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Multiplexage

Prérequis :
Pour suivre la suite, il est absolument nécessaire d'avoir bien compris :

  • la numérisation des signaux analogiques :
  • la modulation par impulsions codées MIC ou PCM :
  • le multiplexage numérique éxposé sur ce site en :

Réseaux numériques de transmission de données à fort débit

Dès que l'on prit conscience que la transmission numérique des signaux surpassait en performances
les méthodes de transmission analogiques, on pensa à construire des réseaux (au sens voies de communication)
permettant d'acheminer des flux importants de données.

La première application fut le remplacement des voies téléphoniques analogiques classiques
par des voies numériques pouvant acheminer de grands débits binaires.

D'où les nombreuses références à la "voix téléphonique" que nous allons faire dans la suite
qui est à la base de tous les standards actuels,
même lorsque ces mêmes réseaux sont utilisés pour transmettre tout autre type de données..

Une fois en place, des réseaux de ce type purent en effet servir d'autres aplications
telles que les tranferts de fichiers informatiques, Internet, la météorologie, etc.

Voici comment se présentait le réseau physique UUNET    en Mai 1994.
C'est un réseau de voies physiques de transmission numérique destinées à l'Internet.

On conçoit facilement que sur ces lignes, relativement peu nombreuses entre villes, doit s'échanger un traffic considérable.
Les réseaux (au sens d'ensemble de moyens physiques : câbles à haut débit et équipements de transmission-réception)
d'aujourd'hui sont beaucoup plus développés, on s'en doute.

Standards de Multiplex & Hiérarchies

Pour une société qui souhaite implanter un tel réseau sur de vastes territoires
se posent les problèmes de la diversité des besoins de sa clientèle en matière de débit
et de l'optimisation de ses infrastructures.

L'optimisation des infrastructures exige que sur chaque ligne de transmission du réseau
puissent passer simultanément un grand nombre de comunications indépendantes,
qu'on "mélange" sur un même signal dit "porteur" au départ et qu'on "récupère" à l'arrivée
en les extrayant individuellement du signal porteur
.

La diversité des besoins incite à faire en sorte que ces voies indépendantes
portées par une même ligne de transmission puissent avoir des débits différents
adaptés aux diverses demandes en débit de la clientèle.

La technique qui s'impose pour résoudre ces deux problèmes est le multiplexage numérique .

La suite de cette section s'attache à décrire les modalités de divers types de multiplexage
et la manière d'organiser les flux de données de manière que le prestataire de service
puisse offrir à sa clientèle le choix entre plusieurs largeurs de canaux, de diverses bandes passantes,
suivant ses besoins et ses capacités financières.

Comme le principe de libre concurrence doit jouer mondialement,
ces divers canaux font l'objet de standards qui ont été primitivement continentaux (USA, Europe,Extrême-Orient)
mais finalement harmonisés.

Il fallait donc constituer des voies de communication pouvant transporter conjointement
un grand nombre de canaux indépendants pouvant être rapidement mobilisés ou démobilisés
pour répartir le trafic en provenance et à destination d'un grand nombre d'usagers simultanés.
Allant même jusqu'à la possibilité de coupler deux ou plusieurs de ces canaux pour satisfaire
des clients ayant des exigences diverses en matière de débit binaire.

La méthode déja décrite du multiplexage numérique s'impose tout naturellement comme technique de partage
du flot numérique total parcourrant le support de transmission en canaux indépendants & réassociables.

Le problème de la constitution physique des supports de transmission (câbles, fibres optiques etc.)
ainsi que celle des équipements tels que les transmetteurs-récepteurs DSU (Data Service Units) CSU(Chanel Service Units),
les convertiseurs analogique-numérique CAN ou inverses CNA ne seront pas abordés ici.

Mais il reste un problème : définir un standard précisant toutes caractéristiques que doit avoir le signal numérique dit "porteur"
qui parcourt le support de transmission pour qu'il soit en mesure de multiplexer de nombreux flux de données indépendants
et que le démultiplexage à l'arrivée se fasse dans les meilleures conditions.

