multiplexión

REDES Y SERVICIOS
PANORÁMICA DE LAS TELECOMUNICACIONES
TEMA 4. PRINCIPIOS DE TRANSMISIÓN (III)
MULTIPLEXIÓN
1. TÉCNICAS DE MULTIPLEXIÓN..................................................................................... 2
1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.3
1.3.1
1.3.2
1.4
1.5
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 2
CONCEPTO DE MULTIPLEXIÓN..................................................................................... 2
NECESIDAD DE MULTIPLEXIÓN ................................................................................... 2
PROBLEMAS A RESOLVER ............................................................................................ 3
MULTIPLEXIÓN POR DIVISIÓN DE FRECUENCIA (FDM) ................................................ 4
FUNDAMENTOS ........................................................................................................... 4
POSIBLES USOS ............................................................................................................ 5
NORMALIZACIÓN PARA TELEFONÍA ANALÓGICA ........................................................ 5
MULTIPLEXIÓN POR DIVISIÓN DE TIEMPO (TDM) ........................................................ 7
FUNDAMENTOS ........................................................................................................... 7
NORMALIZACIÓN ........................................................................................................ 9
MULTIPLEXIÓN POR DIVISIÓN DE CÓDIGO (CDM)........................................................ 9
MULTIPLEXIÓN ESTADÍSTICA POR DIVISIÓN DE TIEMPO ............................................ 10
2. JERARQUÍA DIGITAL PLESIÓCRONA (PDH) .......................................................... 12
2.1
LAS JERARQUÍAS EUROPEA, AMERICANA Y JAPONESA ............................................... 12
2.1.1
EL PRIMER NIVEL EN LA JERARQUÍA EUROPEA ......................................................... 13
2.1.2
EL PRIMER NIVEL EN LAS JERARQUÍAS AMERICANA Y JAPONESA ............................. 14
3. JERARQUÍA DIGITAL SÍNCRONA (SDH) .................................................................. 16
3.1
3.2
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 16
MULTIPLEXADO ............................................................................................................. 16
4. PDH V.S. SDH..................................................................................................................... 18
2
Principios de transmisión (III)
1.
TÉCNICAS DE MULTIPLEXIÓN
1.1
Introducción
1.1.1
Concepto de multiplexión
Panorámica de las telecomunicaciones
Se denomina multiplexar a repartir un canal de comunicación, con capacidad C,
entre varios subcanales que requieran capacidades inferiores. Demultiplexar consistirá
en realizar la operación inversa, es decir, volver a obtener cada uno de los subcanales
que se están transmitiendo sobre el mismo canal. La figura 1 muestra una representación
de esta idea.
MUX
MUX
Fig. 1. Multiplexión de varias comunicaciones sobre un mismo enlace
La finalidad de la multiplexión de la capacidad disponible será utilizar el mismo
medio físico para la transmisión de varias comunicaciones, sin que estas se interfieran
entre si. Así se aprovecha la totalidad de la capacidad disponible y el uso del canal es
mucho más eficiente, lo que supone un ahorro considerable de costes.
Esta tarea puede realizarse de forma distribuida cuando son los terminales
implicados los que se encargan de la multiplexión. También puede estar centralizada en
equipos que realicen esta función, éstos reciben el nombre de multiplexores. Estos
equipos multiplexarán los subcanales a la entrada del circuito de datos y los
demultiplexarán a la salida del mismo, todo ello de forma transparente a la fuente y al
sumidero de datos. En ningún momento interpretan la información que pasa por ellos,
de manera que no tienen porqué conocer cómo la utilizarán los equipos entre los que es
intercambiada. Esto facilita el que los canales que comparten el medio de transmisión
puedan prestar servicios diferentes y transportar tráfico de distinta naturaleza. Es usual
que en el mismo nodo de red se realicen tareas de multiplexión y conmutación.
1.1.2
Necesidad de multiplexión
Hay muchos motivos que justifican la utilización de técnicas de multiplexión:
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Panorámica de las telecomunicaciones 3
•
El caso más claro sería, quizá, la necesidad de transmitir información simultánea
entre dos puntos, con varios terminales en cada uno, a través de un medio físico
compartido.
•
Compartir el medio físico entre los terminales que conforman redes que utilicen la
técnica de difusión, como redes de área local de tipo ethernet o token ring.
•
Si se utiliza la red telefónica conmutada, compartir un canal vocal entre varias
comunicaciones que requieran un ancho de banda inferior al de un canal telefónico
analógico (3100 Hz). Por ejemplo transmisiones de datos a baja velocidad. Si se
empleara un canal vocal para cada una de estas transmisiones el ancho de banda
disponible estaría infrautilizado.
•
Usar un canal de banda ancha, es decir con capacidad del orden de Mbps, para la
transmisión de varias comunicaciones simultáneas con velocidades inferiores. Se
podrían multiplexar, por ejemplo, varios canales vocales, o combinar canales que
presten servicios diversos y así simultanear transmisión de datos, voz, imágenes...
•
Combinar comunicaciones que necesiten distinta capacidad sobre un mismo enlace.
