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Stratégies Télécoms & Multimédia
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Encyclopédie des Télécoms
DT 13 - Le multiplexage
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1 - Définitions
Le transport des signaux liés aux messages (paroles, données ou images) suppose de respecter des conditions techniques et économiques d’association. Des raisons économiques conduisent à regrouper dans un même canal les communications qui empruntent un même support ou un même axe de transmission. Celui-ci est construit selon un modèle approprié en fonction des capacités de transmission du support. De la même façon, le taxi, l’autobus, le TGV, l’avion regroupent les voyageurs qui souhaitent effectuer une portion de leur trajet ensemble dans une même direction. On remarque, à l’occasion de cette comparaison, que ces moyens de transport "passent" à une heure donnée dans un lieu donné et que les voyageurs doivent attendre le moment du départ pour y prendre place. En télécommunications, le "circuit support" entre deux points existe 24 heures sur 24 et à chaque seconde. La capacité du circuit à écouler un trafic déterminé dépend des conditions techniques du canal de transmission ainsi que des caractéristiques des messages. L’ensemble des signaux multiplexés constitue un "système de ligne" qui est amplifié ou régénéré périodiquement. Un multiplex ou un groupe multiplexé est un ensemble de circuits qui utilisent un même support de transmission. L’extraction des signaux de ces circuits à la réception est appelée démultiplexage.
Le multiplexage est une forme d’accès multiple à un support commun. L’accès de plusieurs utilisateurs à un même support de transmission peut se faire en fréquence, dans le temps ou selon des règles particulières de codage.
2 - Multiplexage et commutation
L’architecture de réseau doit optimiser les coûts de transmission et de commutation. La commutation permet de concentrer le trafic sur les axes disponibles en améliorant le rendement des groupes multiplexés. Les fonctions de commutation et de multiplexage sont donc souvent associées à l’entrée et à la sortie d’un support de transmission. Les coûts de transmission sont ainsi réduits, puisque l’accès au support est offert à des messages d’origine variée. Les efforts des industriels et des exploitants conduisent à réduire les coûts de commutation et de transmission.
Association commutation et multiplexage
3 - Multiplexeurs
L’accès au milieu de transmission peut être effectué par répartition de fréquences, par répartition dans le temps ou par répartition de code. Le choix des techniques est conditionné par le volume de trafic et la demande en qualité de service. Il doit correspondre aux besoins en débit exprimés par les utilisateurs et être rentabilisé en fonction des critères économiques en vigueur.
Pour accéder à un support de transmission, les signaux d’entrée doivent être combinés avec une fréquence adaptée au support et synchronisés. Pour des raisons économiques, cette opération est effectuée simultanément pour plusieurs messages se présentant au même moment à l’aide d’un multiplexeur (ou mux). Le signal d’origine est restitué en extrémité par un démultiplexeur.
Principe du multiplexage
Les circuits à basse vitesse (BV) sont ceux dont le débit va être ou a été concentré ou multiplexé. Le circuit à haute vitesse (HV) ou circuit composite, est le lien qui unit le couple d’équipements de multiplexage.
Les organes généraux des voies associées aux circuits sont d’une part les équipements d’interface situés entre le multiplexeur et les liaisons basses vitesses, et d’autre part, le multiplexeur et la liaison haute vitesse. Ils sont symbolisés respectivement par les sigles OVBV et OVHV. Le rôle des OVBV est d’adapter les signaux entrants à l’interface de traitement. Un système de régulation des flux BV et HV est nécessaire à l’exploitation de la liaison.
Partie terminale d'une liaison multiplexée
Le multiplexage analogique utilise l’échelle des fréquences (voir le point 5). Le multiplexage numérique utilise l’échelle des temps (voir 6). L’association numérique sur analogique (rythme binaire dans une gamme de fréquences) est présentée au point 7.