Les laboratoires AT&T® développèrent de 1957 à 1960 un réseau de communications
dont l'élément de base était un multiplex de 24 canaux voix indépendants utilisant chacun la modulation PCM


Ils définirent un signal dit porteur de flux numériques qu'ils nomèrent T1
que nous allons décrire plus loin.

Les lignes dont ils disposaient alors avaient des capacités de 2 à 32 Mbit/s.
Le multiplex T1, dont nous verrons qu'il occupe une bande passante de 1,544 Mbit/s,
pouvait emprunter les lignes les moins rapides (2 Mbit/s).

Mais les lignes plus rapides étaient capables de plus.
C'est pourquoi, dès le départ, il fut envisagé que T1 lui-même pourrait être intégré dans
des multiplex de capacité supérieure.
Il fallut de nouveau définir ce "surmultiplexage" et le standardiser.

AInsi naquirentt les fameuses hiérarchies de multiplexage.
Dont la première, développée par AT&T dite T1 du nom de son multiplex de base
( T comme " trunk ", le tronc).



Le canal DS0 Lire : "DS zéro"

Rappels

Comme le souci premier des constructeurs fut la numérisation de réseau téléphonique,
l'unité de bande passante pour un canal élémentaire dans tous types de réseaux de transport est le "canal-voix"
que je décris ici.

Dans les techniques de la téléphonie, la bande passante allouée à la voix humaine est de 4 kHz.
(Bien que pour des raisons pratiques elle ne dépasse pas les limites 300 Hz et 3400 Hz).

D'après le théorème de Shanon, un signal numérisé ne peut être ultérieurement restitué que si la fréquence d'échantillonnage utilisée dans sa numérisation est égale ou supérieure au double de la fréquence maximale présente dans le spectre du signal initial.

La fréquence d'échantillonnage qui s'impose pour la voix téléphonique est donc de 8 kbit/s.

De plus, il a été convenu que la valeur instantannée de ce signal serait évaluée sur 8 bits (256 valeurs).
Le débit du flux binaire correspondant à un canal voix ( voice chanel ) est donc de 8 8 kbit/s = 64 kbit/s

Vu le nombre d'applications impliquant le transport de voies téléphoniques,
cette largeur de bande est devenue l'unité de compte pour évaluer la capacité des canaux de communication numériques.

On l'appelle communément DS0 (Digital Signal 0 ou Data Stream Level 0)

Si des notions vous échappent, voyez sur ce même site les liens suivants :

  • Signal :
  • Numérisation :


Base du multiplex AT&T® : T1 - DS1


Nous en arrivons donc à la description de ce fameux multiplex de base T1 de la AT&T®

Les lignes dont ils disposaient alors avaient des capacités de 2 à 32 Mbit/s.
Le multiplex T1, dont nous verrons qu'il occupe une bande passante de 1,544 Mbit/s,
pouvait emprunter les lignes les moins rapides (2 Mbit/s).
Mais les lignes plus rapides étaient capables de plus.
C'est pourquoi, dès le départ, il fut envisagé que T1 lui-même pourrait être intégré dans
des multiplex de capacité plus élevée.
Il fallut de nouveau définir ce "surmultiplexage" et le standardiser.

AInsi naquit la hiérarchie de multiplexage dite T1 du nom de son multiplex de base
nommé T comme " trunk ", le tronc.

Dans cette hiérarchie, T1 occupe la position la plus basse.
nous verrons plus loin comment s'organisent les niveaux supérieurs

Ce porteur T1 a été dimensionné pour pouvoir multiplexer 24 canaux voix.
Donc 24 signaux digitaux de type DS0.

Voici la forme de ce signal, ou flot (stream) DS1 porté par un porteur T1.
DS1 (Digital Stream ou Digital Signal Level 1)



Explications :
En commençant à gauche, un temps de bit "S" dit de cadrage (framing) est nécessaire à la synchronisation transmetteur-récepteur. Un seul temps de bit S est suffisant pour la trame entière.
Nous avons ensuite 24 tranches de temps (time slots) contiguës comportant chacune 8 temps de bit.
Observer que les temps de bit sont constitués d'un niveau bas et du niveau haut qui suit.