•
Y, por supuesto, el ahorro en los costes de transmisión al utilizar circuitos de mayor
capacidad. Teniendo muy en cuenta que el coste de instalar y mantener medios de
transmisión de baja capacidad viene a ser igual que el de medios de alta capacidad.
1.1.3
Problemas a resolver
Se plantean dos problemas principales a la hora de realizar el reparto de la
capacidad ofrecida por el medio: Se debe especificar cómo se divide el canal en
subcanales y como se asignan estos subcanales a las comunicaciones que pretendan
utilizar el medio físico.
1.1.3.1 División en subcanales
Las comunicaciones deberán utilizar subcanales dentro del medio físico compartido
y será imprescindible saber extraer, cuando sea necesario, la información de cualquiera
de las comunicaciones que se están transmitiendo por el canal. Las técnicas de
multiplexión se pueden clasificar según la característica (o características) de la señal
que se utilicen para discriminar una comunicación de las restantes. Algunas de las más
empleadas son:
•
Multiplexado por división de frecuencia (FDM o Frequency Division Multiplexing).
Cada subcanal utiliza una región del espectro determinada dentro del ancho de
banda total del canal de comunicación.
•
Multiplexado por división de tiempo (TDM o Time Division Multiplexing). Cada
subcanal utiliza el canal a compartir sólo durante un intervalo de tiempo
determinado.
•
Multiplexado por división de código (CDM o Code Division Multiplexing). Cada
subcanal utiliza un código determinado para la transmisión de su información.
•
Multiplexado por polarización. Cada subcanal se transmite con una polarización
determinada.
También se pueden combinar las técnicas anteriores, de manera que una
comunicación se distingue de las demás por variar en más de una característica. Por
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Principios de transmisión (III)
Panorámica de las telecomunicaciones
ejemplo, se transmiten en distinta zona del espectro y además en distintos intervalos de
tiempo.
1.1.3.2 Asignación de subcanales
Habrá que asignar los subcanales creados a las comunicaciones que necesitan ser
transmitidas por el medio físico a compartir. Así se realiza el reparto de la capacidad del
canal, que es lo que se está persiguiendo. Se podrían distinguir dos formas básicas
deasignación:
1.1.3.2.1 Asignación estática o determinista
Es la forma más sencilla de realizar el reparto. Consistiría en hacerlo de forma
estática, es decir, para cada comunicación se reserva un subcanal que ésta utiliza de
forma exclusiva. Esta técnica se ha venido utilizando tradicionalmente, por ejemplo,
para compartir troncales telefónicas. Sin embargo el tráfico generado en una
comunicación en concreto puede comportarse de forma muy distinta. Si un terminal
genera datos con un régimen binario constante asignarle de forma estática un subcanal
con la capacidad que necesita sería fácil y eficiente. Pero puede que el tráfico generado
sea a ráfagas, es decir, se genere información durante cierto tiempo pero de forma
discontinua, asignar un subcanal estáticamente resulta entonces derrochador. Hay que
tener en cuenta que la suma de capacidades de las comunicaciones que comparten el
canal no supera, en ningún momento, la capacidad del canal que se está repartiendo.
1.1.3.2.2 Asignación dinámica o estadística
El reparto de la capacidad del medio se hará de forma dinámica, es decir, se asigna
a una comunicación sólo cuando sea necesario transmitir información. Esta técnica es
más compleja y existen muchas variantes para conseguirlo. La asignación de capacidad
puede estar en manos de los que compiten por ella, como ocurre en redes de área local.
Pero también podría haber algún elemento que se encargara de la asignación, por
ejemplo un nodo de conmutación que pasa al siguiente enlace los datos según cierto
orden de preferencia. Los sistemas en los que pueden ocurrir conflictos a la hora del
reparto, provocándose colisiones en el medio físico, se suelen conocer como sistemas de
contienda. En esta ocasión la suma de capacidades de las comunicaciones que
comparten el canal puede superar, aunque sólo instantáneamente, la capacidad del canal
que se está repartiendo. Se utilizan memorias o buffers para almacenar la información
hasta que le sea asignado el subcanal apropiado.
1.2
Multiplexión por división de frecuencia (FDM)
1.2.1
Fundamentos
Esta técnica consistirá en repartir el ancho de banda de un único canal de
comunicación entre varios subcanales independientes entre sí, como indica la figura 2.
De esta manera a cada subcanal se le asigna un rango de frecuencias distinto y, por
supuesto, comprendido en el ancho de banda total disponible en el canal a repartir.
Normalmente cada subcanal se separa del siguiente por una banda de protección o
seguridad. Esta banda de guarda evitará que si la frecuencia central de un canal se
desplaza, por ejemplo por imperfecciones en los relojes utilizados para generar las
portadoras, los subcanales adyacentes se solapen, evitando así el denominado ruido de
intermodulación.
