Bài giảng Kỹ thuật truyền số liệu - Chương 6 Phân hợp kênh

BK TP.HCM 2008 dce Chương 6 Phân hợp kênh  Ghép/tách kênh theo tần số  Ghép/tách kênh đồng bộ theo thời gian  Ghép/tách kênh thống kê theo thời gian  Đường thuê bao số không đối xứng  xDSL 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 2Data Communication and Computer Networks Multiplexer Mu lti pl ex er D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 r s0 s1 s2 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 3Data Communication and Computer Networks Phân hợp kênh • Nhiều đường kết nối (link) trên một dây vật lý (physical line) • Thường dùng trong các đường kết nối xa, dung lượng lớn (cáp quang, coxial, vi ba) 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 4Data Communication and Computer Networks Tại sao cần phân hợp kênh? • Tốc độ truyền dữ liệu càng cao thì việc sử dụng đường truyền càng hiệu quả – Giá thành cho một kênh truyền giảm – Giá thành đầu tư đường truyền tính trên 1kps giảm • Hầu hết các thiết bị cá nhân không đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu cao – Các máy tính lướt web chỉ cần tốc độ 64kbps – Các kênh truyền thoại không đòi hỏi băng thông truyền cao 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 5Data Communication and Computer Networks Phương pháp phân hợp kênh Thời gian B ăn g th ôn g 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 6Data Communication and Computer Networks Dồn kênh theo tần số • Frequency Devision Multiplexing (FDM) 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 7Data Communication and Computer Networks FDM • Thường được dùng với tín hiệu tương tự • Nhiều tín hiệu giống nhau được truyền đồng thời trên cùng môi trường truyền bằng cách điều chế mỗi tín hiệu vào một khoảng tần số khác nhau • Điều kiện: – Băng thông môi trường truyền lớn hơn băng thông mà tín hiệu được truyền yêu cầu – Băng thông của các tín hiệu sau khi điều chế không trùng lấp nhau nhiều (guard bands) • Kênh truyền được cấp phát tĩnh 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 8Data Communication and Computer Networks Hoạt động của hệ thống 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 9Data Communication and Computer Networks Hoạt động của hệ thống 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 10Data Communication and Computer Networks Ví dụ FDM của 3 kênh thoại 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 11Data Communication and Computer Networks Các vấn đề trong FDM • Băng thông đường truyền lớn hơn tổng băng thông các kênh • Nhiễu crosstalk – Phổ của các tín hiệu thành phần bị trùng lắp lên nhau nhiều – Với tín hiệu thoại, 1 kênh chỉ cần băng thông 4kHz • Nhiễu điều chế – Các thiết bị khuếch đại không tốt tạo nên các thành phần tần số lạ trên các kênh 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 12Data Communication and Computer Networks FDM trong thực tế - Mạng AT&T 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 13Data Communication and Computer Networks Phân kênh theo bước sóng (WDM) • Một dạng của FDM • Nhiều chùm ánh sáng với tần số (bước sóng – màu sắc) khác nhau • Mỗi tần số truyền các kênh dữ liệu khác nhau • Được dùng để truyền dữ liệu trong cáp quang – Hệ thống thương mại hiện tại có 160 kênh, mỗi kênh 10 Gbps – Hệ thống trong phòng thí nghiệm đạt 256 kênh, mỗi kênh 39.8 Gbps 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 14Data Communication and Computer Networks Hoạt động của WDM • Cùng kiến trúc tổng quát như FDM • Nguồn sáng tạo ra các chùm laser với tần số khác nhau • Nhiều chùm sáng kết hợp với nhau để lan truyền trên cùng một đường cáp quang • Phân kênh tại đích đến • Dense wavelength division multiplexing (DWDM) – Chưa có định nghĩa chính thức (chưa được chuẩn hóa) – Thường dùng khi có nhiều kênh và các kênh sát nhau hơn so với WDM – Khoảng cách kênh là 200 GHz hoặc nhỏ hơn thường được gọi là DWDM 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 15Data Communication