Multiplexación por división de tiempo

La multiplexación por división de tiempo ( TDM ) es un método para transmitir y recibir señales independientes a través de una ruta común mediante conmutadores sincronizados en cada extremo de la línea de transmisión, de modo que cada señal aparece en la línea solo durante una fracción de tiempo según reglas preestablecidas, por ejemplo, con cada transmisor funcionando por turnos. Se puede utilizar cuando la velocidad de bits del medio de transmisión supera la de la señal que se va a transmitir. Esta forma de multiplexación de señales se desarrolló en las telecomunicaciones para sistemas de telegrafía a finales del siglo XIX, pero encontró su aplicación más común en la telefonía digital en la segunda mitad del siglo XX.

La multiplexación por división de tiempo se desarrolló inicialmente para aplicaciones telegráficas con el fin de enrutar múltiples transmisiones simultáneamente a través de una sola línea de transmisión. En la década de 1870, Émile Baudot desarrolló un sistema de multiplexación por división de tiempo que utilizaba varias máquinas telegráficas Hughes .

En 1944, el Ejército Británico utilizó el equipo de radio n.° 10 para multiplexar 10 conversaciones telefónicas a través de un relé de microondas con un alcance de hasta 80 kilómetros (50 millas). Esto permitió a los comandantes en el campo de batalla mantenerse en contacto con el personal en Inglaterra a través del Canal de la Mancha . ^{[ 1 ]}

En 1953, RCA Communications puso en funcionamiento comercial un multiplexor por división de tiempo de 24 canales para enviar información de audio entre las instalaciones de RCA en Broad Street, Nueva York, su estación transmisora ​​en Rocky Point y la estación receptora en Riverhead, Long Island, Nueva York. La comunicación se realizaba mediante un sistema de microondas en toda Long Island. El sistema TDM experimental fue desarrollado por los Laboratorios RCA entre 1950 y 1953. ^{[ 2 ]}

En 1962, ingenieros de Bell Labs desarrollaron los primeros bancos de canales D1, que combinaban 24 llamadas de voz digitalizadas a través de una línea troncal de cobre de cuatro hilos entre conmutadores analógicos de la central telefónica de Bell . Un banco de canales en cada extremo de la línea permitía que la línea única transportara porciones cortas, cada una de 1/8000 de segundo , de hasta 24 llamadas de voz, por turnos. Las señales discretas en la línea troncal transportaban 1,544  Mbit/s divididos en8000 tramas separadas por segundo, cada una compuesta por 24 octetos contiguos y un bit de trama. Cada octeto de una trama transportaba una única llamada telefónica. Así, cada una de las 24 llamadas de voz se codificaba en dos flujos de velocidad de bits constante de 64  kbit/s (uno en cada dirección) y se convertía de nuevo a señales analógicas convencionales mediante el equipo complementario en el extremo receptor de la línea troncal. ^{[ 3 ]}

La multiplexación por división de tiempo se utiliza principalmente para señales digitales, pero puede aplicarse en la multiplexación analógica , como se indicó anteriormente, en la que dos o más señales o flujos de bits se transfieren apareciendo simultáneamente como subcanales en un canal de comunicación, pero se turnan físicamente en el canal. ^{[ 4 ]} El dominio del tiempo se divide en varias ranuras de tiempo recurrentes de longitud fija, una para cada subcanal. Un byte de muestra o bloque de datos del subcanal 1 se transmite durante la ranura de tiempo 1, el subcanal 2 durante la ranura de tiempo 2, etc. Una trama TDM consta de una ranura de tiempo por subcanal, y generalmente un canal de sincronización y, a veces, un canal de corrección de errores. Después de todo esto, el ciclo comienza de nuevo con una nueva trama, comenzando con la segunda muestra, byte o bloque de datos del subcanal 1, etc.

• El sistema de jerarquía digital plesiócrona (PDH), también conocido como sistema PCM , para la transmisión digital de varias llamadas telefónicas a través del mismo cable de cobre de cuatro hilos ( portadora T o portadora E ) o fibra en la red telefónica digital conmutada por circuitos.
• Los estándares de transmisión de red de jerarquía digital síncrona (SDH)/red óptica síncrona (SONET) que han reemplazado a PDH
• Interfaz de velocidad básica e interfaz de velocidad primaria para la Red Digital de Servicios Integrados (RDSI)
• El estándar de audio RIFF (WAV) intercala señales estéreo izquierda y derecha en base a muestra.

