CAPÍTULO 7 - MULTIPLEXERS - CONCENTRADORES

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CAPÍTULO VII - MULTIPLEXERS - CONCENTRADORES
1. INTRODUÇÃO
	Em sistemas de comunicação de dados, normalmente, existem períodos significantes em que pouco ou nenhum dado é enviado e, ainda, o volume de dados enviados em uma direção é muito maior que o volume enviado em direção contrária. Ou seja, a comunicação de dados tende a ocorrer em formas de burstys e ser não-simétrica. Além disso, muitos dispositivos (como terminais) podem gerar dados que ocupam somente uma pequena fração da capacidade do meio de transmissão utilizado (canal telefônico, por exemplo). Assim, uma vez que o custo do canal, por unidade de tempo, é independente da taxa de dados (até a capacidade máxima), devemos buscar técnicas para que: (1) muitos dispositivos de baixa velocidade possam compartilhar um canal e (2) os burstys e flutuações estatísticas, usuais em comunicação de dados, sejam suavizadas, tal que a taxa de dados corresponda à média, preferencialmente à taxa de pico gerada pelos dispositivos. Esses dispositivos podem ser alcançados através do uso de um multiplex.
	Como uma ilustração da primeira necessidade, suponha que um canal telefônico, usando um MODEM , tenha capacidade para transmitir dados a uma taxa de 4800 bps. Vamos admitir agora que tenhamos 16 terminais, que enviam dados a 300 bps. Podemos implementar o sistema utilizando 16 linhas e 32 MODEMs para 300 bps (como mostrado na figura 7.1), ou através de um multiplex (como mostrado na figura 7.2). Parece natural, principalmente tendo em vista os custos atuais de equipamentos, que a utilização de 2 multiplexers e 2 MODEMs de 4800 bps (com 1 linha telefônica) é muito mais econômica que 32 MODEMs de 300 bps (com 16 linhas telefônicas).
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Figura 7.1 - Terminais conectados sem mux.
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Figura 7.2 - Terminais conectados através de mux.
	Admitindo-se agora que os terminais estão ativos somente 5% do tempo (um número típico) verificaremos que, mesmo com o uso de MUX, teremos grandes períodos de ociosidade no sistema. Neste caso, para melhorarmos o aproveitamento da linha, podemos utilizar um multiplex estatístico, que, em princípio, pode manusear até 320 terminais, levando a uma taxa de dados média agregada de 320 x 300 x 0,05 = 4800 bps (com uma única linha telefônica). Neste ponto poderíamos levantar uma questão: será que o uso de MUX “inteligente” não trará um grande incremento de custo com relação à opção de se utilizar mais MODEMs e linhas telefônicas (para suportar os 320 terminais por exemplo)? A resposta a esta pergunta é, usualmente não.
	Os MUXs estatísticos, acima citados, normalmente possuem microprocessadores e podem executar várias funções inteligentes, tais como: compressão de dados, reconhecimento automático de velocidade (para terminais heterogêneos), diagnoses do sistema, controle de erro, etc.
	Qual a diferença entre um MUX e um concentrador? Inerentemente, um multiplex é um concentrador, uma vez que ele combina um grande número de linhas individuais de dados em uma única linha. Tradicionalmente, a palavra concentrador tem sido usada, em comunicação de dados, para denotar dispositivos que possuem um programa residente e/ou um processador programável, que executam não somente a função de multiplexagem para uma porta de saída, mas também funções de comutação e roteamento para várias portas de saída, assim como funções de compressão de dados, conversão de códigos, controle de erro, funções de protocolo, etc. Ainda, concentrador e processador de comunicações são termos que representam, ao menos funcionalmente, o mesmo tipo de equipamento. A tarefa do concentrador e do processador de comunicação é aliviar o processador central (host) de tarefas relacionadas a rotinas de comunicação e de prover a interface com a rede de transmissão. Com a nova geração de multiplex estatístico, que têm a capacidade de executar muitas das tarefas antes relegadas apenas aos concentradores, o concentrador tradicional tem migrado para funções voltadas para nós de comutação em uma rede de comunicação extensa e para fornecer, em adição às funções de multiplexagem, funções de controle da rede, e manuseio de protocolos.