and Computer Networks Synchronous Time Division Multiplexing • Phương pháp này chỉ hiện thực được khi tốc độ dữ liệu (băng thông,) môi trường truyền lớn hơn tốc độ dữ liệu mà tín hiệu được truyền yêu cầu • Nhiều tín hiệu số có thể được truyền đồng thời trên cùng một đường truyền bằng cách đan xen các phần của mỗi tín hiệu theo thời gian (time slot) • Dữ liệu xen kẽ có thể ở mức độ bit, block nhiều byte 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 16Data Communication and Computer Networks Hoạt động của STDM 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 17Data Communication and Computer Networks Ví dụ về hoạt động của STDM 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 18Data Communication and Computer Networks Đặc điểm của STDM • Dữ liệu được truyền thành những frame có cấu trúc giống nhau • Mỗi frame gồm một tập các khe thời gian (time slot) • Mỗi nguồn dữ liệu được truyền trong một hoặc một số time slot trong mỗi frame • Chuỗi time slot trong các frame cấp cho một nguồn dữ liệu gọi là kênh (channel) • Time slot được gán trước cho mỗi nguồn và không thay đổi – vì vậy gọi là đồng bộ (Synchronous) • Time slot có thể được gán không đồng đều giữa các nguồn dữ liệu tốc độ khác nhau – Nguồn phát có tốc độ cao sẽ được gán nhiều timeslot hơn 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 19Data Communication and Computer Networks Điều khiển liên kết trong TDM • Các frame TDM không có header và trailer • Không cần điều khiển ở lớp datalink cho các frame của TDM • Điều khiển dòng – Tốc độ dữ liệu của đường truyền phân/hợp được cố định và các bộ phân/hợp kênh hoạt động ở tốc độ đó – Nếu có một kênh không thể nhận dữ liệu, các kênh khác vẫn tiếp tục • Điều khiển lỗi – Lỗi được phát hiện và xử lý bởi từng kênh riêng biệt 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 20Data Communication and Computer Networks Ví dụ về điều khiển liên kết trong TDM 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 21Data Communication and Computer Networks Framing • Điều khiển liên kết không cần thiết trong TDM • Tuy nhiên – Không có cờ (flag) hoặc các ký tự SYNC để phân biệt các khung TDM – Nếu mất đồng bộ các frame, dữ liệu trên tất cả các kênh sẽ mất  Phải có cơ chế đồng bộ khung • Cơ chế added-digit framing – Một bit điều khiển được thêm vào mỗi khung TDM – Các bit điều khiển này tạo thành một kênh khác – “kênh điều khiển” – Dùng mẫu bit định dạng trên kênh điều khiển. Vd mẫu 01010101 – Đầu nhận so sánh mẫu bit định dạng với các bit nhận được trên kênh điều khiển 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 22Data Communication and Computer Networks Pulse stuffing • Vấn đề: tốc độ dữ liệu của các nguồn dữ liệu khác nhau không quan hệ theo một tỉ lệ đơn giản • Giải pháp – Pulse Stuffing – Tốc độ dữ liệu đầu ra (không tính các bit khung) cao hơn tổng các tốc độ đầu vào – Chèn thêm các bit/xung không có ý nghĩa vào tín hiệu đầu vào để làm tăng tốc độ bit của nguồn – Các bit/xung được thêm vào tại những vị trí cố định và sẽ bị loại bỏ khi đến bộ phân kênh 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 23Data Communication and Computer Networks Ví dụ 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 24Data Communication and Computer Networks Hệ thống TDM thực tế • Sử dụng cấu trúc TDM phân cấp – USA/Canada/Japan dùng một hệ thống – ITU-T (châu Âu) dùng một hệ thống khác tương tự • Hệ thống Mỹ xây dựng dựa trên định dạng DS-1 – Có thể truyền dữ liệu và thoại – Gồm 24 kênh, tốc độ dữ liệu 1.544 Mbps – Mỗi khung có 8 bit/kênh và 1 bit đồng bộ khung – Có thể gộp nhiều đường DS-1 thành đường tốc độ cao hơn (DS-2 tốc độ 6.312 Mbps) 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 25Data Communication and Computer Networks Định dạng DS-1 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 26Data Communication and Computer Networks Cấu trúc phân cấp TDM 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 27Data Communication and