Obiettivo
Come tutte le multiplazioni, è una tecnica che serve a migliorare l’efficienza di utilizzo di un canale attraverso la condivisione dello stesso tra più sorgenti.
Nella forma che vedremo di seguito, è diventata obsoleta per la realizzazione delle grandi reti dati magliate, nelle quali si preferisce ormai la multiplazione statistica. E’ ancora la tecnica di multiplazione principalmente adoperata nei link punto-punto che fanno capo ai dispositivi che realizzano la rete telefonica cablata plesiocrona, nelle interfacce di accesso radio alla rete cellulare GSM e, in parte, UMTS e WiFi, nell’accesso al broadcast televisivo sia terrestre che satellitare, nelle portanti radio tra i nodi telefonici (backhaul).
La grandezza fisica che non viene condivisa tra più sorgenti, quella in base alla quale è differenziato e ripartito l’accesso al canale tra le diverse sorgenti, è il tempo.
Metafore
Metafora 1
Nella metafora parlare significa trasmettere sul canale, una famiglia è una sorgente, un anno è una istanza della trama nel tempo, la vacanza è un messaggio, la casa in città è la coda di ingresso, la casa vacanze è il canale.
Una casa vacanze in un luogo di villeggiatura esclusivo, molto ambito e caldo per 365 giorni l’anno è particolarmente costosa ed è mediamente utilizzata per una sola settimana. Si decide di abbattere i costi di acquisto offrendola in multiproprietà, forma di acquisto che ne consente un utilizzo efficiente per tutto l’anno. L’anno è diviso in 40 settimane utili per l’affitto, le altre sono dedicate alla manutenzione dell’immobile. Le settimane utili all’affitto di un anno solare sono numerate dalla 1 alla 40.
Ogni famiglia prenota l’immobile per una settimana l’anno prestabilita e segnata in una tabella di allocazione che si ripete uguale ogni anno. Tutte le famiglie attendono un anno il loro momento a casa loro (coda di ingresso diversa per ciascuna) Ogni famiglia occupa la stessa casa vacanza (canale) una volta l’anno in una settimana prestabilita (slot). L’anno di vacanza parte dalla settimana 1 fino alla 40 e si ripete uguale per sempre.
Metafora 2
Nella metafora parlare significa trasmettere sul canale, il canale è la tavola rotonda e la sala col pubblico, un relatore è una sorgente, round è una istanza della trama nel tempo, risposta è un messaggio, il moderatore è il nodo master, il posto in platea è la coda di ingresso.
In un evento informativo più interlocutori devono condividersi la scena di un auditorium con pubblico che ascolta il dibattito. Un numero arbitrario di interlocutori parlano a turno secondo un criterio di dialogo assimilabile a quello della “tavola rotonda”. Ciascun interlocutore è numerato. Il numero è un numero d’ordine all’interno della scaletta degli interlocutori abilitati a parlare. Gli interventi sono suddivisi in round. Dentro ciascun round parlano, a turno, tutti i partecipanti al dibattito seguendo, ad ogni round, sempre la stessa scaletta. Tutti i relatori parlano per lo stesso tempo (detto slot). La scaletta rappresentata nel tempo e limitata agli slot di uno stesso round è detta trama. All’interno della trama, ogni slot segue la numerazione crescente del partecipante a cui è assegnato. La trama viene ripetuta periodicamente in un tempo detto periodo di trama.
E’ possibile riconoscere il relatore senza vederlo contando gli slot dall’inizio della trama. Ogni relatore ha un tempo di trama per preparare la risposta alla domanda del round ma solamente un tempo di slot per esporla. Il relatore prepara la risposta al proprio posto. La multiplazione statica TDM di parecchie sorgenti richiede però che tutti i relatori siano sincronizzati con precisione presso un moderatore che fa da master e detta i tempi.
Il nodo master stabilisce la composizione della “tavola rotonda” (cioè chi può trasmettere), in che ordine (cioè la scaletta degli interventi) e per quanto tempo deve durare un intervento.
Schema di principio
I messaggi arrivano simultaneamente ma su N porte di ingresso diverse (SDM) e si caricano sul buffer a valle di ciascuna dopo un tempo T.
Una volta finito il caricamento, gli N messaggi vengono inviati, in momenti diversi (TDM), nell’unica porta di uscita e con velocità maggiore di quella di arrivo in modo che la trasmissione di tutti avvenga sempre nel tempo T di arrivo di uno solo.
La potenziale contesa del canale, da parte di quelle sorgenti che tentano di accedervi simultaneamente, è risolta nel dominio del tempo comprimendo la durata della trasmissione dei messaggi (rispetto a quella della loro ricezione) in finestre temporali di ugual durata dette slot. Ogni slot è assegnato ad una certa sorgente in una posizione separata da quella di tutte le altre che è regolare, cioè fissa, all’interno dell’intervallo di tempo utile per trasmettere, che è costituito dal tempo morto che intercorre tra la ricezione di due messaggi consecutivi (identico per tutte le sorgenti).
Il tempo T, uguale al tempo di arrivo completo di un messaggio di una generica sorgente (tempo di ricezione uguale per tutte), viene detto tempo di trama o periodo. E’ suddiviso in slot numerati di ugual durata sui quali è allocata la trasmissione delle sorgenti, in successione, uno slot dopo l’altro:
- Ogni slot ha la durata di T/N ed è assegnato sempre alla stessa sorgente che lo ha prenotato in fase di setup del canale.
- La trama si ripete all’infinito sempre con lo stesso ordine di trasmissione delle sorgenti e con ugual durata T (ripetizione periodica).
