilidade dos ritmos de transmissão O multiplexer deve ser capaz de absorver pequenas variações no ritmo dos fluxos de entrada; estas variações podem acontecer devido a múltiplas razões, p.e. limitação na precisão do relógio.

Interposição de Bit e de Palavra O multiplexer pode atribuir a cada fluxo de entrada um intervalo de tempo correspondente a: 1 BIT Interposição de bit 1 PALAVRA, p.e.. 1 byte Interposição de palavra (implica necessariamente memorização de informação nos vários canais de entrada) A interposição de bit é normalmente usada nos multiplexers com ritmos mais elevados enquanto a interposição de palavra é usada nos multiplexers com ritmos mais baixos.

Estrutura das Tramas Uma trama é o menor conjunto de bits que se repete periodicamente e que contém pelo menos 1 bit ou 1 palavra de cada canal e ainda a informação de formatação. É possível multiplexar canais com ritmos diferentes - a estrutura da trama reflecte a relação entre ritmos. Em termos de bits de alinhamento (framing bits), a estrutura das tramas pode adoptar 2 soluções distintas: bits adicionais e canal adicional.

Estrutura das Tramas Bits Adicionais Na solução BITS ADICIONAIS ou alinhamento distribuído, os bits de alinhamento são introduzidos um de cada vez, no início ou no fim da trama. A transmissão da sequência de alinhamento é feita ao longo de N tramas, designadas multitrama. Esta solução tem a vantagem de ser mais resistente a erros de rajada mas aumenta o tempo de recuperação do alinhamento.

Estrutura das Tramas Canal Adicional Na solução CANAL ADICIONAL ou alinhamento concentrado, os bits de alinhamento são introduzidos todos de uma vez, no início ou no fim da trama (ou multitrama). Esta solução tem a desvantagem de o multiplexer ter de armazenar os bits nas entradas durante a inserção dos bits de alinhamento.

Hierarquias PDH (Plesiochronous ( Digital Hierarchy) de Multiplexagem TDM da ITU-T Nas hierarquias PDH, os relógios dos diferentes elementos de rede (regeneradores e multiplexadores) não estão perfeitamente sincronizados E1 E2 E3 E4

Precisão de um relógio Relógios reais não são isócronos frequência real (f r ) está sujeita a flutuações relativamente à frequência nominal (f 0 ). Precisão de um relógio: f 0 - f r / f 0 ( 10 6 ppm partes por milhão) Relativamente à precisão dos relógios estão definidas quatro níveis (stratum), sendo o primeiro nível (stratum 1) ocupado pelos relógios atómicos (césio e rubídio). Nível Stratum 1 Stratum 2 Stratum 3 Stratum 4 Precisão 1 10-11 1.6 10-8 4.6 10-6 3.2 10-5

Plesiocronismo Para os relógios da hierarquia PDH europeia são requeridas as seguintes precisões: Hierarquia E1 E2 E3 E4 Precisão 50 10-6 30 10-6 20 10-6 15 10-6 (50 ppm) (30 ppm) (20 ppm) (15 ppm) Devido à precisão não ser nula, dois relógios independentes com a mesma frequência nominal são plesiócronos (quase síncronos). Exemplo: Sinal E1 com precisão= 50 10-6 ; f 0 =2,048 MHz f 0 - f r = f 0 precisão=102,4 Hz f r [2,047898, 2,048102] Hz

Plesiocronismo (cont.) O débito de chegada dos dados à entrada do multiplexador para cada um dos canais (tributários), pode ser diferente do débito de leitura imposto pelo relógio do multiplexador. A diferença de velocidades deve-se ao plesiocronismo e também às perturbações de transmissão. Para acomodar essas diferenças usam-se memórias elásticas com capacidade para armazenar uma trama do tributário de entrada. A memória é escrita ao ritmo do tributário e é lida ao ritmo imposto pelo relógio do multiplexador. Sinal de tributário, D k Memória Elástica Sinal de saída, D k Recuperação do relógio Escrita f k Leitura, f k Relógio do multiplexador

Slips O plesiocronismo das várias entradas (tributários) do multiplexer, pode originar perda ou repetição de informação (slips) na saída. Estrutura de uma memória elástica Operação da memória elástica f k =f k Sinal de entrada, D k escrita leitura f k 1 2 Endereços de leitura f k >f k Dupla escrita Dupla escrita Endereços de escrita L bits f k f k <f k P/S Sinal de saída, D k Dupla leitura Dupla leitura