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Principios de Transmisión (III)
Se suele utilizar esta técnica cuando las señales multiplexadas son de naturaleza
analógica de modo que éstas varían de forma continua con el tiempo. En consecuencia
será necesario proteger la señal transmitida para mantener tales variaciones intentando
evitar o compensar efectos como el ruido, interferencias electromagnéticas o la
atenuación sufrida por la distancia.
f1
f1 - 3.4 KHz f1 - 300Hz f1 + 300Hz
f1 + 3.4 KHz
f2
f2 - 3.4 KHz f2 - 300Hz f2 + 300Hz
f2 + 3.4 KHz
f3
f3 - 3.4 KHz f3 - 300Hz f3 + 300Hz
f3 + 3.4 KHz
f4
300 Hz 3.4 KHz
f4 - 3.4 KHz f4 - 300Hz f4 + 300Hz
f4 + 3.4 KHz
frecuencia
Fig. 2: Multiplexión por división de frecuencia
1.2.2
Posibles usos
La multiplexión en frecuencia se ha venido utilizando, tradicionalmente, para
transmitir varios canales de frecuencia vocal por un único medio de comunicación. Al
incorporar técnicas digitales en las troncales telefónicas este uso cada vez es menos
frecuente.
Se suele utilizar en radioenlaces y en la interfaz radio de redes de telefonía móvil,
sobre todo en combinación con otras técnicas de multiplexión, como TDM o CDMA.
Así en GSM, la norma europea para telefonía móvil de segunda generación, se utiliza
multiplexión de frecuencia y dentro de cada frecuencia se utiliza multiplexión por
división en el tiempo, que se verá más adelante. Para UMTS está en proceso de
normalización una técnica que combina multiplexión de frecuencia y de código.
1.2.3
Normalización para telefonía analógica
Si una señal vocal, con ancho de banda entre 0.3 y 3.4 KHz, modula en amplitud
una portadora de fi KHz, se traslada ésta a la banda comprendida entre fi –3.4 y fi – 0.3
KHz, conteniendo la misma información inicial pero desplazada a otra región del
espectro, como se puede observar en la figura 2. Si se modulan distintas
comunicaciones con portadoras, separadas convenientemente en el espectro, se obtendrá
un conjunto de señales agrupadas o multiplexadas en un único ancho de banda lo que
permitirá su transmisión a través de un mismo medio portador.
Las compañías telefónicas han venido utilizando, mientras las redes aún eran
analógicas, esta técnica de multiplexión. Para facilitarles tanto este aprovechamiento de
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Principios de transmisión (III)
Panorámica de las telecomunicaciones
medios de transmisión como las conexiones internacionales el CCITT, que ahora forma
parte del UIT-T, normalizó los parámetros involucrados. Fija los valores de las
frecuencias portadoras, el número de comunicaciones que alberga cada conjunto y,
consecuentemente, el ancho de banda necesario para la transmisión.
El objetivo de las administraciones telefónicas se centraba en aprovechar al máximo
el mismo portador, aun teniendo que instalar equipos de repetición, siempre que los
análisis económicos así lo aconsejasen. En consecuencia se extendió la fabricación de
equipos multicanales que se encargan de desarrollar modulaciones y demodulaciones de
orden superior y que se sitúan en los extremos de los medios portadores. Los equipos
multiplexores unirán normalmente nodos de conmutación telefónicos de mucho tráfico,
estos canales serán transmitidos por un único medio de transmisión. Los canales de
frecuencia de voz, a los que se les añade cierta información de señalización, se
acomodan en canales típicos de 4kHz de ancho de banda. La tabla de la figura 3 muestra
el esquema de multiplexación de la UIT-T para 2700 canales analógicos de voz.
Canal
vocal
Ancho de
banda (KHz)
1
0-4
2
4-8
3
8-12
1 (12 can.)
4
12-16
2 (12 can.)
1 (60 can.)
5
16-20
3 (12 can.)
2 (60 can.)
1 (300 can.)
6
20-24
4 (12 can.)
3 (60 can.)
2 (300 can.)
1 (900 can.)
7
24-28
5 (12 can.)
4 (60 can.)
3 (300 can.)
2 (900 can.)
8
28-32
9
32-36
10
36-40
11
40-44
12
44-48
Grupo Primario
Ancho de Banda
48 Khz
5 (60 can.)
3 (900 can.)
60 canales
300 canales
900 canales
2700 canales
Grupo
Secundario
Grupo
Terciario
Grupo
Cuaternario
Grupo
Quinario
Ancho de
Banda
Ancho de
Banda
Ancho de
Banda
Ancho de Banda
240 Khz
1200 Khz
3716 Khz
12026 Khz
Fig. 3: Esquema de multiplexión por división de frecuencia de la UIT-T
Esta normalización establece varios niveles de multiplexión, cada uno de ellos
formado a partir del anterior.
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•
El primer nivel de multiplexión está compuesto por 12 canales telefónicos de 4Khz
(0,3-3,4 KHz, + señalización + banda de seguridad) que modulan 12 portadoras y
conforman el denominado grupo primario en la banda 60-108KHz.
•
A partir de 5 grupos primarios, que modulan otras tantas portadoras, se forma un
grupo secundario o supergrupo. Éste contiene, por tanto, 60 canales vocales y está
comprendido en la banda 312-552 KHz.