2. MULTIPLEXERs
	A idéia de multiplexagem surgiu nas origens dos sistemas de comunicação telefônica. O multiplex por divisão em freqüência (FDM) foi sugerido por Carson em 1920, para o aproveitamento econômico dos sistemas de linha aberta a longa distância. A idéia de multiplexagem, então, está relacionada, desde o início, à utilização eficaz da capacidade dos meios de transmissão. Esta eficiência é alcançada através do compartilhamento desses meios.
	Existem duas técnicas de multiplexagem largamente utilizadas hoje: a multiplexagem por divisão em freqüência (FDM) e a multiplexagem por divisão no tempo (TDM). Iniciaremos analisando o MUX FDM (de forma genérica, por razões didáticas), apesar do fato de o MUX TDM ser mais utilizado em sistemas de comunicação de dados.
2.1. MULTIPLEXAGEM POR DIVISÃO EM FREQÜÊNCIA
	Os sistemas telefônicos se destinam a permitir a conversação entre usuários situados entre pontos distantes. Os sons, gerador por ondas acústicas são convertidos em sinais elétricos pelos aparelhos telefônicos. Este sinal elétrico é denominado sinal de voz.
	A rigor, o sinal de voz é rico em harmônicas e se estende por um espectro bastante amplo. Entretanto, para se permitir a implantação eficiente do sistema, devemos limitar o espectro deste sinal. Para se definir a largura de faixa necessária para a transmissão do sinal de voz com boa inteligibilidade (sem alterar profundamente suas características), desenvolveram-se estudos estatísticos minuciosos da influência da limitação de faixa no funcionamento do sistema telefônico. Tais estudos levaram a que o CCITT defini-se um canal telefônico que se estende da faixa de 0 a 4 KHz, sendo que a faixa útil para o sinal de voz vai de 300 Hz a 3400 Hz, ficando o restante da faixa para utilização como faixa de guarda.
	Os meios de transmissão utilizados no sistema telefônico possuem uma largura de faixa bem superior aos 4 KHz necessários para a transmissão de um canal telefônico. Assim, para que possamos utilizar este meio eficientemente, devemos promover o compartilhamento do mesmo, através de multiplex (para exemplificar, uma comunicação via rádio, em visibilidade, pode transmitir 900, 960 ou 1800 canais telefônicos).
	Na multiplexagem por divisão em freqüência (FDM), o espectro de freqüências é dividido em “janelas” de freqüência, e a cada uma dessas janelas é associado um determinado sinal (a cada janela está associado um canal telefônico). A figura 7.3 ilustra esta idéia.
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Figura 7.3 - Idéia do FDM.
	Para ilustrar a composição de um sistema FDM, mostramos nas figuras 7.4 e 7.5 a formação de um sistema com 3 canais telefônicos. Nestas figuras vemos que existe o envolvimento de vários “blocos” (modulador, oscilador, filtros, demodulador, etc).
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Figura 7.4 - FDM para 3 canais.
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Figura 7.5 - Geração de portadoras locais.
2.1.1 - FDM PARA DADOS
	Como já vimos, o canal telefônico possui uma largura de faixa de 4 KHz. Se os dados são transmitidos a uma velocidade baixa, a faixa de freqüência ocupada para a transmissão é inferior aos 4 KHz do canal. Desta forma, podemos utilizar a idéia do FDM e subdividir o canal telefônico em vários subcanais, alocando a cada um deles um canal de dados. Por exemplo, um canal de voz pode transmitir 24 canais telegráficos. Assim, podemos dizer que a multiplexagem FDM é utilizada em sistemas de transmissão de dados para que vários canais de dados de baixa velocidade (ou canais telegráficos) compartilhem uma única linha telefônica. Neste caso, o canal telefônico é dividido em slots (janelas) e a cada janela associamos um canal de dados.
	Um exemplo de divisão do canal de voz em subcanais FDM, para várias taxas de dados, é a recomendação CCITT R39, mostrada na tabela 7.1. Para 75 baud (equivalente a 75 bps, pois usamosmodulação FSK), o espaçamento de um subcanal deve ser de 120 Hz, para evitar interferência. Os tons para esta taxa de +- 30 Hz de um freqüência central, que para o subcanal 1 é de 420 Hz (ou seja, “marca” será representada por 420 + 30 = 450 Hz e o “espaço” por 420 - 30 = 390 Hz). Para uma taxa de 75 bps, 24 canais podem ser acomodados na banda de voz; para 150 bps, somente 12 canais de dados podem compartilhar o canal telefônico e, para 600 bps somente dois canais de dados podem ser utilizados.