Les multiplexeurs statistiques sont connectés à un nombre de terminaux supérieurs à ceux qu’ils peuvent mettre directement en relation. Ils utilisent le taux d’activité des terminaux de façon statistique. D’autres algorithmes permettent d’améliorer le rendement de ces équipements (compression de données, traduction de codes, etc.). Les flux de données Internet sont collectés à l’aide de multiplexeurs statistiques. Les DSLAM des liaisons DSL, les équipements ATM sont des multiplexeurs statistiques.
4 - Accès multiple à un support commun
Un groupe d’utilisateurs peut disposer des mêmes ressources de transport :
sur un réseau d’entreprise LAN,
sur le réseau d’accès constitué d’un câble coaxial (un réseau câblé),
sur un répéteur de satellite, etc.
Pour éviter les conflits d’accès, les pertes d’information et d’éventuelles dégradations, des règles doivent être définies, qui s’apparentent aux processus de modulation. Trois catégories de techniques de copartage d’un même milieu de transmission peuvent être employées :
Méthodes d'accès multiple
l’accès multiple à répartition en fréquence (AMRF ou FDMA en anglais),
l’accès multiple à répartition dans le temps (AMRT ou TDMA),
l’accès multiple à répartition par le codage (AMRC ou CDMA).
Ces règles d’accès permettent d’accroître le nombre d’utilisateurs, sous réserve du respect de règles liées au débit, à la largeur de bande ou au temps d’utilisation. Ces procédés peuvent être illustrés par les images suivantes.
L’AMRF attribue une bande de fréquences déterminée à chaque canal de transmission. Elle peut être comparée à l’audition d’orchestres qui joueraient au même moment dans des salles différentes.
L’AMRT attribue une bande fréquence commune à plusieurs musiciens qui joueraient tour à tour dans la même salle, sous la conduite d’un chef d’orchestre, selon des règles préétablies.
En AMRC, les données de l’usager sont multipliées par un flux pseudo-aléatoire connu de l’émetteur et du récepteur. L’image de l’AMRC est celle de musiciens jouant dans une même salle, en synchronisme, chacun d’entre eux émettant un code particulier connu d’un seul spectateur (signal convenu). On cite à ce propos les pleurs des nouveau-nés dans une maternité qui ne peuvent être identifiés que par leur maman. De la même façon, dans un restaurant bruyant, chacun identifie les messages vocaux de chacun de ses partenaires par le son de leur voix.
5 - Multiplexage analogique
Le signal utile (de 300 à 3 400 hertz en téléphonie vocale) est additionné par une modulation à une fréquence porteuse (Fp) qui est adaptée à la transmission sur le support disponible (câble, espace radioélectrique). On recueille la somme signal utile + fréquence porteuse en réception et, après démodulation et filtrage, le signal utile est restitué au destinataire. Le multiplexage analogique utilise le multiplexage par répartition en fréquence. Même modulé, le signal utile demeure semblable (analogue) au signal d’origine.
Les systèmes analogiques sont riches en équipements actifs (amplificateurs, coupleurs et régulateurs) qui contribuent malheureusement au bruit global du circuit, donc à une limitation de la portée et de la qualité des circuits. Ils sont également très coûteux.
6 - Multiplexages numériques ou multiplexages dans le temps
Le multiplexage numérique résulte de la conversion des fréquences vocales de plusieurs circuits en une suite d’éléments binaires (0,1) ou bits (contraction de l’expression anglaise binary digits) selon une loi de codage définie. Les suites binaires de chacun des circuits sont ensuite entrelacées dans le temps de façon à constituer une trame de signaux à haute vitesse. Les trames numériques sont acheminées sur le réseau et le signal original de chaque circuit est restitué à l’extrémité du support. Si une commutation est nécessaire entre deux tronçons, elle peut être effectuée par un commutateur numérique qui trie, à partir de la trame entrante, les groupes de 8 bits (ou octets) de chaque communication et les oriente sur la trame sortante destinée au second tronçon de transport, ceci sans revenir au signal vocal d’origine. Au cours d’une conversation, la voix numérisée sur l’intervalle de temps numéro 7 d’un tronçon va demeurer affectée à cet intervalle de temps jusqu’à la fin de l’appel. Ensuite, cet intervalle de temps devient disponible pour assurer le transport d’une autre communication.