•
El siguiente nivel, denominado grupo terciario, se forma con 5 grupos secundarios
que modulan 5 portadoras. Transporta 300 canales en la banda de frecuencias 8122044 KHz
•
Al multiplexar 3 grupos terciarios se forma el grupo cuaternario, con 900 canales,
en la banda 8516-12388KHz.
•
Por último al agrupar 3 grupos cuaternarios se forma el grupo quinario, en la banda
de 312 a 12338 KHz. Este último grupo contiene 2700 canales vocales.
Para formar el grupo primario existen dos opciones:
1. Sistema de pregrupos con traslación
Combina tres canales de 4KHz, que son modulados en banda lateral con
supresión de portadora. Este procedimiento ofrece las ventajas de reducir el ruido y
facilita el procedimiento de demodulación en el receptor. Así formamos lo que se llama
pregrupo. Se combinan ahora cuatro pregrupos, separados cada uno de ellos 12 KHz
(3x4), sobre portadoras en las frecuencias de 84, 96, 108 y 120 KHz. Así se forma el
grupo básico que se transporta en un ancho de banda comprendido entre 60 y108KHz.
2. Traslación de canales simples
Ahora cada canal de 4KHz se modula en amplitud sobre una portadora diferente
para cada uno de los 12 canales que forman el grupo primario. Así para el canal ubicado
en la frecuencia más baja de la banda se usa una portadora de 64KHz, al generar una
doble banda lateral, ocuparía 4KHz arriba y debajo de esta frecuencia. Luego se filtra la
banda superior y la inferior es la que se coloca en el grupo primario, así ocupa sólo
4KHz. Aquí se ahorra un paso respecto al esquema que usa la UIT-T, que es el que se
vio anteriormente. Este es el utilizado en EEUU y algunos países asiáticos
La aparición de la fibra óptica y la introducción de técnicas de modulación digital
desbancan a los sistemas de multiplexión por división de frecuencia, que están siendo
sustituidos por los de multiplexión por división de tiempo.
1.3
Multiplexión por división de tiempo (TDM)
1.3.1
Fundamentos
Esta técnica consiste en dividir el tiempo de transmisión de un canal de
comunicación en subcanales independientes entre sí. De esta forma, como indica la
figura 4, a cada subcanal se le asigna un intervalo de tiempo, dentro del tiempo de
transmisión total, durante el cual la única información que se transmite por el medio
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Principios de transmisión (III)
Panorámica de las telecomunicaciones
pertenece a este subcanal. Se asigna toda la capacidad a transmitir a un subcanal
concreto durante el intervalo de tiempo reservado para él.
En el canal de transmisión se crean ranuras o intervalos de tiempo y será el equipo
multiplexor el encargado de adjudicar cada una de estas ranuras a un subcanal o señal
de entrada. Cada subcanal de comunicación recibe la señal de datos de un equipo
terminal distinto. De esta manera, en el medio físico compartido, se forma una trama
con los datos aportados por los diferentes subcanales. El tamaño de la trama se suele
indicar en función del tiempo necesario para transmitirla por el canal y por supuesto la
capacidad que se necesita en el medio de transmisión dependerá del número de
subcanales que la conforman y del número de bits asignados a cada uno. En el otro
extremo de la conexión se separará nuevamente la trama para que cada terminal reciba
la señal de datos de su equipo interlocutor.
4
3
2
1
C bps
4
3
2
1
C bps
4
3
2
1
MUX
4444333322221111
C bps
tiempo
0 +4∆
4
3
2
1
0 +3∆ 0 +2∆
0 +∆
C *4 bps
0
C bps
tiempo
0 +4∆
0 +3∆
0 +2∆
0 +∆
0
Fig. 4: Multiplexión por división de tiempo
Una de las ventajas de la multiplexión por división de tiempo es que se puede
aprovechar el tiempo existente entre la transmisión de dos muestras consecutivas del
mismo subcanal. Si se toma una muestra de una señal analógica cada 125µs, se podrán
muestrear, durante el resto del tiempo, otros canales diferentes. Se podría ver como si se
estuviera utilizando un conmutador rotativo en el transmisor. Éste tomará
secuencialmente muestras de cada señal, correspondiente a cada subcanal, que se
transmitirán por el medio, utilizando éste de forma exclusiva. En el receptor existirá
otro conmutador rotativo similar, sincronizado con el del transmisor, para pasar las
muestras al equipo apropiado. Para el armado de las tramas y el sincronismo existen dos
formas de adjudicar las ranuras de tiempo.
1. Entrelazado o entramado de bits (dígitos).
Cada intervalo de tiempo se ajusta para que transporte un solo bit de cada terminal.
Se utiliza especialmente cuando se combinan flujos de datos provenientes de terminales
semejantes. Es sencilla y económica en cuanto a la electrónica ya que no requiere
almacenamiento de cada carácter ni funciones adicionales.
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2. Entramado o entrelazado de octetos (caracteres)
Se usa cuando las señales están compuestas por un grupo de octetos o caracteres
que, por razones operativas, es conveniente preservar en su integridad. El conmutador
rotativo del multiplexor deberá detenerse en cada canal mientras está siendo transferido
el carácter. Si los datos llegan continuamente será necesario algún tipo de
almacenamiento local para acumular las señales mientras se espera la siguiente
transferencia.