La multiplexación por división de tiempo (TDM) se puede extender aún más al esquema de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA), donde varias estaciones conectadas al mismo medio físico, por ejemplo, compartiendo el mismo canal de frecuencia , pueden comunicarse. Algunos ejemplos de aplicación incluyen:

• El sistema telefónico GSM
• Los enlaces de datos tácticos Enlace 16 y Enlace 22

En las redes de conmutación de circuitos, como la red telefónica pública conmutada (PSTN), es conveniente transmitir múltiples llamadas de abonados a través del mismo medio de transmisión para utilizar eficazmente el ancho de banda del medio. ^{[ 5 ]} La multiplexación por división de tiempo (TDM) permite que los conmutadores telefónicos transmisores y receptores creen canales ( tributarios ) dentro de un flujo de transmisión. Una señal de voz DS0  estándar tiene una velocidad de bits de datos de 64 kbit/s. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Un circuito TDM funciona con un ancho de banda de señal mucho mayor, lo que permite dividir el ancho de banda en tramas de tiempo (ranuras de tiempo) para cada señal de voz que el transmisor multiplexa en la línea. Si la trama TDM consta de n tramas de voz, el ancho de banda de la línea es n * 64  kbit/s. ^{[ 5 ]}

Cada intervalo de tiempo de voz en la trama TDM se denomina canal. En los sistemas europeos, las tramas TDM estándar contienen 30 canales de voz digital (E1), y en los sistemas estadounidenses (T1), contienen 24 canales. Ambos estándares también incluyen bits adicionales (o intervalos de tiempo de bit) para bits de señalización y sincronización. ^{[ 5 ]}

La multiplexación de más de 24 o 30 canales de voz digital se denomina multiplexación de orden superior . La multiplexación de orden superior se logra mediante la multiplexación de tramas TDM estándar. Por ejemplo, una trama TDM europea de 120 canales se forma mediante la multiplexación de cuatro tramas TDM estándar de 30 canales. En cada multiplexación de orden superior, se combinan cuatro tramas TDM de orden inmediatamente inferior, creando multiplexaciones con un ancho de banda de n * 64  kbit/s, donde n = 120, 480, 1920, etc. ^{[ 5 ]}

Existen tres tipos de TDM síncrono: T1, SONET/SDH e ISDN. ^{[ 7 ]}

La jerarquía digital plesiócrona (PDH) se desarrolló como un estándar para la multiplexación de tramas de orden superior. La PDH creó un mayor número de canales mediante la multiplexación de las tramas TDM estándar europeas de 30 canales. Esta solución funcionó durante un tiempo; sin embargo, la PDH adolecía de varios inconvenientes inherentes que, en última instancia, dieron lugar al desarrollo de la jerarquía digital síncrona (SDH). Los requisitos que impulsaron el desarrollo de la SDH fueron los siguientes: ^{[ 5 ] [ 6 ]}

• Sincronización : Todos los relojes del sistema deben estar sincronizados con un reloj de referencia.
• Debe estar orientado al servicio : SDH debe enrutar el tráfico de un punto de intercambio final a otro sin preocuparse por los puntos de intercambio intermedios, donde el ancho de banda se puede reservar a un nivel fijo durante un período de tiempo determinado.
• Permite extraer o insertar marcos de cualquier tamaño en un marco SDH de cualquier tamaño.
• Fácil de gestionar gracias a su capacidad para transferir datos de gestión a través de enlaces.
• Proporcionar altos niveles de recuperación ante fallos.
• Proporciona altas velocidades de transmisión de datos mediante la multiplexación de tramas de cualquier tamaño, con la única limitación de la tecnología.
• Proporcione errores de tasa de bits reducidos.