I messaggi arrivano ad ondate successive assimilabili a round periodici. Mentre si trasmette quella appena ricevuta si riceve l’ondata successiva. Il ritardo tra il momento della ricezione di un messaggio e quello della sua trasmissione è esattamente T.
T è anche l’intervallo di tempo che intercorre tra slot allocati alla stessa sorgente cioè slot consecutivi in cui si trasmettono i messaggi di una stessa sorgente.
Gli slot sono numerati e l’abbinamento di ciascuno ad una sorgente è stabilito in fase di setup della comunicazione. La totalità degli abbinamenti stabilisce la composizione della trama, cioè la composizione del multimessaggio contenente i messaggi di tutte le sorgenti.
La composizione della trama deve essere nota a valle del canale per consentire l’eventuale ripristino dei flussi originali su linee fisicamente separate estraendo i messaggi dalle trame in arrivo (demultiplexing).
Struttura
Il multiplatore è composto da:
- Code di ingresso dove i messaggi delle varie sorgenti arrivano contemporaneamente capaci di ospitare un solo messaggio.
- Un deviatore che commuta, quasi istantaneamente, da una sorgente all’altra per cui l’unico tempo impegnato da una sorgente è soltanto quello speso per trasmettere un messaggio.
- Una porta di uscita su cui è collegato il canale da condividere tra le sorgenti
Il processo di multiplazione è una conversione parallelo-seriale:
- messaggi ricevuti in ugual tempo su porte diverse in ingresso diventano, in uscita, messaggi trasmessi sulla stessa porta ma in tempi diversi detti slot.
- I messaggi di sorgenti diverse vengono ripartiti, in successione, sugli slot seguendo una turnazione delle sorgenti che si ripete uguale ogni N slot
Vincolo operativo:
- nel tempo in cui arriva un messaggio in ingresso ne devono essere spediti N in uscita. Questo tempo si chiama periodo di frame.
- le sorgenti devono essere sincronizzate tra loro, cioè devono inviare messaggi di ugual durata nello stesso tempo e devono essere sincronizzate anche con i tempi di trasmissione del canale in uscita. Se più multiplatori sono in cascata tra loro, tutti i dispositivi della gerarchia devono essere sincronizzati in maniera accurata su una base dei tempi comune che spesso viene realizzata utilizzando quella molto precisa fornita da dispositivi GPS.
Caratteristiche del TDM statico
I messaggi di comunicazioni diverse arrivano in ingresso tutte nello stesso tempo ma su porte diverse (SDM).
I messaggi di comunicazioni diverse vengono trasmessi in uscita sulla stessa porta ma in tempi diversi (TDM).
L’allocazione delle comunicazioni nel tempo è:
- prestabilita e non cambia mai per tutta la durata della comunicazione (TDM statico). E’ prenotata in fase di setup della comunicazione.
- periodica, si ripete dopo un tempo detto periodo di trama
- esclusiva. Il canale è di una sola sorgente per tutto il tempo (slot) in cui è ad essa assegnato (tutta la durata della comunicazione), anche quando questa non trasmette.
Il periodo della trama coincide col tempo di arrivo previsto di un messaggio sulle porte di ingresso.
Identificazione della sorgente
Le risorse sono allocate on demand all’apertura della comunicazione (allocazione statica)
L’allocazione effettuata in fase di setup crea l’associazione tra l’identificativo della sorgente col numero dello slot.
I messaggi sono identificati come appartenenti ad una certa sorgente implicitamente, in base ad alla loro posizione all’interno della trama:
- Ad esempio la sorgente A sarà sempre in posizione 1, la B in posizione 2, la C in posizione 3 e così via…
I protocolli che adoperano il TDM statico possono essere solamente di tipo connesso (connectionful) perchè deve esistere una fase di setup
Ritardi
Completato l’arrivo sulle code di ingresso, i messaggi vengono trasmessi secondo un ordine prestabilito che si ripete periodicamente
Il ritardo di trasmissione è fisso ed è pari al tempo di trama, cioè al periodo tra una trasmissione e l’altra dello stessa sorgente.
Ritardi di trasmissione fissi rendono la multiplazione statica adatta a quelle sorgenti che sono sensibili alle variazioni del tempo di consegna dei dati: audio, video, e sorgenti multimediali in genere.
Inefficienza intrinseca
La sorgente B non sta trasmettendo, l’intervallo di trasmissione sul canale (slot) ad essa assegnato appare periodicamente vuoto e, per tutta la sua durata, la risorsa fisica (il canale) è di fatto inutilizzata.
TDM statico: riepilogo
I messaggi di piu’ utenti diversi condividono le stesse risorse trasmissive (multiplazione dei canali fisici). La contesa per l’accesso al mezzo è risolta nel dominio del tempo mediante allocazione statica (le risorse sono allocate all’inizio) in fase di setup della comunicazione.
Ogni pacchetto usa una frazione della capacità (banda) del canale (il canale è impegnato solo in parte da una sorgente alla volta) I pacchetti hanno un ritardo di trasferimento fisso dipendente dal tempo di trama.
Il periodo di utilizzo esclusivo del canale da parte di una sorgente (slot) è stabilito all’apertura della comunicazione, in fase di setup, e permane anche quando la sorgente non trasmette nulla (inefficienza intrinseca).
Dettaglio tecnologie di accesso al mezzo radio
Dettaglio TDM statistico su mezzi punto-punto
Sitografia
- http://www.myreadingroom.co.in/notes-and-studymaterial/68-dcn/777-time-division-multiplexing.html
- http://www.programmiamo.altervista.org/internet/3/3f.html