La multiplexión por división de tiempo facilita la multiplexión de subcanales con
distintas capacidades, ya que existen variantes en las que la asignación del intervalo de
tiempo es ponderada, de modo que algunos canales utilizan más intervalos que otros por
necesitar mayor capacidad.
1.3.2
Normalización
Como en el caso anterior también la UIT-T normaliza la forma de realizar esta
multiplexión. También se establecen jerarquías de multiplexión, en este caso existen dos
jerarquías muy diferencias. La más antigua es la jerarquía digital plesiócrona (PDH) y la
más actual es la jerarquía digital síncrona (SDH). Éstas se presentan al final de este
tema.
1.4
Multiplexión por división de código (CDM)
En este caso cada comunicación que se transmite sobre el mismo medio utiliza un
código distinto. Así se podrá extraer la señal deseada, que será la que esté codificada de
un modo concreto, y rechazar todo lo demás como si se tratara de un ruido superpuesto.
Cada tiempo de bit se subdivide en m intervalos más cortos. El número de intervalos en
cada bit dependerá del número de comunicaciones que se pretendan transmitir sobre el
mismo medio. Cada comunicación tiene asignada una secuencia código concreta con m
dígitos, que servirá para codificar un 1 lógico. Cuando quiera transmitir un 1 envía esta
secuencia y cuando quiera transmitir un 0 envía la secuencia complementaria. Estas
secuencias tienen la particularidad de ser ortogonales en pares. Así que el producto
escalar normalizado de dos secuencias distintas de chips siempre resultará 0.
Cuando se transmiten simultáneamente varias comunicaciones sus señales se suman
linealmente. Para recuperar información de una comunicación en concreto el receptor
debe conocer la secuencia de chips de su interlocutor. El receptor calcula el producto
escalar normalizado de la secuencia de chips recibida, que será la superposición de
todas las transmitidas, con la secuencia código del transmisor. Esto, por la propiedad de
linealidad, equivale a realizar el producto de cada secuencia transmitida por separado y
luego sumar los resultados. Si se realizara por separado el producto de la secuencia de
cada comunicación con la secuencia código daría 0 en todos los casos en los que no
coincidieran ambas. Por tanto si el resultado del producto escalar que realiza el receptor
es 0 se transmitió un 0, si el resultado es 1 se transmitió un 1.
Para conseguir que este método funcione bien lo primero será conseguir una
correcta sincronización de las transmisiones involucradas. Habrá también que limitar los
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efectos del ruido, por ejemplo utilizando secuencias de chips suficientemente largas y
usando códigos correctores de errores. Por último, señalar que los niveles de potencia
recibidos de todas las comunicaciones deben ser iguales. Esta potencia dependerá de la
distancia entre emisor y receptor. Si se utiliza CDMA en el enlace radio de una red de
telefonía móvil, el móvil tendrá que modificar la potencia con la que emite en función
de la distancia que lo separa de la estación base.
1.5
Multiplexión estadística por división de tiempo
Con esta técnica se trata de aprovechar los tiempos muertos de transmisión en las
líneas de comunicación. Utilizando la multiplexión por división de tiempo tradicional se
desperdicia tiempo de transmisión cuando algún terminal está inactivo, pues esa parte
de la trama sigue reservada a ese canal y sin embargo no contendrá información. Este
inconveniente se resuelve al utilizar multiplexión estadística, dado que en los tiempos
libres se envían muestras de otros terminales que sí se encuentran activos. Los
intervalos de tiempo, por tanto, son asignados ahora en forma dinámica y según la
demanda de los usuarios y no de forma estática como en la multiplexión por división de
tiempo tradicional.
La rápida evolución de la tecnología, sobretodo los avances en microprocesadores,
permiten ejecutar una serie de funciones adicionales que mejoran las técnicas de
multiplexión. Por ejemplo ahora es fácil realizar operaciones como:
•
Asignar tiempos de transmisión solamente a terminales activos, lo que implica que
la trama que se forme será ahora distinta cada vez.
•
Incluir mecanismos para la detección y corrección de errores.
•
Otras muchas funciones adicionales, teniendo siempre en cuenta que los
multiplexores deben ser transparentes respecto a los datos que encauzan.
Se denominan multiplexores estadísticos porque a los terminales se les asigna un
tiempo de transmisión en el canal según una base estadística y no igual, por tanto, para
cada terminal. Esta base estadística se determinará en función de la actividad que en
cada momento tienen los terminales. Mientras que con multiplexión de tiempo las
tramas son rígidas y siempre iguales (asignando intervalos de tiempo de transmisión a
cada subcanal en todas las tramas, aunque no haya actividad en alguno) con la
multiplexión estadística los intervalos dentro de la trama se adjudican en función de la
demanda. Las tramas formadas son ahora distintas ya que los intervalos no pertenecen
en exclusiva a un canal en todas las tramas. Se aprovechan así todos los segmentos de
transmisión y además se obtiene una reducción del número de caracteres de
sincronismo, siempre que se utilicen tramas suficientemente largas (varias veces las
que se usan en la multiplexión tradicional).
