Комутація каналів на основі розподілу часу

Комутація на основі техніки розподілу частот розроблялася в розрахунку на передачу безперервних сигналів, що представляють голос. При переході до цифрової форми представлення голосу була розроблена нова техніка мультиплексування, що орієнтується на дискретний характер переданих даних.

Ця техніка зветься мультиплексування (доступу, розподілу) з розподілом часу (Time Division Multiplexing, TDM, Time Division Multiple Access, TDMА). Рідше використовується й інша її назва – техніка синхронного режиму передачі (Synchronous Transfer Mode, STM). Рисунки 6, 7 пояснюють принципи комутації каналів на основі техніки TDM.

Рис. 6. Принцип комутації каналів на основі техніки TDM

Каналоутворююча апаратура TDM-мереж − мультиплексори, комутатори, демультиплексори працює в режимі розподілу часу, по черзі обслуговуючи протягом циклу своєї роботи всі абонентські канали. Тривалість стандартного часового інтервалу для одного каналу (цикл роботи) устаткування TDM дорівнює 125 мкс, що відповідає тривалості проходження вимірів голосу в цифровому абонентському каналі (8 КГц). Це означає, що мультиплексор або комутатор устигає вчасно за 125 мкс обслужити будь-який абонентський канал і передати його черговий вимір далі по мережі. Кожному з’єднанню виділяється один квант часу циклу роботи апаратури, називаний також тайм-слотом. Тривалість тайм-слоту (у цьому випадку 125/N мкс) залежить від числа абонентських каналів N, що обслуговуються мультиплексором TDM або комутатором.

Рис. 7. Комутація на основі розподілу каналу в часі

Мультиплексор приймає інформацію з N вхідних каналів від кінцевих абонентів, кожний з яких передає дані по абонентському каналу. У кожнім циклі мультиплексор виконує наступні дії:

прийом від кожного каналу чергового тайм − слоту даних;

складання з прийнятих тайм − слотів ущільненого повідомлення, званого також обоймою;

передача ущільненого повідомлення на вихідний канал.

Порядок тайм − слотів в обоймі відповідає номеру вхідного каналу, від якого цей байт отриманий. Кількість абонентських каналів, що обслуговуються мультиплексором, залежить від його швидкодії. Наприклад, мультиплексор Т1, що представляє собою перший промисловий мультиплексор, який працював за технологією TDM, підтримує 24 вхідних абонентських каналу, створюючи на виході обойми стандарту Т1, передані з бітовою швидкістю 1,544 Мбіт/с.

Демультиплексор виконує зворотну задачу − він розбирає тайм − слоти ущільненого повідомлення і розподіляє них по своїм декількох вихідний каналам, при цьому він вважає, що порядковий номер тайм − слоту в обоймі відповідає номерові вихідного каналу.

Комутатор приймає ущільнений кадр по швидкісному каналі від мультиплексора і записує кожен тайм − слот із нього в окремий порції своєї буферної пам’яті, причому в тім порядку, у якому ці тайм − слоти були упаковані в ущільнений кадр. Для виконання операції комутації тайм − слоти витягаються з буферної пам’яті не в порядку надходження, а в такому порядку, що відповідає підтримуваним у мережі з’єднанням абонентів. Так, наприклад, якщо перший абонент лівої частини мережі рис. 4 повинний з’єднатися з другим абонентом у правій частині мережі, то тайм − слот, записаний у перший порція буферної пам’яті, буде витягатися з неї другим. “Перемішуючи” потрібним образом тайм − слоти в обоймі, комутатор забезпечує з’єднання кінцевих абонентів у мережі.

Один раз виділений номер тайм-слоту залишається в розпорядженні з’єднання “вхідний канал-вихідний слот” протягом усього часу існування цього з’єднання, навіть якщо перецей трафік є пульсуючим і не завжди потребує захоплення декількох тайм-слотів. Це означає, що з’єднання в мережі TDM завжди має відому і фіксовану пропускну здатністю, яка є кратною 64 Кбіт/с.

Робота устаткування TDM нагадує роботу мереж з комутацією пакетів, тому що кожен тайм-слот даних можна вважати деяким елементарним пакетом. Однак, на відміну від пакета комп’ютерної мережі, “пакет” мережі TDM не має індивідуальної адреси. Його адресою є порядковий номер в обоймі або номер виділеного тайм-слоту в мультиплексорі або комутаторі. Мережі, що використовують техніку TDM, потребують синхронної роботи всього устаткування, що і визначило другу назву цієї техніки – синхронний режим передач (STM). Порушення синхронності руйнує необхідну комутацію абонентів, тому що при цьому губіться адресна інформація. Тому перерозподіл тайм-слотів між різними каналами в устаткуванні TDM неможливий, навіть якщо в якомусь циклі роботи мультиплексора тайм-слот одного з каналів виявляється надлишковим, тому що на вході цього каналу в цей момент немає даних для передачі (наприклад, абонент телефонної мережі мовчить).

Існує модифікація техніки TDM, називана статистичним розподілом каналу в часі (Statistical TDM, STDM). Ця техніка розроблена спеціально для того, щоб за допомогою тимчасово вільних тайм-слотів одного каналу можна було збільшити пропускну здатність інших. Для рішення цієї задачі кожен тайм − слот даних доповнюється полем адреси невеликої довжини, наприклад у 4 або 5 біт, що дозволяє мультиплексувати 16 або 32 канали. Однак техніка STDM не знайшла широкого застосування і використовується в основному в нестандартному устаткуванні підключення терміналів до майнфреймів. Розвитком ідей статистичного мультиплексування стала технологія асинхронного режиму передачі − АТМ, що увібрала в себе кращі риси техніки комутації каналів і пакетів.

Мережі TDM можуть підтримувати або режим динамічної комутації, або режим постійної комутації, а іноді й обидва ці режиму. Так, наприклад, основним режимом цифрових телефонних мереж, що працюють на основі технології TDM, є динамічна комутація, але вони підтримують також і постійну комутацію, надаючи своїм абонентам службу виділених каналів.

Існує апаратура, що підтримує тільки режим постійної комутації. До неї відноситься устаткування типу Т1/Е1, а також високошвидкісне устаткування SDH. Таке устаткування використовується для побудови первинних мереж, основною функцією яких є створення виділених каналів між комутаторами, що підтримують динамічну комутацію.

Можна запропонувати для використання і більш складні схеми мультиплексування, наприклад, шляхом поєднання частотного та часового (рис. 6).

Рис. 8. Принцип комутації каналів на основі технік FDM та TDM

Сьогодні практично всі дані − голос, зображення, комп’ютерні дані передаються в цифровій формі. Тому виділені канали TDM-технології, що забезпечують нижній рівень для передачі цифрових даних, є універсальними каналами для побудови мереж будь-якого типу: телефонних, телевізійних і комп’ютерних.