Nous allons supposer pour l'exemple que ce multiplex transporte 24 voies téléphoniques

La première tranche de temps correspond aux 8 bits de la première voie téléphonique,
c.a.d. à la valeur binaire représentant le résultat de l'échantillonnage de la valeur instantannée du son téléphonique
(qui doit avoir déjà été réalisé au début de la tranche de temps).
L'échantillonnage suivant de cette première voie sera fait 125 microsecondes plus tard. (c.f. figure)
Si vous comptez bien, il sera donc fait 8 000 fois par seconde. (Shanon)
Et nous aurons bien 64 000 bits par seconde pour cette voie.
L'explication est la même pour les voies restantes.


Le débit binaire total (brut) du flux DS1est :

(824+1)/125.10-6 = 1544 kbit/s
Le bit de cadrage "s" est là pour la synchronisation.

Le débit binaire utile (charge utile) est donc :
(824)/125.10-6 = 1536 kbit/s

Un canal DS1 transporte donc
:

DS1 :: 24 canaux voix :: 64.103
24 = 1536 kbit/s


Hiérarchie de porteurs (carriers) T1 à T4


Mais le porteur T1, avec son signal DS1 n'est pas le plus-ultra des porteurs.
Il peut être lui-même porté, par multiplexage, par des "super-porteurs" que l'on nomme T1-C, T2, T3, T4

Voici comment s'imbriquent les porteurs de débit supérieur T1-C à T4.
Ainsi que les signaux qu'ils charient : DS1-C; DS2 ; DS3, DS3-C, DS4.

Problème de vocabulaire

Dans les articles afférents à ces techniques vous verrez employés:
tantôt les sigles : DS1, DS2, DS2-C, DS3, DS4
tantôt les sigles T1, T2, T2-C,T3,T4
avec apparemment la même signification.

Ils ne sont pourtant pas respectivement équivalents.
Les sigles en T désignent les porteurs avec une idée de matérialité.
Les signles en DS désignent plus précisément les signaux portés.
Mais, margré cette ténue confusion, tout le monde se comprend, et c'est le principal !


Hiérarchie des signaux DS (AT&T)®
Type de signal
Débit binaire kbit/s
Porteur
Nombre de canaux voix
DS0
64
T1/24
1
DS1
1 544
1 T1
24
DS1-C
3 152
2 T1
48
DS2
6 312
4 T1
96
DS3
44 736
28 T1
672
DS3-C
89 772
56 T1
1 344
DS4
274 176
138 T1
4 032


Hiérarchie Européenne CEPT
(Centre Européen des administrations des Postes et Télécommunications)

L'Europe également défini ses standards propres de multiplexage.

Le débit du canal numérique de base est toujours le même canal-voix de 64 kbit/s déjà décrit plus haut.
Ce canal est désigné ici sous le nom de E0 ou CEPT - 0.
Pas plus que DS0, E0 n'est pas un multiplex.

Ceci dit, rien n'oblige à s'entenir au transport de la voix téléphonique,
un canal E0, comme un DS0 peut transporter tout type de données.

Cellule de base du multiplex

C'est celle du MIC 30 voies qui était déjà en place pour des besoins d'échanges numériques à la demande
de certaines entreprises industrielles échangeant continument des données scientifiques ou comptables
et que la lenteur du réseau téléphonique existant interdisait de réaliser.
On avait eu recours à les liaisons spécialisées LS ( en anglais LL Lended Lines ).

Elle comporte 32 trames (ou rangs) constituées de 32 obtets chacune.
Chaque trame est transmise en 125 microsecondes.

Quel en est le débit binaire brut ?

Chacune des trames pourrait multiplexer 32 canaux-voix utiles.
Premier octet de la trame 1 = premier échantillon de la voie 1,
etc ... jusqu'à la voie 32.
Mais ce n'est pas le cas !
Les trames 1 et 16 (en couleur bistre sur la figure) contiennent des données
de service : synchronisation, surveillance, détection d'erreurs...