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NÚMERO
 DO CANAL�
75 BAUD 
ESPAÇ. DO CANAL
120 Hz
FSK + -30 Hz �
150 BAUD
ESPAÇ. DO CANAL
240 Hz
FSK + -60 Hz�
600 BAUD
ESPAÇ. DO CANAL
1440 Hz
FSK + -240 Hz�
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 1�
 420�
 480�
1080�
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 2�
 540�
 720�
2520�
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 3�
 660�
 960�
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 4�
 780�
1200�
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 5�
 900�
1440�
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 6�
1020�
1680�
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 7�
1140�
1920�
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 8�
1260�
2160�
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 9�
1380�
2400�
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10�
1500�
2640�
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11�
1620�
2880�
�
12�
1740�
3120�
�
13�
1860�
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14�
1980�
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15�
2100�
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16�
2220�
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17�
2340�
�
18�
2460�
�
19�
2580�
�
20�
2700�
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21�
2820�
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22�
2940�
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�23�
3060�
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24�
3180�
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25�
5300�
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Tabela 7.1 - Freqüências de operação para MUX FDM.
	Embora o FDM ainda seja utilizado para dados, ele tem sido protegido frente à técnica TDM e, mais recentemente, pela técnica STDM (TDM estatístico).
2.1.2 - FDM ESTATÍSTICO
	Como já citamos, a idéia dos sistemas multiplex é permitir uma utilização eficaz do meio de transmissão. No sistema FDM tradicional, a cada “janela”(sub-canal) do espectro está associado um determinado canal. Se, neste canal, tivermos períodos de ociosidade, teremos ociosidade, também, na janela associada ao mesmo e, consequentemente, teremos ociosidade no meio de transmissão.
	Por exemplo, numa conversação telefônica, o fator de atividade (fração do tempo em que se coloca potência de sinal em níveis razoáveis) no canal unidirecional, está compreendido entre 0,25 e 0,30. Assim, o esquema rígido ou determinístico, neste caso, corresponde a uma utilização entre 25% e 30% de tempo de transmissão nas janelas.
	Em busca de melhorar este índice, foi idealizado um outro esquema de ocupação, dito estatístico ou probabilístico. A idéia básica é a de ocupar uma janela, alocando-lhe um canal, apenas quando o mesmo estiver ativo e aproveitar os seus períodos de inatividade para alocar outro canal nesta janela.
	Para tanto, basta preceder o equipamento convencional de multiplexação de um estágio lógico de concentração de tráfego, como mostra a figura 7.7. O concentrador analisa permanentemente o estado de atividade dos canais entrantes e comuta logicamente cada um dos canais ativos para uma entrada de canalização multiplex. Enquanto o canal permanecer ativo esta conexão contínua estabelecida, mas cai tão logo o canal se torne inativo.
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Figura 7.7 - FDM Estatístico.
OBS: Maiores detalhes sobre FDM estatístico podem ser obtidos na referência 2 - Pág.838 a 840.
2.2 - MULTIPLEXAGEM POR DIVISÃO NO TEMPO
	Vamos descrever o princípio de multiplexagem por divisão no tempo por meio de um exemplo. Suponha que uma organização tenha um computador em uma cidade e 4 escritórios em outra cidade. Se a organização deseja instalar terminais de 300 bps em cada um dos 4 escritórios, esses terminais podem ser conectados ao computador através de uma linha ponto a ponto, como mostrado na figura 7.8. Com esta filosofia, os terminais possuem acesso irrestrito ao computador, mas o sistema apresentará um custo elevado (pelo custo das linhas), além de subtilizar as portas do computador (se o tráfego não for muito elevado).
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Figura 7.8 - Configuração ponto a ponto.
	Se a carga de cada terminal é relativamente leve, podemos utilizar uma linha multiponto (multidrop) para conectar os terminais ao computador, como mostrado na figura 7.9. Esta configuração é, provavelmente, o método de conecção mais econômico. Entretanto, esta solução só é operacionalmente viável se o volume de tráfego é baixo o suficiente para que as transmissões de um terminal não interfira com as transmissões de outros terminais.
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Figura 7.9 - Configuração multiponto.
	Vamos assumir agora que cada terminal está em uso 60% do tempo. Neste caso, a utilização de linha multiponto não é indicada, e devemos procurar uma nova solução.