SDH se ha convertido en el protocolo de transmisión principal en la mayoría de las redes PSTN. Se desarrolló para permitir  la multiplexación de flujos de 1,544 Mbit/s y superiores, con el fin de crear tramas SDH más grandes conocidas como Módulos de Transporte Síncrono (STM). La trama STM-1 consta de flujos más pequeños que se multiplexan para crear una  trama de 155,52 Mbit/s. SDH también puede multiplexar tramas basadas en paquetes, por ejemplo, Ethernet , PPP y ATM. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Si bien SDH se considera un protocolo de transmisión (Capa 1 en el Modelo de Referencia OSI ), también realiza algunas funciones de conmutación, como se indica en el tercer punto del requisito mencionado anteriormente. ^{[ 5 ]} Las funciones de red SDH más comunes son las siguientes:

• Conmutador cruzado SDH : El conmutador cruzado SDH es la versión SDH de un conmutador de punto de cruce espacio-tiempo. Conecta cualquier canal de cualquiera de sus entradas con cualquier canal de cualquiera de sus salidas. El conmutador cruzado SDH se utiliza en centrales de tránsito, donde todas las entradas y salidas están conectadas a otras centrales. ^{[ 5 ]}
• Multiplexor de adición/eliminación SDH : El multiplexor de adición/eliminación SDH (ADM) puede agregar o eliminar cualquier trama multiplexada hasta 1,544  Mb. Por debajo de este nivel, se puede realizar la multiplexación por división de tiempo (TDM) estándar. Los ADM SDH también pueden realizar la función de interconexión cruzada SDH y se utilizan en centrales telefónicas donde los canales de los suscriptores se conectan a la red central PSTN. ^{[ 5 ]}

Las funciones de la red SDH se conectan mediante fibra óptica de alta velocidad. La fibra óptica utiliza pulsos de luz para transmitir datos y, por lo tanto, es extremadamente rápida. La transmisión moderna por fibra óptica emplea la multiplexación por división de longitud de onda (WDM), donde las señales transmitidas a través de la fibra se transmiten en diferentes longitudes de onda, creando canales adicionales para la transmisión. Esto aumenta la velocidad y la capacidad del enlace, lo que a su vez reduce tanto los costos unitarios como los totales. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

La multiplexación por división de tiempo estadística (STDM) es una versión avanzada de la multiplexación por división de tiempo (TDM) en la que tanto la dirección del terminal como los datos se transmiten simultáneamente para optimizar el enrutamiento. El uso de STDM permite dividir el ancho de banda en una sola línea. Muchos campus universitarios y corporativos utilizan este tipo de TDM para distribuir el ancho de banda.

En una línea de 10 Mbit/s que ingresa a una red, STDM puede proporcionar a 178 terminales una conexión dedicada de 56k (178 * 56k = 9,96  Mb). Sin embargo, un uso más común es asignar el ancho de banda solo cuando se necesita. STDM no reserva una ranura de tiempo para cada terminal, sino que asigna una ranura cuando el terminal requiere enviar o recibir datos.

En su forma primaria, la multiplexación por división de tiempo (TDM) se utiliza para la comunicación en modo circuito con un número fijo de canales y un ancho de banda constante por canal. La reserva de ancho de banda distingue la multiplexación por división de tiempo de la multiplexación estadística. En la TDM pura, las ranuras de tiempo se repiten en un orden fijo y se asignan previamente a los canales, en lugar de programarse paquete por paquete.

En TDMA dinámico , un algoritmo de planificación reserva dinámicamente un número variable de ranuras de tiempo en cada trama para flujos de datos de velocidad de bits variable, en función de la demanda de tráfico de cada flujo de datos. ^{[ 8 ]} El TDMA dinámico se utiliza en:

• HIPERLAN/2
• Modo de transferencia síncrona dinámica
• IEEE 802.16a

La multiplexación por división de tiempo asíncrona (ATDM), ^{[ 7 ]} es una nomenclatura alternativa en la que STDM designa la multiplexación por división de tiempo síncrona, el método más antiguo que utiliza intervalos de tiempo fijos.

• Multiplexación por división de frecuencia : técnica de procesamiento de señales en telecomunicaciones. 
• I²S – Protocolo de comunicación serie para audio digital de dos canales. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redirección. 
• McASP – Periférico de comunicación de audio serie de Texas Instruments 
• Notificación de restablecimiento de ruta
• Comunicación dúplex por división de tiempo : la comunicación fluye simultáneamente en ambas direcciones. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redirección. 

•  Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C . Administración de Servicios Generales . Archivado del original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de la norma MIL-STD-188 ).