Le traitement numérique du signal présente les avantages suivants :
réduction du bruit,
possibilité de détection d’erreur,
possibilité de compression de débit,
association possible de flux différents (applications multimédias).
L’avantage majeur du numérique est atteint lorsque la fonction transport est associée à la fonction commutation.
Dans le système MIC européen, l’amplitude de chaque échantillon est codée sous la forme d’un nombre binaire de 8 bits, ceci 8 000 fois par seconde ; le débit binaire d’une voie téléphonique est donc égal à 8 000 fois 8, soit 64 kbit/s (DS-0 aux États-Unis). Les échantillons codés de chacune des voies sont transmis en ligne en y ajoutant des éléments binaires supplémentaires pour la synchronisation, la signalisation et la supervision. Au total, 32 fois 64 kbit/s constituent une trame à 2,048 Mbit/s.
Trame du MIC européen (E1)
L’AMRT, sur le principe d’une trame temporelle définie, affecte en fonction des besoins, les intervalles de temps aux flux de trafic qui se présentent. La trame AMRT peut donc comporter des intervalles de temps (IT) affectés à des utilisateurs déterminés et d’autres IT qui sont affectés à la demande, le système de réception étant chargé de retrouver le bon destinataire.
En AMRC, le train binaire global est la somme de plusieurs flux binaires codés et c’est le code unique, qui est particulier à deux correspondants, qui permet la transmission sécurisée, même en présence de bruit, mais sous réserve d’une bonne synchronisation.
7 - Association analogique et numérique
Dans un espace fréquentiel déterminé, il est possible d’allouer des plages de fréquence spécifiques à des canaux porteurs de trains binaires particuliers.
Modems à fréquence vocale
Un canal analogique équipé de modems transmet des signaux permettant de transférer un débit binaire déterminé. Un circuit téléphonique 300-3 400 Hz peut ainsi servir de support à la transmission de données de 2,4 à 33,6 kbit/s.
Multiplexage en longueur d’onde (WDM)
Le multiplexage par répartition en longueur d’onde (WDM, Wavelength Deplacement Modulation) de canaux numériques sur fibre optique à 155 Mbit/s à 40 Gbit/s s’effectue grâce à l’emploi de porteuses de longueurs d’onde différentes. Un système à quatre fils peut être construit sur une même fibre en utilisant des fenêtres espacées de 28 nm. Les performances réelles dépendent de la stabilité des oscillateurs et de la qualité des fibres mises bout à bout. Le domaine de prédilection du DWDM commence avec les débits situés entre 2,5 Gbit/s et 10 Gbit/s sur le réseau métropolitain. Le réseau d’accès associe le WDM et les techniques de réseau optique passif (PON).
Répéteurs de satellites de télécommunications
Les satellites portent des répéteurs (transponders) qui ne sont que des simples amplificateurs de bandes de fréquences définies à la construction (en général 40 MHz). Sur ces 40 MHz, des bandes de 6 à 8 MHz portent des programmes télévisuels analogiques ou de téléphonie à grande distance. Mais il est aussi possible de placer cinq à six canaux de télévision numérique au lieu et place d’un seul canal télévisuel analogique. De même, les circuits de téléphonie à grande distance peuvent être porteurs de signaux en provenance de modems.
Nous avons donné une vue générale sur le multiplexage en présentant ses points communs avec les méthodes d’accès multiple à un même milieu de transmission et en précisant le vocabulaire utilisé.
La complexité apparente de ce thème vient de la conjonction de plusieurs notions liées à la gestion et aux techniques des réseaux de télécommunications qui sont souvent ignorées des nouveaux entrants dans cette activité.
Les analogies souvent utilisées avec succès dans ce domaine pour des raisons pédagogiques (moyens de transport, musique, etc.) peuvent quelquefois induire en erreur.
Sources :
Télécommunications, D. Battu, Editions Dunod
Initiation aux télécommunications, D. Battu, Editions Dunod.
Mise à jour du 15 Septembre 2003