La multiplexión estadística también se denomina multiplexión asíncrona (ATDM)
debido a que se asignan los espacios de tiempo disponibles en las tramas en función de
la demanda y en forma dinámica y la información de un mismo canal no se envían a la
línea de transmisión con periodicidad fija, como puede observarse en la figura 5 (no
debe interpretarse que la transmisión sea asíncrona). Esta multiplexión es más eficiente
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Principios de Transmisión (III)
en el uso de los canales de comunicación ya que se asignan los recursos del canal
conforme a las necesidades de cada estación. Sin embargo la administración de
asignación de ranuras es más complicada.
2
1
C bps
1
C bps
3
2
1
MUX
2
3
1
1
2
1
1
C bps
tiempo
0 +4∆
2
2
1
0 +3∆ 0 +2∆
0 +∆
C *2 bps
0
C bps
tiempo
0 +4∆
0 +3∆
0 +2∆
0 +∆
0
Fig. 5: Multiplexión estadística
Se observa que el número de ranuras de tiempo que el multiplexor tiene en la trama
suele ser menor que el número de terminales a la entrada del medio a compartir. Esto es
así porque se cuenta con que no todos los terminales van a transmitir al mismo tiempo.
Pero si en un momento determinado todos los equipos quieren enviar simultáneamente
datos alguno deberá esperar. Así los datos a enviar deben almacenarse temporalmente
en un buffer o memoria tampón. Continuando con la analogía del conmutador rotativo,
el multiplexor sondeará estas memorias y armará la trama con los datos almacenados en
ellas. Si la cantidad de memorias con datos a enviar fuese menor que el número de
ranuras todos los datos que están en ellas son transmitidas. Si fuera mayor se toman los
datos hasta que se llena y el resto queda para la siguiente trama. La eficiencia de estos
equipos se basa en que no todos transmitirán al mismo tiempo, con lo que no tendrán
que esperar demasiado tiempo en esta memoria y al mismo tiempo se evitan los tiempos
muertos de transmisión durante los periodos de inactividad. Esta técnica de
multiplexión se emplea ampliamente en redes de datos, ya que es la que mejor
aprovecha la capacidad del canal, aunque tiene ciertos inconvenientes si el tráfico de los
canales que comparten el mismo medio físico es elevado en todos ellos.
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2.
Panorámica de las telecomunicaciones
JERARQUÍA DIGITAL PLESIÓCRONA (PDH)
Cuando el modo de operación es plesiócrono no existe una red de sincronismo entre
los nodos pero sí que se ajustan todos para trabajar con un reloj muy próximo a la
frecuencia nominal. Sin embargo la frecuencia instantánea puede tener ligeras
variaciones respecto a esta frecuencia nominal. La jerarquía digital plesiócrona está
basada en este modo de operación y se utiliza tradicionalmente en redes de telefonía
para que varios canales telefónicos compartan un medio de transmisión utilizando
técnicas de multiplexión por división en el tiempo. La estructura de las tramas de nivel
físico que se forman para lograr esta multiplexión va a permitir una pequeña variación
(siempre dentro determinados márgenes) de la frecuencia instantánea a la que trabaja
cada nodo respecto a la nominal.
En esta jerarquía de multiplexión el número de canales de un orden es siempre
múltiplo entero del número de canales en el nivel anterior, sin embargo no ocurre lo
mismo con los regímenes binarios medidos en Mbps. La razón radica en que al pasar de
un nivel a otro es necesario agregar información de control que es para uso exclusivo
del nivel siguiente. De esta forma los relojes usados en un nivel son independientes de
los usados en otros niveles. Esto obliga a que para acceder a un canal en concreto sea
necesario ir deshaciendo todas las multiplexiones realizadas, recuperando las tramas de
cada nivel, hasta llegar de nuevo al grupo básico, donde ya se puede identificar la
información de interés.
En este apartado se presentará primero una visión general de la multiplexión en
PDH, a continuación se presenta la trama de primer nivel y por último las tramas del
resto de niveles.
2.1
Las jerarquías europea, americana y japonesa
PDH está basado en canales de 64Kbps. En cada nivel de la jerarquía PDH se va
aumentando el número de canales multiplexados sobre el medio físico, de manera que el
formato de trama es distinto en cada nivel e incluso varía la duración de cada una. En
una trama además de los canales de 64Kbps se transporta información de control, que se
va añadiendo cada vez que se aumenta de nivel. De este modo el número de canales de
información de 64Kbps siempre es múltiplo del número de canales del nivel inferior
pero no ocurre lo mismo con el régimen binario. Existen tres jerarquías PDH, la
Europea, la Americana y la Japonesa. La primera, mostrada en la figura 6,utiliza la
trama descrita en la norma G.732 de la ITU-T como trama de primer orden. En la norma
europea cada nivel de multiplexión se denomina E1, E2… que significa estándar
europeo. Los sistemas E5 y E6 son propietarios, ya que no se encuentran normalizados
y cada fabricante puede implementarlos como quiera.