	Usando um multiplex, nós podemos “unir” os fluxos de dados de baixa velocidade, de cada terminal, de tal forma que eles possam ser transmitidos em um canal de velocidade mais alta. Para que nós possamos transmitir os dados de vários terminais em uma única linha, devemos entrelaçar esses dados de alguma forma. A multiplexagem TDM é a responsável pelo entrelaçamento dos dados. A figura 7.10 nos mostra os quatro terminais conectados ao computador através de uma linha de comunicação de “alta” velocidade (1200 bps) e de multiplexers. Este diagrama mostra que os fluxos de caracteres de baixa velocidade entram no MUX B, que toma o caracter de cada uma das linhas, entrelaça os mesmos, e os transmite através da linha de alta velocidade, para o MUX A. O multiplex A, por sua vez, separa novamente os caracteres e reconstitui os fluxos originais de baixa velocidade. Este diagrama particular mostra caracteres sendo entrelaçados para a transmissão, mas devemos dizer que alguns multiplexadores entrelaçam bits, e não caracteres.
	Nessa espécie de configuração os MUXs são transparentes para a rede, e cada terminal mantém uma relação ponto a ponto com o computador. A performance da rede não será marcadamente diferente de uma rede ponto a ponto.
	Alguns multiplexers disponíveis comercialmente podem manusear uma larga faixa de taxas de transmissão no lado de baixa velocidade, manipular diferentes códigos e, freqüentemente, mixar transmissões síncronas e assíncronas.
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Figura 7.10 - Multiplexagem TDM.
	Como vimos, o sistema TDM divide o tempo de transmissão em intervalos curtos de tempo, que recebem o nome de slots (janelas). A cada janela está associado um canal (vide figura 7.10 e 7.11). Assim, se um dos terminais não tem dados a transmitir, a janela de tempo correspondente a este terminal não conterá informação (vide figura 7.11), e teremos ociosidade no sistema.
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Figura 7.11 - Ociosidades no sistema TDM.
	Em diversos sistemas de teleprocessamento, com diálogo entre os terminais e a unidade central de processamento, o tempo de ocupação efetiva das vias de comunicação assumem valores médios tão baixos quanto 5%, o que significa uma grande ociosidade dos canais TDM.
	A fim de se utilizar destes períodos de ociosidade (aumentando a performance), desenvolveu-se o TDM estatístico (STDM). O STDM não relaciona, rigidamente, cada canal a uma janela de tempo. Os MUXs STDM atuais são, de um modo geral, microprocessados, permitindo que uma grande diversidade de funções possam ser implementadas, além da função básica de multiplex. Por isso, esses MUXs são denominados multiplexers inteligentes.
2.3 - MULTIPLEXERS INTELIGENTES
	Nos MUXs estatísticos (STDM) deixamos de ter uma correspondência rígida entre as janelas de tempo (slots) e os canais (terminais). Surge, então, a necessidade de indicarmos ao receptor a que canais pertencem os bytes que estão chegando. Para isto, lançamos mão de bits de endereçamento, que se adicionam a cada janela de tempo.
	Existem duas formas básicas de STDM, o STDM com quadro fixo e o STDM com quadro variável. No STDM com quadro variável, o tamanho de cada slot e, conseqüentemente, do quadro não são fixos, dependendo dos dados. A figura 7.12 ilustra essa idéia.
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Figura 7.12 - STDM com Slots fixos e variáveis.
3. CONCENTRADORES
	Um concentrador, funcionalmente, é similar a um multiplex, uma vez que ele combina dados de várias linhas de entrada para uma (ou mais) linha(s) de saída. Na prática, entretanto, os concentradores são dispositivos mais sofisticados, uma vez que eles possuem diversas funções (tais como: controles de fluxo e roteamento, conversãode protocolos, reconhecimento automático de velocidade, compressão de dados, conversão de códigos, controle de erros, monitorações estatísticas, etc), além da função de multiplexagem. Ainda, se admitirmos que o dispositivo possui M linhas de entrada e N linhas de saída (M>N), podemos ter características de transmissão as mais diversas, tanto nas linhas de entrada quanto nas linhas de saída. Para ilustrar esta idéia, a figura 7.13 nos mostra uma rede de comunicação onde vários tipos de equipamentos se conectam ao host através de um concentrador.
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Figura 7.13 - Rede de comunicação com concentrador.
