時分割多重化

時分割多重（TDM）は、伝送線の両端に同期スイッチを設けることで、共通の信号経路上で独立した信号を送受信する方式です。これにより、各信号は合意された規則に従って、例えば各送信機が順番に動作する場合など、一定時間だけ伝送線上に現れます。伝送媒体のビットレートが送信する信号のビットレートを超える場合に使用できます。この信号多重方式は、19世紀後半に電信システムなどの電気通信分野で開発されましたが、20世紀後半にはデジタル電話において最も一般的な用途が見出されました。

歴史

時分割多重方式は、当初、電信における用途として、単一の伝送線路上で複数の通信を同時に行うために開発された。1870年代、エミール・ボードーは、複数のヒューズ式電信機を用いた時分割多重方式を開発した。

1944年、イギリス陸軍は無線機10号機を使用して、最大50マイル離れた場所までマイクロ波中継で10件の電話会話を多重化しました。これにより、戦地の指揮官はイギリス海峡を越えてイギリスの司令部と連絡を取り合うことができました。^{[ 1 ]}

1953年、RCAコミュニケーションズは、ニューヨーク州ブロードストリートにあるRCAの施設、ロッキーポイントにある送信局、ニューヨーク州ロングアイランドのリバーヘッドにある受信局の間で音声情報を送信するために、24チャンネルの時分割多重化装置を商用運用に導入した。通信はロングアイランド全域でマイクロ波システムによって行われた。実験的なTDMシステムは、1950年から1953年にかけてRCA研究所によって開発された。^{[ 2 ]}

1962年、ベル研究所のエンジニアは、ベル中央局のアナログ交換機間の4線式銅幹線上で24個のデジタル音声通話を結合する最初のD1チャネルバンクを開発しました。回線の両端にチャネルバンクを設けることで、1本の回線で最大24個の音声通話を1/8000秒の短い区間ずつ順番に伝送することが可能になりました。幹線上の離散信号は1.544 Mbit/sで、毎秒8000 個のフレーム があり、各フレームは 24 個の連続したオクテットと 1 個のフレーミングビットで構成されています。フレーム内の各オクテットは、順番に 1 つの電話通話を伝送します。したがって、24 回の音声通話はそれぞれ 64 kbit/s の固定ビットレートの 2 つのストリーム (各方向に 1 つずつ) にエンコードされ、トランク回線の受信側の補完機器によって従来のアナログ信号に変換されます。^{[ 3 ]}

テクノロジー

時分割多重化は主にデジタル信号に使用されますが、上記のようにアナログ多重化にも適用できます。アナログ多重化では、2 つ以上の信号またはビットストリームが、1 つの通信チャネルのサブチャネルとして同時に転送されますが、物理的にはチャネル上で順番に使用されます。^{[ 4 ]}時間領域は、各サブチャネルごとに 1 つの固定長の繰り返しタイムスロットに分割されます。サブチャネル 1 のサンプルバイトまたはデータブロックはタイムスロット 1 で送信され、サブチャネル 2 はタイムスロット 2 で送信されます。1 つの TDMフレームは、サブチャネルごとに 1 つのタイムスロットと、通常は同期チャネル、場合によっては誤り訂正チャネルで構成されます。これらすべてが終わると、新しいフレームでサイクルが再び開始され、サブチャネル 1 からの 2 番目のサンプル、バイトまたはデータブロックから始まります。

アプリケーション例

プレシオクロナスデジタル階層（PDH）システム（ PCMシステムとも呼ばれる）は、回線交換デジタル電話網において、同一の4線式銅線ケーブル（TキャリアまたはEキャリア）または光ファイバー上で複数の電話通話をデジタル伝送するためのシステムである。
PDHに取って代わった同期デジタル階層（SDH）/同期光ネットワーク（SONET）ネットワーク伝送規格
ISDN（統合サービスデジタルネットワーク）の基本レートインターフェースとプライマリレートインターフェース
RIFF （WAV）オーディオ規格は、左右のステレオ信号をサンプルごとにインターリーブする。

TDMはさらに拡張して時分割多重アクセス（TDMA）方式となり、同じ物理媒体（例えば同じ周波数チャネル）に接続された複数のステーションが通信できるようになります。応用例としては以下のようなものがあります。

GSM電話システム
戦術データリンクリンク16とリンク22

多重化デジタル伝送

In circuit-switched networks, such as the public switched telephone network (PSTN), it is desirable to transmit multiple subscriber calls over the same transmission medium to effectively utilize the bandwidth of the medium.^[5] TDM allows transmitting and receiving telephone switches to create channels (tributaries) within a transmission stream. A standard DS0 voice signal has a data bit rate of 64 kbit/s.^[5]^[6] A TDM circuit runs at a much higher signal bandwidth, permitting the bandwidth to be divided into time frames (time slots) for each voice signal which is multiplexed onto the line by the transmitter. If the TDM frame consists of n voice frames, the line bandwidth is n*64 kbit/s.^[5]

Each voice time slot in the TDM frame is called a channel. In European systems, standard TDM frames contain 30 digital voice channels (E1), and in American systems (T1), they contain 24 channels. Both standards also contain extra bits (or bit time slots) for signaling and synchronization bits.^[5]