Quel est le débit utile en bit/s et en canaux-voix ?

Les signaux E1 peuvent eux-mêmes être multiplexés par groupes de 4 pour donner les signaux E2
et ainsi de suite.

Porteurs (Ex) - Signaux (CEPT-x)
M bit / s
Canaux voix utilisables
E0 - (CEPT-0)
0,064
1
E1 - (CEPT-1)
2 048
30
E2 - (CEPT-2)
8 448
120
E3 - (CEPT-3)
34 368
480
E4 - (CEPT-4)
139 264
1920


Pour plus de détails, voir l'excellent article de Wikipédia en :


Hiérarchies Plésiochrones PDH - Hiérarchies Synchrones SDH

Revenons sur le principe du multiplexage numérique dit aussi temporel.

Pour que le récepteur puisse attribuer chaque échantillon reçu à la voie correspondante,
il est évident qu'ils doit être parfaitement synchronisé avec l'émetteur.
L'un et l'autre possèdent une horloge propre accordées toutes deux sur une fréquence fixe
2 048 kbit/s pour le porteur E1 - CEPT 1.

La perfection n'étant pas de ce monde, ces deux fréquences sont stabilisées à ± 50 ppm.
Elles dérivent donc l'une par rapport à l'autre lentement mais immanquablement.
D'où la nécessité de disposer dans le signal des repères
qui permettent de resynchroniser les horloges de temps en temps au cours de la trame.

Par ailleurs, le multiplex est constitué par plusieurs signaux à transmettre
que l'on appelle "affluents" car ils proviennent des diveses sources émettrices.
Il est difficile d'assurer la disponibilité au même moment de tous ces signaux affluents
si bien que l'on a du mettre au point des "buffers souples" avec rattrapage de bits retardataires.
Voilà pourquoi l'on a qualifié ces hiérarchies de PLÉSIOCHRONES.
Du grec "plésios" qui veut dire "presque" et "chronos" le temps.
Elles sont "quasi-synchrones"

PDH Plesiochonous Digital Hierarchy

Hiérarchie PDH (USA)
Signaux
M bit / s
Canaux voix
DS0
0,064
1
DS1
1 544
24
DS1-C
3 125
48
DS2
6 312
96
DS3
44 736
672
DS4 NA
139 264
2 016

Le défaut le plus gênant des hiérarches plésiochrones est que le démultiplexage peut être laborieux.
Dans un porteur T3, si on veut démultiplexer un canal-voix précis contenu dans un certain T1 sous-jacent,
il va falloir d'abord démultiplexer T3 en les divers T2 qui y sont contenus,
démultiplexer ces T2 en les divers T1, etc.
C'est coûteux en temps.

Dans les années 1987 à 1989 une nouvelle technologie est apparue sous le nom de
Hiérarchies numériques SYNCHRONES
SDH Synchronous Digital Hierarchy

En bref, ces techniques consistent à se référencer à une horloge atomique de très grande stabilité,
à ajouter des trames de synchronisation et de repérage supplémentaires
assurant une meilleure synchronisation et la possibilité de repérage externe des emplacements
des flux transportés.

Les hiérarchies synchrones sont pratiquement les seules qui subsistent aujourd'hui.

Implémentées sur deux types de réseaux :

  • Le réseau à fibre optique SONET - Synchronous Optical Network
    utilisé principalement aux USA et Canada

  • Le réseau synchrone SDH - Synchronous Digital Hiérarchy
    utilisé dans le reste du monde.

Comparaison des Hiérarchies SONET & SDH


SONET

Synchronous Optical Network (USA)
Réseau fibre optique.

Multiplexant des Canaux Optiques : OC (Optical Chanel)
de différents débits :
OC1, OC3, OC12 , OC48 , OC192 , OC768.