	Para possuir capacidade de executar as diversas funções acima descritas, esses dispositivos são, normalmente, microprocessados, e possuem, também, algum tipo de memória de massa.
	Os concentradores operam, na maioria das vezes, na forma store and forward (armazena e envia). Ou seja, ele armazena os dados de entrada em memória, executa as modificações que se fizerem necessárias, e envia esses dados à linha de saída correspondente.
	A utilização de concentradores na rede permite que utilizemos uma grande variedade de equipamentos terminais, mesmo que estes não sejam compatíveis com as características do host, já que o concentrador é capaz de efetuar a conversão necessária. Um concentrador inteligente pode melhorar significativamente a eficiência de utilização da linha de comunicação de alta velocidade (concentrador-host), efetuando uma compressão nos dados antes de transmiti-los. Esta compressão implica em retirar informações redundantes, e utilizar métodos especiais de codificação, como o código de Huffman. Neste ponto, vamos ilustrar a idéia deste código: Em uma seqüência de dados representando uma linguagem natural qualquer, como a inglesa, por exemplo, algumas letras ocorrem mais freqüentemente que outras. Por exemplo, um “espaço” ocorre cerca de 17% do tempo; as letras e, t, a, i e r, coletivamente, ocorrem cerca de 30% do tempo; já as letras J, Z e W ocorrem menos de 0,1% do tempo. Assim, porque fixamos o mesmo número de bits (7 mais um bit de paridade, no ASCII) para todos caracteres, incluindo aqueles que ocorrem raramente? O código de Huffman baseia-se exatamente nesta idéia. Neste código os caracteres possuem tamanho variável, onde utilizamos um número pequeno de bits para representar os caracteres que ocorrem mais freqüentemente, e um número maior de bits para os caracteres menos freqüentes. Esta filosofia nos permite diminuir consideravelmente o número médio de bits transmitidos. O grau de compressão que pode ser alcançado com esta técnica depende pesadamente dos dados e do algoritmo de compressão que é utilizado. Em muitos casos, uma relação de compressão de 50%, ou mais, pode ser conseguida.
	A relação entre o número máximo de mensagens que pode chegar, por intervalo de tempo, na entrada de concentrador e o número de mensagens que são transmitidas ao host, no mesmo intervalo de tempo, é sempre maior que 1. Isto acontece pois, como já vimos, os terminais não são utilizados ininterruptamente, havendo grandes períodos de ociosidade. Vemos então, que os concentradores operam de forma estatística. Com este tipo de operação, pode haver momentos em que tenhamos mensagens armazenadas no concentrador, formando filas de mensagem, para serem transmitidas ao host. O dimensionamento do concentrador é feito de forma a termos um determinado desempenho sob um determinado tráfego médio, considerando-se a queda de performance com o incremento do tráfego. Este dimensionamento depende de vários fatores e envolve a Teoria de Filas, que foge ao escopo deste curso.
	Um caso especial de concentrador é um processador de comunicação (front-end processor); ambos possuem funções parecidas, sendo que o processador de comunicação se encontra no ambiente do host. O processador de comunicação manipula a rede de comunicação para o host, e transmite as mensagens para o mesmo. O link entre o host e o processador de comunicação pode ser uma linha serial de alta velocidade, ou então uma interface paralela computador-a-computador. Assim como o concentrador, o processador de comunicação pode ou não ter memória de massa auxiliar. Com memória auxiliar, o processador pode armazenar as mensagens e transmiti-las ao host no instante apropriado ou, de outra forma, pode receber mensagens do host e distribuí-las aos terminais na forma e no momento apropriado.
	O link entre o concentrador e o host é, usualmente, uma linha ponto-a-ponto. Já a comunicação entre o concentrador e os terminais depende das características do sistema. Não é incomum termos concentradores ligados entre si, de uma forma hierárquica.
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4. BIBLIOGRAFIA
1) HOUSLEY, Trevor. Data Communications and Teleprocessing Systems. Prentice-Hall, Inc. 	New Jersey.
2) BARRADAS, O. et al. Sistemas Analógico-Digitais. Livros Técnicos e Científicos, Editora S.A. 	Rio de Janeiro, 1980.
3) BARTEE, Thomas C. Data Communications, Networks, and Systems. Howard W. Sams & Co., 	Inc. Indianápolis, 1985. 
CEDETEC												� PÁGINA �1�
FORA DE FAIXA