En las normas Americana y japonesa cada grupo u orden se denomina T1, T2… El
nivel básico utilizado es ahora el dado en la recomendación G.733, estas jerarquías se
muestran en las figuras 7 y 8 respectivamente.
Redes y Servicios
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Panorámica de las telecomunicaciones 13
Principios de Transmisión (III)
c1
E2= 8,448 Mb/s
E3= 34 Mb/s
E4= 140 Mb/s
480 canales a
64Kb/s
Quinario
120 canales a
64Kb/s
Cuaternario
30 canales a
64Kb/s
Terciario
c30
E1=2,048 Mb/s
Secundario
c3
Primario
c2
E5= 560 Mb/s
1920 canales a
64Kb/s
7680 canales a
64Kb/s
Fig. 6: Jerarquía PDH europea.
Cargas de orden inferior
Nivel
Circuitos
Velocidad
T1
24
1,544 Mbps
T2
96
6,312 Mbps
4
T3
672
44,736 Mbps
7
T4
2016
139,264 Mbps
3
Fig.7:Jerarquía Americana.
Nivel
Circuitos
Velocidad
T1
24
1,544 Mbps
Cargas de orden inferior
T2
96
6,312 Mbps
4
T3
480
32,064 Mbps
5
T4
1440
97,728 Mbps
3
Fig.8:Jerarquía Japonesa.
A los flujos de entrada a un multiplexor se les suele conocer como afluentes,
tributarios o cargas del múltiplex de orden superior.
2.1.1
El primer nivel en la jerarquía europea
La trama E1, la de primer nivel de la jerarquía PDH europea, se describe en la
norma G.732 de la ITU-T. Se forma a partir de 30 canales analógicos vocales,
típicamente en la central local donde se encuentra un equipo denominado multiplex
MIC que realiza dos tareas: La modulación por impulsos codificados y la multiplexión
de los 30 canales digitalizados, tal y como indica la figura 9.
Redes y Servicios
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Principios de transmisión (III)
Panorámica de las telecomunicaciones
1
125µs
C = 64 Kb/s
2
3,9µs
C = 64 Kb/s
MUX
MIC
Primario
I1
30
C = 64 Kb/s
I3
I16
Alineación de
trama
29
C = 64 Kb/s
I2
I29
I32
Señalización
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
*
0
0
1
1
0
1
1
*
1
X
*
*
*
*
*
Tramas
alternas
Fig.9: Formación de la trama E1
Para la digitalización de cada canal utiliza una frecuencia de muestreo de 8KHz, es
decir un periodo de muestreo de 125µs. Cada muestra se codifica con 8 bits por lo que
el régimen binario resultante para un canal vocal es de 64Kbps. Se utiliza una
cuantización no uniforme basada en la ley de compresión A.
Para la multiplexión de los 30 canales digitales se monta una trama en la que se va a
enviar una muestra de cada uno de los canales, la multiplexión se realiza octeto a octeto,
como se aprecia en la figura 16. De modo que para mantener el régimen binario de
64Kbps por canal la duración de la trama necesariamente será 125µs. Además de la
información de los canales se añade información de control e información de
señalización. El primer intervalo de tiempo de la trama se utiliza para tareas como la
alineación de trama y control de alarmas.. El intervalo de tiempo 16 se utiliza para
enviar la información de señalización. De manera que en total se necesitan 32 intervalos
de tiempo de 8 bits, 30 para canales vocales, uno para tareas de control y otro para
señalización, lo que da un régimen binario del flujo resultante tras la multiplexión 2048
Kb/s. Por eso los enlaces E1 se denominan comúnmente enlaces de 2 Megas, se
transmite/recibe un flujo continuo de 2´048Mbps.
2.1.2
El primer nivel en las jerarquías americana y japonesa
La trama T1, la de primer nivel de las jerarquías americana y japonesa, se describe
en la norma G.733 de la ITU-T. Se forma a partir de 24 canales analógicos vocales. En
este caso el multiplex MIC utiliza también una frecuencia de muestreo de 8KHz para
cada canal, igual que en Europa. Sin embargo cada muestra es de 7 bits aunque se añade
un bit más para señalización. La cuantificación es también no uniforme pero se utiliza la
Ley µ para la compresión. La trama tiene también una duración de 125µs y a parte de
los 24 intervalos de tiempo de 8 bits (uno para cada canal vocal) se añade un bit más
para tareas de alineación y control, de este modo el régimen binario resultante en la
línea es de 1544Kbps. Si es necesario hacer una conexión entre redes que utilizan
distinta trama básica la adaptación ha de ser de la G.733 a la G.732.
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Principios de Transmisión (III)
Redes y Servicios
Panorámica de las telecomunicaciones 15
1º Ingeniero Electrónico
16
Principios de transmisión (III)
3.
JERARQUÍA DIGITAL SÍNCRONA (SDH)
3.1
Introducción
Panorámica de las telecomunicaciones
La jerarquía digital síncrona viene descrita en la recomendación G.707 de la UIT-T.
En esta jerarquía se utiliza la misma base de tiempo para todos niveles. Además la
deriva en frecuencia de los relojes del sistema está muy limitada, gracias a la utilización
de redes de sincronismo superpuestas que transmiten información de sincronización.