Computer Networks SONET / SDH • Dùng trong mạng cáp quang đồng bộ • Được chuẩn hóa bởi ANSI (SONET) và ITU-T (SDH) • Kiến trúc phân cấp – Đường truyền cấp 1 (STS-1) tốc độ 51.84Mbps – Có thể truyền DS-3 hoặc một nhóm các đường truyền tố độ thấp hơn (DS-1, DS-2) – Dồn nhiều kênh STS-1 thành STS-n – Chuẩn hóa ITU-T thì tốc độ thấp nhất của STS-1 là 155.52Mbps 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 28Data Communication and Computer Networks Cấu trúc của frame SONET 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 29Data Communication and Computer Networks TDM bất đồng bộ • Xét ví dụ 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 30Data Communication and Computer Networks TDM bất đồng bộ (Statistical TDM) • Trong TDM đồng bộ, nhiều slot có thể bị bỏ trống (khi kênh không có dữ liệu để truyền) – Số slot trong một frame = số kênh đầu vào • TDM bất đồng bộ cấp phát time slot động, tùy theo nhu cầu – Số slot trong một frame < số kênh đầu vào – Cùng một dung lượng đường truyền có thể hỗ trợ nhiều nguồn phát hơn TDM đồng bộ • Bộ phân hợp kênh quét các đường nhập và tập hợp dữ liệu cho đến khi đầy khung • Đặc điểm – Tốc độ dữ liệu ra thấp hơn tổng tốc độ các đường vào gộp lại – Cần phải có địa chỉ nơi nhận  overhead – Tại các thời điểm tất cả các nguồn đều hoạt động • Vượt quá dung lượng đường truyền • Buffer đệm dữ liệu dư • Trade off giữa buffer và dung lượng đường truyền 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 31Data Communication and Computer Networks Định dạng khung TDM bất đồng bộ 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 32Data Communication and Computer Networks Cable modem • Hai kênh truyền từ nhà cung cấp TV cáp được dành để truyền dữ liệu – Mỗi kênh cho một chiều dữ liệu • Mỗi kênh được chia sẻ cho nhiều thuê bao – Cần phải có cơ chế cấp phát dung lượng kênh cho mỗi thuê bao – Statistical TDM • Downstream – Dữ liệu được truyền ở dạng các gói nhỏ – Nếu có nhiều thuê bao cùng hoạt động, mỗi thuê bao chỉ chiếm một phần trong tổng dung lượng của kênh truyền – Dung lượng kênh truyền của mỗi thuê bao khoảng 500kbs đến 1.5 Mbps – Downstream còn được dùng để cấp phát timeslot cho upstream • Upstream – Người dùng yêu cầu cấp phát timeslot trên upstream khi có nhu cầu gửi dữ liệu đi – Timeslot được bộ định thời gán cho mỗi người dùng 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 33Data Communication and Computer Networks Hoạt động của cable modem 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 34Data Communication and Computer Networks ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) • Vấn đề khi xây dựng hệ thống mạng WAN – Đường nối từ thuê bao đến mạng (digital subscriber line) quá nhiều – Tận dụng đường dây điện thoại có sẵn • Tín hiệu thoại có băng thông 4 kHz • Cáp xoắn có băng thông > 1MHz • ADSL – Downstream có dung lượng lớn hơn upstream (asymetric) – FDM • 25 kHz thấp nhất dành cho tín hiệu thoại • Dùng FDM hoặc echo cancellation để chia thành 2 băng upstream và downstream • Dùng FDM trong mỗi băng – Tầm xa 5.5km 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 35Data Communication and Computer Networks Cấu hình ADSL 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 36Data Communication and Computer Networks Discrete Multitone (DMT) • Dùng nhiều sóng mang với các tần số khác nhau • Upstream và downstream được chia thành nhiều kênh nhỏ có băng thông 4kHz • Ban đầu DMT modem gửi tín hiệu test trên mỗi kênh để xem kênh nào có SNR tốt hơn • Kênh có SNR tốt sẽ được dùng truyền nhiều dữ liệu hơn • Hệ thống ADSL hiện tại dùng 256 kênh con, tốc độ đạt 1.5 – 9 Mbps 2008 dce ©2008, Dr. Dinh Duc Anh Vu 37Data Communication and Computer Networks xDSL • High data rate DSL (HDSL) – Thay thế cho T1: AMI, 1.5MHz, 1km – 2B1Q (2 twisted pairs), 2MHz, 3.7km • Single line DSL – 2BQ1, 1 twisted pair • Very high data rate DSL – POTS: 0 - 4 kHz – ISDN: 4 - 80 kHz – Upstream: 300 – 700 kHz – Downstream: >= 1 MHz