Slips (cont.) Exemplo: trama com 8 bits e f k >f k Ciclos de escrita 1 2 34 5 6 78 1 2 34 5 6 78 1 2 34 5 6 78 1 2 34 5 6 78 1 2 34 5 6 78 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 Ciclos de leitura Perde-se a 4ª. trama

Impacto dos slips A perda ou repetição de uma trama completa designa-se por slip controlado e ocorre com um período dado por T s = D k L D O efeito dos slips depende do serviço considerado. k = L D k L: comprimento da trama em bit D k : débito binário de entrada D k: débito binário de saída Serviço Voz Fax Multimedia Texto encriptado Dados Dados na banda de voz Impacto dos Slips Cliques, perda de dados de sinalização (SS7) Perda de 4 a 8 linhas de varrimento Perturbação nas tramas de video, salvas de ruído no áudio É necessário retransmitir o código de criptografia Perda ou repetição de dados Erros de transmissão de 0.01 até 2 s, a chamada pode ser perdida Para reduzir a frequência de ocorrência dos slips deve-se aumentar a precisão dos relógios. Por exemplo, para garantir um período de slips de 20 h deveria usar-se no sistema E1 relógios com uma precisão de 1.74 10-9.

Justificação Como as exigências impostas aos relógios para evitar slips são muito elevadas, compensam-se as diferenças de débitos binários através de um procedimento designado por justificação ão. Na justificação (positiva) a frequência do relógio de leitura é feita igual ao ritmo máximo no canal de entrada, ou seja f k= f 0 + f k. Para evitar o esvaziamento da memória elástica a leitura é inibida durante certos intervalos de tempo de bit (bit de justificação). Tributário ( f k ) W ME R ( f k ) Relógio f k Extracção do relógio f k Inibidor do relógio Restantes tributários... MUX Monitorização do enchimento da ME Controlo da justificação Bits de controlo de justificação

Justificação ou Jogando o Joker... A justificação visa a solução dos problemas relacionados com a sincronização e variabilidade dos fluxos. A ideia da justificação é produzir um fluxo multiplexado com um ritmo ligeiramente superior à soma dos ritmos nominais dos fluxos a multiplexar. Esta característica é alcançada introduzindo bits adicionais que podem, ou não, transportar informação. Todos os fluxos de entrada são justificados com um número de bits suficiente para elevar o seu ritmo até ao do relógio local usado para o multiplexer usando uma memória elástica que pode ser escrita e lida a ritmos diferentes. O uso dos bits de justificação para cada entrada com ou sem informação é assinalado ao desmultiplexer através de um número ímpar de bits (lógica de maioria) denominados como bits de controlo da justificação. É essencial que os bits de justificação sejam correctamente usados no desmultiplexer.

Hierarquia PDH Europeia 30 canais (64 kb/s) Mux primário E1 2.048 Mbit/s (30 canais) 30 4 E2 8.448 Mbit/s (120 canais) E3 34.368 Mbit/s (480 canais) E4 139.264 Mbit/s (1920 canais) 4 4

Estrutura da trama E1 8 bits 125 µs 0 PET 1 2 15 PEM 17 30 31 Multi-trama 1 1A 1 2 15 S 1 S 17 17 30 31 2 PET 1 2 15 S 2 S 18 17 30 31 15 A 1 1 2 15 S 15 S 31 17 30 31 i : canal de voz do utilizador i PET : Padrão de enquadramento de trama (0011011) S i S j : sinalização para os canais i, j PEM: Padrão de enquadramento de multi-trama (0000)

Estrutura da Trama E2 Multiplexa 120 canais de 64 kbit/s f b =8448 kbit/s PET............ 50 4 bits 52 4 bits 52 4 bits 51 4 bits 2 bits de serviço 4 bits de controlo de justificação 4 bits de controlo de justificação 4 bits de controlo de justificação 4 bits de justificação 10 bits E1 E1 E1 E1 MUX E2 E2

Limites do débito d do sinal E1 Para a trama E2: L=848 bits; T=L/(8448 kbits/s)=100.38 µs Se num dado intervalo de tempo todas as tramas E2 forem justificadas, tem-se: D b (E1)=205/(100.38 µs) = 2042.24 kbits/s (débito mínimo) Se num dado intervalo de tempo nenhuma das tramas E2 for justificada, tem-se: D b (E1)=206/(100.38 µs) = 2052.20 kbits/s (débito máximo) A utilização de 1 bit de justificação, permite absorver váriações do débito do sinal E1 entre 2042.24 kbits/s e 2052.20 kbits/s (o débito nominal é 2048 kbits/s)

