مولتی پلکسینگ چیست؟

مولتی پلکسینگ چیست؟ Multiplexing چه ویژگی‌های دارد؟– آموزش شبکه درس 16

مولتی پلکسینگ چیست؟

مولتی پلکسینگ (Multiplexing) تکنیکی است که برای ترکیب و ارسال چند جریان داده بر روی یک رسانه انتقال مشترک به کار گرفته می‌شود. پردازش نحوه و چگونگی ترکیب این جریان‌های داده به عنوان «مولتی پلکسینگ» یا«تسهیم کردن» شناخته می‌شود و دیوایس سخت افزاری که نسبت به این کار اقدام می‌کند به عنوان «مولتی پلکسر (Mulitplexer)» یا «تسهیم کننده» شناخته می‌شود.

مولتی پلکسینگ با استفاده از دیوایس مولتی پلکسر (MUX) انجام می‌شود که می‌تواند چند خط ورودی را در یک خط خروجی با هم ترکیب کند. مولی پلکسینگ در واقع به روش چند به یک (Many to one) عمل می‌کند و می‌تواند خطوط ورودی را تبدیل به یک خط خروجی نماید.

دی مولتی پلکسینگ (Demultiplexing) روشی است که توسط دیوایسی به نام دی مولتی پلکسر (Demultiplexer) یا (DEMUX) انجام می‌شود و در انتهای مسیر دریافت انجام می‌شود. دستگاه دی مولتی پلکسر (DEMUX) وظیفه معکوس با مولتی پلکسر را در عهده دارد، آن یک خط ورودی را دریافت می‌کند و آن‌ها را تبدیل به یک جزء واحد می‌نماید (در اینجا یک خط ورودی و چند خط خروجی وجود دارد). به همین خاطر، ما می‌توانیم بگوئیم که دی مولتی پلکسینگ به روش یک به چند (One to many) عمل می‌کند.

چرا باید از مولتی پلکسینگ استفاده کرد؟

رسانه‌های انتقالی که برای ارسال پیام استفاده می‌کنیم، می‌توانند محدود باشند. برای مثال ممکن است که ما تنها یک خط انتقال داده در اختیار داشته باشیم.

اگر در اینجا چند سیگنال وجود داشته باشند که همگی باید بر روی یک رسانه انتقال پیدا کنند، در این صورت رسانه باید به نحوی بین آن‌ها توزیع شود که هر کدام از آن‌ها بتوانند بخشی از پهنای باند خودشان را به کار بگیرد. برای مثال، اگر در اینجا ده سیگنال وجود داشته باشد، و پهنای باند رسانه ما برابر با 100 واحد باشد، در این صورت 10 واحد از هر کدام از پهنای باید برای هر کدام از سیگنال‌های موجود اختصاص پیدا کند.

هنگامی که چندین سیگنال بر روی یک خط ارتباطی مشترک وارد می‌شوند، این ورود می‌تواند سبب تصادم شود، مولتی پلکسینگ در واقع راهی است که سبب می‌شود از این تصادم تا حد ممکن جلوگیری شود.

در عین حال به یاد داشته باشید که سرویس‌های انتقال دهنده پیام نیز بسیار گرانقیمت هستند و باید از آن‌ها در بهترین شکل ممکن استفاده شود.

تاریخچه استفاده از مولتی پلکسینگ

تکنیک مولتی پلکسینگ به صورت گسترده در مخابرات راه دور استفاده می‌شود. در اینجا چندین خط تلفن باید از طریق یک کابل مخابراتی به دنیای اطراف در ارتباط باشند.

مولتی پلکسینگ در ابتدای دهه 1870 و برای انتقال پیام‌های تلگرافی به کار گرفته شد و بعدها در ارتباطات پیشرفته‌تر به عنوان یک روش‌پذیرفته شده به کار گرفته شد.

جورج اون اسکویر (George Owen Squier) اولین خط تلفن مولتی پلکسینگ را در دهه 1910 توسعه داده است.