Esto facilita algunas tareas, como la extracción e inserción de afluentes en tramas de
niveles altos. En esta jerarquía para recuperar una carga en concreto no es necesario
deshacer todas las multiplexiones realizadas, alineándose a la trama de cada nivel, ya
que se conoce la posición en la que se encuentra esta información, gracias a la
utilización de punteros, y se puede acceder directamente a ella. Todas las tramas tienen
la misma duración, 125µs, al contrario que ocurría en la jerarquía plesiócrona. SDH
puede transportar cargas de cualquier tipo: flujos PDH, desde el nivel más bajo al más
alto, flujos ATM, señales de TV…
Otra ventaja de la jerarquía síncrona frente a la plesiócrona es el hecho de que la
capacidad adicional, o tara, dentro de las tramas permite transportar canales de servicio
de gran capacidad. Estos canales se pueden usar para transportar cualquier tipo de
información que pudiera ser útil a la red, por ejemplo para tareas de señalización o de
mantenimiento y gestión de red.
3.2
Multiplexado
La trama básica se denomina STM-1 y su velocidad es de 155,52 Mbps. Esta señal
básica puede transportar distintos tipos de señales, como se expuso anteriormente.
Existen tramas de mayor nivel, que se forman con la multiplexión, octeto a octeto, de N
tramas básicas, sin incorporar ninguna información adicional, estas tramas se
denominan STM-N. La duración de todas las tramas es 125µs y la longitud depende del
nivel (N) y será 270 x 9 x N octetos. A continuación se explica, muy brevemente, la
formación de la trama básica en SDH.
Dentro de la STM-1 existe un espacio de carga, siempre del mismo tamaño (261x9
octetos), reservado para transportar los afluentes que viajan en la trama, que como ya se
ha comentado, pueden ser de muy diversa naturaleza. La formación de la STM-1 variará
en función de las cargas que se pretende transmitir. Cada flujo se acomoda dentro de un
contenedor virtual, cuyo tamaño dependerá del tipo de carga. Así, para cargas PDH de
tipo E4 o T3 los contenedores virtuales se denominan VC-4 y VC-3 respectivamente,
éstos son los contenedores virtuales de orden alto. Los demás contenedores se
denominan de orden bajo y acomodan flujos más lentos, como E1, en el VC-12. A partir
de los contenedores de orden bajo se forman unidades tributarias (TU), simplemente
añadiendo un puntero que identifica en qué posición se encuentra el contenedor virtual.
Redes y Servicios
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Panorámica de las telecomunicaciones 17
Principios de Transmisión (III)
Multiplexando, octeto a octeto, distintas TU y sin añadir ninguna información adicional,
se obtienen los grupos de unidades tributarias (TUG). Estas TUG se acomodan dentro
de contenedores virtuales de orden alto. Si a los contenedores de orden alto se les añade
un puntero, que identifica dónde comienza el contenedor virtual dentro del espacio de
carga, se forma la denominada unidad administrativa. Multiplexando diversas unidades
administrativas se forma un grupo de unidades administrativas y añadiendo las
cabeceras necesarias se obtiene el STM-1. La figura 10 está extraída de la norma y
refleja el proceso explicado.
xN
x1
AUG
STM-N
AU-4
VC-4
C-4
x3
T4
x1
TUG-3
x3
AU-3
TU-3
VC-3
VC-3
C-3
x7
E4
E3
T3
x7
x1
Procesamiento del puntero
TUG-2
TU-2
VC-2
C-2
T2
TU-12
VC-12
C-12
E1
TU-11
VC-11
C-11
T1
Multiplexión
x3
Alineación
Correspondencia
x4
Fig. 10: Formación de una trama en SDH
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4.
Principios de transmisión (III)
Panorámica de las telecomunicaciones
PDH V.S. SDH
La tabla de la figura 11 presenta un resumen, a modo de comparación, de las
características de ambas jerarquías.
PDH
SDH
Entramado
Octeto a octeto en el nivel Octeto a octeto en todos los
básico. Bit a bit en los niveles.
posteriores.
Duración de la trama
Distinta en cada nivel
125µs en todos los niveles
Recuperación de carga
Alineándose a la trama de
cada nivel y deshaciendo la
multiplexión hasta llegar a
la carga.
Identificando la posición de
la carga, gracias a los
punteros.
Inserción
y
extracción
rápida
de
tributarios.
Canales de servicio
Baja capacidad de los
canales de servicio. Se
forman multitramas para
utilizar los bits de reserva.
Canales de servicio de gran
capacidad.
Útiles
para
labores de mantenimiento y
gestión de red.
Interfaces normalizados
Sólo los eléctricos.
Se
definen
interfaces
ópticos
para
altas
velocidades.
Capacidad de transporte de
carga
Limitada.
Muy variada , manejo muy
flexible de capacidades
diversas: PDH, ATM, TV
Usado preferentemente en
enlaces
Internacionales
Nacionales
Fig. 11: Comparativa PDH-SDH
Redes y Servicios
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