Alinhando... O alinhamento ou sincronização de tramas em TDM considera normalmente 2 modos de operação: MODO DE PROCURA OU AQUISIÇÃO DO ALINHAMENTO neste modo (não há alinhamento), os bits de alinhamento são procurados ao longo da trama. O alinhamento é considerado adquirido quando uma dada posição de alinhamento satisfaz o critério de aceitação ou aquisição do alinhamento previamente determinado, p.e. alinhamento 3 vezes seguidas na posição correcta. MODO DE MANUTENÇÃO DO ALINHAMENTO este modo sucede sempre ao modo de procura do alinhamento e controla continuamente se o alinhamento actual é aceitável, controlando a correlação entre a informação de alinhamento esperada e a informação de alinhamento detectada. O alinhamento é considerado perdido se uma perda de alinhamento for detectada segundo o critério de perda de alinhamento, p.e. alinhamento não detectado 3 vezes consecutivas, passa-se ao modo de procura.

Diagrama de Estados Aceita alinhamento candidato Modo de Procura Modo de Manutenção Rejeita alinhamento candidato Rejeita alinhamento actual Mantém alinhamento actual

Procura Série S do Alinhamento PET Padrão de enquadramento de trama b 1, b 2 bits imitam PET ALINHADO a termina procura b g c f d inicía procura e DESALINHADO PET b 1 PET b 2 PET PET PET PET Pesquisa estado e 1 trama estado f 1 trama estado g Pesquisa estado e 1 trama estado f 1 trama estado g Alinhamento estado a Critério rio de perda de alinhamento ao fim de 4 tramas sem a correlação mínima requerida Critério rio de aquisição de alinhamento ao fim de 3 tramas com a correlação mínima requerida

Medidas de desempenho Em termos de alinhamento, o desempenho do sistema pode medir-se através dos seguintes parâmetros: Tempo médio entre perdas de alinhamento em função do BER (bit error rate) Tempo de re-aquisição do alinhamento Quantidade de informação introduzida para alinhamento

Tempo médio m para readquirir o sicronismo de trama n L pior caso L : comprimento da trama (bits) T : período da trama (s) n : comprimento do PET (bits) caso médio k : número de PET s consecutivos correctos para se considerar sincronismo readquirido N T : número de tramas que perde durante a re-sincronização T a : duração da re-sincronização (T a = N T T ) Situação 1: Nunca se encontram falsos PET s durante a pesquisa (situação ideal) Pior caso: N T = [ 1 + ( k -1) ] tramas ; T a = [ 1 + ( k-1) ] T s Caso médio: N T = [ 0.5 + ( k -1) ] tramas ; T a = [ 0.5 + ( k -1) ] T s

Tempo médio m para readquirir o sicronismo de trama (cont( cont.) Situação 2 : Podem-se encontrar falsos PET s durante a pesquisa (situação real) L n Suspende a pesquisa até... Suspende a pesquisa até... Por cada falso PET que encontra, perde um PET verdadeiro h : número de falsos PET s que encontra durante a re-sincronização Probabilidade de encontrar um falso PET = (1/2 ) n, se bits independentes e 0,1 equiprováveis Frequência de ocorrência de falsos PET s = h /( L + h) h /( L / 2 + h) pior caso caso médio Pior caso: N T = [ 1 + ( k-1) + h ] tramas ; T a = [ 1 + ( k -1) + h ] T s ; h = L / (2 n 1 ) Caso médio: N T = [ 0.5 + ( k-1) + h ] tramas ; T a = [ 0.5 + ( k -1) + h ] T s ; h = (L / 2 ) / (2 n 1 ) ]

Desvantagens da PDH (1) Não há normalização para débitos superiores a 140 Mbit/s. Incompatibilidade entre equipamento de diferentes fabricantes. Falta de flexibilidade. É díficil usar o equipamento PDH para funções de inserção/extracção de canais. Difícil a monitorização do desempenho dos canais ao longo da transmissão. Capacidade muito limitada para funções de gestão centralizada (não há canais nas tramas destinados a esta função). Não tem interfaces normalizadas a nível óptico (ex. definição dos códigos a usar, do nível de potência, da largura de linha das fontes).

Desvantagens da PDH (2) Cascata de multiplexadores/desmultiplexadores usados para extrair um E1 de um E4. Terminal de linha de 140 Mb/s 140 34 DMUX 34 8 8 34 Mb/s 8 Mb/s 2 Mb/s 8 34 8 140 34 MUX Terminal de linha de 140 Mb/s 2 2 2 Mb/s As interfaces só estão normalizadas a nível eléctrico MUX Interface eléctrica normalizada (G.703) Terminal de linha óptica Interface óptica proprietária do fabricante Códigos de linha, níveis de potência óptica, tipo de fibra, não normalizados. Fibra óptica