مفهوم مولتی پلکسینگ

در اینجا ما تعداد n خط ورودی را داریم که توسط یک مولتی پلکسر تبدیل به یک خط می‌شوند و سپس در انتهای مسیر توسط یک دی مولتی پلکسر آن‌ها جدا شده و تبدیل به چند خط خروجی می‌شوند.

مفهوم روشم مولتی پلکسینگ

مفهوم روشم مولتی پلکسینگ

در واقع مولتی پلکسر چند خط را تبدیل به یک خط و یا یک صف می‌کند و بر روی یک خط ارسال می‌کند، در انتهای مسیر رسانه انتقال دی مولتی پلکسر جریان سگینال ورودی را دریافت کرده و با تفکیک خطوط آن را تبدیل به چند خط داده می‌کند.

مزایای استفاده از مولتی پلکسینگ

  • با استفاده از این روش این امکان مهیا می‌شود که بتوانید بر روی یک رسانه انتقال چندین سگینال را انتقال دهیم.
  • پهنای باند رسانه انتقال ما می‌تواند به شکل کارآمدی مورد استفاده قرار گیرد.

تکنیک‌های مولتی پلکسینگ

تکنیک‌های مولتی پلکسینگ را می‌توانیم به صورت زیر دسته‌بندی کنیم:

  • تقسیم فرکانس (Frequency-division multiplexing)؛
  • تقسیم طول موج (Wavelength-division Multiplexing)؛
  • تقسیم طول زمان (Time division Multiplexing)؛

روش آخر (یعنی تقسیم طول زمان ) خود به دو زیر گروه:

  • همگام سازی تقسیم زمانی (Synchornous TDM)؛
  • غیرهمزمان سازی تقسیم زمانی (Asynchronous TDM)

تقسیم می‌شود.

روش های مختلف مولتی پلکسینگ

روش های مختلف مولتی پلکسینگ

مولتی پلکسینگ تقسیم فرکانس (Frequency-division Multiplexing) (FDM)

این تکنیک برگرفته ار زوش‌های انتقال آنالوگ است. روش مولتی پلکسینگ تکنیکی است که در آن پهنای باند یک رسانه انتقال به چندین کانال زیرمجموعه خود تقسیم می‌شود.

تقسیم فرکانس در روش مولتی پلکسینگ تقسیم فرکانسی

تقسیم فرکانس در روش مولتی پلکسینگ تقسیم فرکانسی

در دیاگرام بالا، یک رسانه انتقال به چند کانال فرکانسی تقسیم می‌شود و هر کدام از این کانال‌های فرکانسی می‌توانند به دیوایس‌های مختلفی نسبت داده شوند. دیوایس یک در این دیاگرام از طیف فرکانسی یک تا پنج را در اختیار دارد.

سیگنال‌های ورودی با استفاده از تکنیک‌های مدالاسیون (Modulation) تبدیل به باندهای فرکانسی می‌شوند و سپس ان‌ها به وسیله مولتی پلکسر تبدیل یک سگینال واحد می‌گردند.

اصلی‌ترین هدف استفاده از روش FDM آن است که بتوان پهنای باند در دسترس را به باندهای فرکانسی مختلف تقسیم کرد و هر کدام از آن‌ها را به دیوایس‌های مختلف اختصاص داد. با استفاده از تکنیک‌های مدالاسیون، سیگنال‌های ورودی به باندهای فرکانسی تبدیل می‌شوند و سپس همگی آن‌ها تبدیل به یک سیگنال مرکب می‌گردند.

محمل‌هائی که برای مدالایسه کردن سیگنال‌ها به کار می‌روند به عنوان «زیرمحمل (Sub-Carriers» شناخته می‌شوند و به صورت f1، f2، f3 و … نشان داده می‌شوند.

FDM اساساً برای انتشار امواج شبکه‌های تلویزیونی و رادیوئی به کار گرفته می‌شوند.

مدالاسیون در روش مولتی پلکسینگ تقسیم فرکانس

مدالاسیون در روش مولتی پلکسینگ تقسیم فرکانس

مزایای استفاده از FDM

  • FDM برای سیگنال‌های آنالوگ به کار گرفته می‌شود؛
  • FDM فرایندی بسیار ساده است و به راحتی قابل مدالاسیون سازی می‌باشد؛
  • با استفاده از FDM می‌تواند تعداد زیادی از سیگنال‌ها را به صورت همزمان ارسال کرد؛
  • در اینجا هیچ نیازی به همگام سازی میان فرستنده و گیرنده پیام نیست.