Multiplexing more than 24 or 30 digital voice channels is called higher order multiplexing. Higher order multiplexing is accomplished by multiplexing the standard TDM frames. For example, a European 120 channel TDM frame is formed by multiplexing four standard 30 channel TDM frames. At each higher order multiplex, four TDM frames from the immediate lower order are combined, creating multiplexes with a bandwidth of n*64 kbit/s, where n = 120, 480, 1920, etc.^[5]

Telecommunications systems

There are three types of synchronous TDM: T1, SONET/SDH, and ISDN.^[7]

Plesiochronous digital hierarchy (PDH) was developed as a standard for multiplexing higher order frames. PDH created larger numbers of channels by multiplexing the standard Europeans 30 channel TDM frames. This solution worked for a while; however PDH suffered from several inherent drawbacks which ultimately resulted in the development of the Synchronous Digital Hierarchy (SDH). The requirements which drove the development of SDH were these:^[5]^[6]

Be synchronous – All clocks in the system must align with a reference clock.
Be service-oriented – SDH must route traffic from End Exchange to End Exchange without worrying about exchanges in between, where the bandwidth can be reserved at a fixed level for a fixed period of time.
Allow frames of any size to be removed or inserted into an SDH frame of any size.
Easily manageable with the capability of transferring management data across links.
Provide high levels of recovery from faults.
Provide high data rates by multiplexing any size frame, limited only by technology.
Give reduced bit rate errors.

SDH has become the primary transmission protocol in most PSTN networks. It was developed to allow streams 1.544 Mbit/s and above to be multiplexed, in order to create larger SDH frames known as Synchronous Transport Modules (STM). The STM-1 frame consists of smaller streams that are multiplexed to create a 155.52 Mbit/s frame. SDH can also multiplex packet based frames e.g. Ethernet, PPP and ATM.^[5]^[6]

While SDH is considered to be a transmission protocol (Layer 1 in the OSI Reference Model), it also performs some switching functions, as stated in the third bullet point requirement listed above.^[5] The most common SDH Networking functions are these:

SDH Crossconnect– The SDH Crossconnect is the SDH version of a time–space–time crosspoint switch. It connects any channel on any of its inputs to any channel on any of its outputs. The SDH Crossconnect is used in Transit Exchanges, where all inputs and outputs are connected to other exchanges.^[5]
SDH Add–Drop Multiplexer– The SDH Add–Drop Multiplexer (ADM) can add or remove any multiplexed frame down to 1.544 Mb. Below this level, standard TDM can be performed. SDH ADMs can also perform the task of an SDH Crossconnect and are used in End Exchanges where the channels from subscribers are connected to the core PSTN network.^[5]

SDH network functions are connected using high-speed optic fibre. Optic fibre uses light pulses to transmit data and is therefore extremely fast. Modern optic fibre transmission makes use of wavelength-division multiplexing (WDM) where signals transmitted across the fibre are transmitted at different wavelengths, creating additional channels for transmission. This increases the speed and capacity of the link, which in turn reduces both unit and total costs.^[5]^[6]

Statistical version

Statistical time-division multiplexing (STDM) is an advanced version of TDM in which both the address of the terminal and the data itself are transmitted together for better routing. Using STDM allows bandwidth to be split over one line. Many college and corporate campuses use this type of TDM to distribute bandwidth.

On a 10-Mbit line entering a network, STDM can be used to provide 178 terminals with a dedicated 56k connection (178 * 56k = 9.96 Mb). A more common use however is to only grant the bandwidth when that much is needed. STDM does not reserve a time slot for each terminal, rather it assigns a slot when the terminal is requiring data to be sent or received.

In its primary form, TDM is used for circuit mode communication with a fixed number of channels and constant bandwidth per channel. Bandwidth reservation distinguishes time-division multiplexing from statistical multiplexing such as statistical time-division multiplexing. In pure TDM, the time slots are recurrent in a fixed order and pre-allocated to the channels, rather than scheduled on a packet-by-packet basis.

In dynamic TDMA, a scheduling algorithm dynamically reserves a variable number of time slots in each frame to variable bit-rate data streams, based on the traffic demand of each data stream.^[8] Dynamic TDMA is used in:

Asynchronous time-division multiplexing (ATDM),^[7] is an alternative nomenclature in which STDM designates synchronous time-division multiplexing, the older method that uses fixed time slots.

References

This article incorporates public domain material from Federal Standard 1037C. General Services Administration. Archived from the original on January 22, 2022. (in support of MIL-STD-188).

↑Wireless Set No. 10
↑US 2919308 "Time Division Multiplex System for Signals of Different Bandwidth"
↑María Isabel Gandía Carriedo (August 31, 1998). "ATM: Origins and State of the Art". Universidad Politécnica de Madrid. Archived from the original on June 23, 2006. Retrieved September 23, 2009.
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[1] Wireless Set No. 10

[2] US 2919308 "Time Division Multiplex System for Signals of Different Bandwidth"

[carriedo-3] María Isabel Gandía Carriedo (August 31, 1998). "ATM: Origins and State of the Art". Universidad Politécnica de Madrid. Archived from the original on June 23, 2006. Retrieved September 23, 2009.

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