Il peut s'implémenter avec deux unités de base de multiplexage :
STS-1 & STS-3c
STS Synchronous Transport Signal
Level 1 ou Level 3
c - concatenated


Les divers échelons de la hiérarchie sont nommés :
STS-1, STS-3, STS-12 , STS-48 , STS-192 , STS-768


SDH
: Synchronous Digital Hierarchy (Europe)

L'unité de base de multiplexage est
STM-1 : Synchronous Transport Module ou Multiplex
Level 1

Les divers échelons de de hiérarchie sont nommés :
STM-1, STM-4, STM-16, STM64, STM-256

Il il a correspondance entre les divers niveaux de multiplexage des deux types de réseaux ,
malgré la différence de dénominations :

OC
STS
STM
Mbit/s
Utiles
Canaux-voix
1
1
 
51,84
50,112
672
3
3c
1
155,52
150,336
2 016
12
12
4
622,08
601,344
8 064
48
48
16
2488,32
2 405,376
32 256
192
192
64
9953,28
9 621,504
129 024
768
768
256
39 813,12
38 486,016
516 096


Exemple de lecture de ce tableau :
Le multiplex appelé STS-3c dans SONET et STM-1 dans SDH
supportent un flux de 155,52 Mbit/s dont 150,336 Mbit/s utiles
et multiplexent 2 016 canaux-voix.


Débit de base : (9089)/125ms =51,840 Mbit/s
Charge Utile max. : (87
89)/125ms =50,112 Mbit/s
Charge Utile min. : (86
89)/125ms =49,536 Mbit/s

Payload : Charge utile

Overhead
: Informations de service : les 3 premiers octets de chaque rang
plus 1 octet par rang aux fréquences élevées de multiplexage

Canaux Ocxxc (OC48c p. ex.)

  • « c » comme « concatenated » ou « clear »
    La charge utile du canal entier disponible pour un seul flot de données.

  • Le contraire : « chanelized »
    Le canal peut être divisé en flots séparés
    Ex. OC48 peut être subdivisé en 4 canaux OC12

Plus de détails sur le site :


Quelques définitions

L'acronyme GIX = (Global Internet eXchange) ou IX = (Internet eXchange point),
nous dirons en français : "Nœud d'échange Internet"
est un lieu où se tient un dispositif réalisant la connexion physique d'un certain nombre d'Opérateurs
où s'échangent des paquets IP.

NAP = Network Access Point :
Souvent considéré comme un GIX sur lequel on peut,
en plus de l'échange de trafic IP,
acheter ou vendre de la capacité de trafic à d'autres fournisseurs.

ISP (Internet Service Provider)
en français :
FAI (Fournisseur d'Accès à Internet)
:
Opérateur Télécom proposant un abonnement aux particuliers ou aux professionnels
pour se connecter à Internet via leur réseau.
Exemple (an 2007) : AOL, Orange, Free,...
Peering : Principe de base de l'Internet qui permet d'échanger du trafic d'un opérateur Internet à un autre.

Délai de réponse ou Ping :
alors que le débit (binaire) définit la performance maximale que peut atteindre une liaison (canal de transmission),
le délai de réponse est la valeur de temps nécessaire pour faire un aller retour entre deux machines de l'internet.

Le délai de réponse est particulièrement important pour des applications comme la visioconférence ou les jeux en réseau.
Le délai de réponse prend de plus en plus d ’importance avec les applications modernes de l’internet.

Il peut s'évaluer par la commande "ping" de TCP/IP : , ICMP : ; Ping :

Backbone : liaison physique (par câble, fibre optique ou transmission Hertzienne)
d'Internet reliant les grandes villes des différents pays par exemple Lyon, Paris, New York,
On les appelle vulgairement des "Gros tuyaux" ...
Ils appartiennent à un opérateur Télécom.
BLR : système de transmission qui s'appuie sur les ondes hertziennes (ondes radio) dans des bandes de fréquences spécifiques.
L'intérêt de la BLR réside dans la légèreté des infrastructures donc des investissements, ce qui permet d'envisager un déploiement rapide et peu coûteux.

Sites
 Clic
Wikipedia - Hiérarchies - PDH - SDH -
GIX Global Internet Exchange
Wikipedia - Points d'échange Internet
Sté DSB - T1 en détail


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