معایب استفاده از FDM

  • FDM تکینیک است که تنها می‌تواند برای کانال‌های با سرعت انتقال پائین به کار رود؛
  • یکی از مشکلاتی اساسی در این روش برخورد خطوط انتقال (Crosstalk یا خط روی خط افتادن) است؛
  • تعداد زیادی از مدولاسورها برای ایجاد پوشش مورد نیاز است؛
  • در اینجا ما به یک پهنای باند بالا نیاز داریم.

کاربردهای FDM

  • FDM معمولاً در شبکه‌های تلوزیونی به کار گرفته می‌شود؛
  • آن برای انتشار امواج رادیوئی FM و AM به کار می‌رود. هر ایستگاه رادیوئی FM دارای فرکانس‌های متفاوتی است و به همین خاطر می‌توان آن‌ها را در سگینال‌های مختلف مولتی پلکس کرد. سیگنال‌های مولتی پلکس شده می‌توانند به راحتی در هوا انتقال داده شوند.

مولتی پلکسینگ با تقسیم طول موج (Wavelength Division Multiplexing (WDM))

مولتی پلکسینگ با استفاده از طول موج به مشابه روش FDM انجام می‌شود، با این تفاوت که در اینجا سیگنال‌های نوری از طریق یک کابل فیبر نوری انتقال داده می‌شود. با استفاده از روش WDM می‌توان از پهنای باند موجود در یک کابل فیبر نوری به نحو بهتری استفاده کرد. از روش WDM برای انتقال داده با نرخ بالا در کابل‌های فیبر نوری استفاده می‌شود.

مولتی پلکسینگ با تقسیم طول موج

مولتی پلکسینگ با تقسیم طول موج

اگر بخواهیم دقیق‌تر بگوئیم این روش یک تکنیک مولتی پلکسینگ است. سیگنال‌های نوری که از منابع مختلف دریافت می‌شوند، با کمک یک مولتی پلکسر در یک شعاع نوری با پهنای بالاتر ترکیب می‌شوند. در سمت دریافت کنند، دی مولتی پلکسر، سیگنال‌ها را از هم جدا می‌کند و سپس هر کدام از آن‌ها را به مقصد مورد نظر ارسال می‌کند.

کار کرد مولتی پلکسر و دی مولتی پلکسر در روش WDM را می‌توان به منشورهای (Prism) نوری تشبیه کرد که در آن شعاع نور به طیف‌های مختلف خود تجزیه می‌شود. منشور که در سمت ارسال کننده وجود دارد شعاع‌های نوری مختلف را که دارای سیگنال‌های متنوعی می‌باشند را با هم ترکیب می‌کند و سپس یک سیگنال ترکیب شده را به سمت گیرنده کابل فیبر نوری ارسال می‌کند. در طرف دریافت کننده، عملیات معکوسی اتفاق می‌افتد و دی مولتی پلکسر، یک سگینال را به طیف‌های مختلف نوری تقسیم می‌کند.

روش مولتی پلکسینگ با استفاده از تقسیم طول موج

روش مولتی پلکسینگ با استفاده از تقسیم طول موج

مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی (Time Division Multiplexing)

در روش تقسیم فرکانسی تمامی سیگنال‌ها در یک زمان اما با فرکانس‌های مختلف ارسال می‌شوند، اما در تکنیک مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی (TDM) تمامی سیگنال‌ها در یک فرکانس اما در زمان‌های مختلف ارسال می‌شوند.

در تکنیک مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی (TDM)، زمان کلی دسترسی به کال در میان تعداد مشخصی از کاربران تقسیم می‌شود، و هر کدام از کاربران این اجازه را دارند که در بازه‌های زمانی مشخص که به آن‌ها «اسلات زمانی (Time Slot)» گفته می‌شود، داده‌های خود را به سمت دریافت کننده ارسال کنند.

در این جا هر کدام از کاربران می‌تواند برای بازه‌های زمانی مشخصی و ثابتی کنترل کانال را در اختیار داشته باشد. در روش تقسیم زمانی (TDM)، داده‌ها به صورت همزمان ارسال نمی‌شوند، بلکه به جای آن در یک صف و به صورت یک به یک ارسال می‌شوند.

در TDM سیگنال‌ها در قالب فریم‌ها (Frames) ارسال می‌شوند. فریم‌ها خود حاوی اسلات‌های زمانی هستند که در آن هر کدام از فریم‌ها می‌توانند یک و یا چند اسلات زمانی را به یک کاربر اختصاص دهد.

این روش می‌تواند برای انتقال‌های دیجیتالی و آنالوگ به کار گرفته شود، اما اغلب از این روش برای مولتی پلکس کردن سیگنال‌های دیجیتال استفاده می‌شود.

در کل ما دارای دو نوع مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی هستیم:

  • مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی همزمان (Synchronous TDM)؛
  • مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی غیر همزمان (Asynchronous TDM)؛

مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی همزمان (Synchronous TDM)

در روش مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی همزمان (STDM)، اسلات‌های زمانی به صورت پیش فرض به هر کدام از دیوایس‌ها اختصاص داده می‌شود. در روش STDM هر کدام از دیوایس‌ها در هر زمان می‌تواند از اسلات زمانی خودش بهره مند شود، حتی اگر در زمان اختصاص پیامی هم برای ارسال نداشته باشد. در اینجا اگر دیوایسی هیچ اطلاعاتی برای ارسال نداشه باشد، اسلات زمانی همچنان به صورت خالی باقی می‌مانند.

در روش STDM سیگنال‌های ارسال در قابل فریم ارسال می‌شود. اسلات‌ها زمانی در قالب فریم‌ها سازمان دهی می‌شود. اگر یک دیوایس هیچ داده به خصوصی را در اسلات زمانی خودش نداشته باشد، در آن صورت فریم و یا اسلات زمانی آن به صورت خالی انتقال داده می‌شود.

اصلی‌ترین روش‌های که از روش تقسیم زمانی همزمان (STDM) در آن‌ها استفاده می‌شود شامل T-1، ISDN و SONET است.

در روش مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی همزمان اگر ما تعداد n دیوایس داشته باشیم، در این صورت ما تعداد n اسلات زمانی نیز خواهیم داشت.

مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی همزمان

مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی همزمان

درک مفهوم مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی همزمان

در تصویر زیر می‌توانید تکنیک STDM را مشاهده کنید. هر کدام از دیوایس‌ها دارای یک اسلات زمانی مختص به خود است. اسلات‌های زمانی بدون توجه به جحم پیام هر دیوایس به آن اختصاص پیدا می‌کنند و ممکن است یک دیوایس هیچ پیام و محتوائی را برای ارسال نداشته باشد.

فریم بندی در مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی همزمان و مشکلات آن

فریم بندی در مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی همزمان و مشکلات آن

معایب استفاده از روش مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی همزمان (STDM)

  • ظرفیت کانال همیشه به صورت کارآمدی پر نمی‌شود و همیشه اسلات‌های زمانی خالی بدون هیچ تاثیری در شبکه انتقال داده می‌شوند. با دقت در تصویر بالا می‌توانید ببینید که فریم اول به صورت کامل پر شده است، اما دو فریم بعدی نسبتا خالی هستند و حتی دیوایس سوم هیچ پیامی را ارسال نکرده است. به همین خاطر ما می‌توانیم بگوئیم که در این روش از ظرفیت کامل کانال ارتباطی به صورت مفیدی استفاده نشده است.
  • سرعت انتقال رسانه ما باید بزرگتر از سرعت کلی خطوط ورودی باشد. یک راهکار جایگزین برای این روش استفاده از روش مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی غیرهمزمان (ATDM) است.

مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی غیرهمزمان (Asynchronous TDM)

روش مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی غیرهمزمان به عنوان روش مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی آماری (Statistical TDM) نیز شناخته می‌شود.

تکنیک مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی غیر همزمان در زمانی استفاده می‌شود که اسلات‌های زمانی برای همزمان سازی ارتباط به صورت یکسان نیست. در اینجا اسلات‌های زمانی که به هر کدام از دستگاه‌ها اختصاص داده می‌شود، بر اساس حجم داده ارسالی آن است. به همین خاطر ما می‌توانیم بگوئیم کمه روش مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی غیرهمزمان در اینجا تنها داده‌هائی که در ایستگاه‌های فعال وجود دارند (یا آماده ارسال پیام هستند) را انتقال می‌دهد.

تکنیک غیر همزمان به صورت دینامیکی و پویا اسلات‌های زمانی را به هر کدام از دستگاه‌ها اختصاص می‌دهد.

در روش ATDM سرعت کلی خط انتقال می‌تواند بزرگتر از ظرفیت کانال انتقالی باشد.

در روش ATDM مولتی پلکسر می‌تواند چند جریان داده ورودی را دریافت کند و فریم‌ها را با داده‌های ارسال پر کرده و ارسال نماید. در اینجا هیچ فریم و یا اسلات زمانی خالی وجود ندارد.

در روش مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی غیرهمزمان اسلات‌های زمانی حاوی بخشی به نام آدرس هستند که منبع و مقصد پیام را مشخص می‌کنند.

یک فریم ارسالی در روش مولتی پلکسینگ

یک فریم ارسالی در روش مولتی پلکسینگ

تفاوت اصلی میان روش همزمان و غیر همزمان در آن است که در روش همزمان هیچ بهینه سازی برای استفاده از خطوط انجام نمی‌شود. اما در شو غیرهمزمان اسلات‌های زمانی به صورت کاملاً بهینه سازی شده‌ای به کار گرفته می‌شود. این ایده می‌تواند سبب ایجاد بازه‌های زمانی انتقال کوتاه‌تر شده و در نتیجه بهره‌وری کانال انتقال به صورت قابل توجهی افزایش پیدا می‌کند.

در روش تقسیم زمانی همزمان برای n دیوایس ارسال کننده n اسلات زمانی وجود دارد. اما در روش غیر همزمان اگر n دیواس ارسال کننده وجود داشته باشد، ما m اسلات زمانی ارسال پیام داریم، دقت کنید که در اینجا m همیشه کمتر یا برابر با m خواهد بود. تعداد اسلات‌هائی که در روش غیر همزمان به کار گرفته می‌شوند، بر حسب یک محاسبه آماری از تعداد خطوط ورودی و حجم پیام ان‌ها به دست می‌آید.

مفهوم ملتی پلکسینگ تقسیم زمانی غیر همزمان

در دیاگرام پائین، چهار دیوایس مختلف ارسال کننده پیام وجود ندارد، اما در واقع تنها دو دیوایس A و C می‌خواهند به ارسال پیام اقدام کنند. به همین خاطر در اینجا فریم‌ها حاوی پیام‌های A و C هستند و اسلات‌های زمانی تنها به این دو دیوایس اختصاص داده شده است.

بهره گیری از روش مولتی پلکسینگ غیرهمزمان برای بهینه استفاده کردن از رسانه انتقال

بهره گیری از روش مولتی پلکسینگ غیرهمزمان برای بهینه استفاده کردن از رسانه انتقال

فریم‌های که در دیاگرام بالا نشان داده شده است، می‌توانند به شکل زیر باشند:

فریم های به کار رفته در مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی غیرهمزمان

فریم های به کار رفته در مولتی پلکسینگ تقسیم زمانی غیرهمزمان

در دیاگرام بالا می‌توانید ببینید که هر کدام از بخش‌های داده‌ها حاوی آدرس (گاه مقصد و گاه منبع) و داده‌های ارسالی هستند. درباره این موارد در درس‌های بعدی به صورت عمیق‌تر و با جزئیات بیشتر به شما توضیح خواهیم داد.

No votes yet.
Please wait...

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

منو اصلی

question