Multiplexing, cos'è e come funziona

Nel settore delle telecomunicazioni e delle reti di computer, il multiplexing (o multiplazione) è una tecnica di “composizione” e “decomposizione” dei segnali che permette di inviare più flussi di dati digitali o più messaggi analogici in un unico segnale (detto multiplato) utilizzando un solo canale comunicativo. Con il multiplexing è possibile suddividere la capacità trasmissiva di un mezzo fisico in tanti piccoli canali logici, utilizzando così un solo segnale (digitale o analogico non fa differenza) trasmesso tramite un solo mezzo (un cavo, una banda dello spettro elettromagnetico) per trasportare le informazioni relative a diverse sorgenti indipendenti. A compiere questa operazione è il multiplexer, un dispositivo elettronico detto anche mux addetto alla composizione dei vari messaggi in un unico segnale. Dall'altra parte del mezzo di trasmissione (che può essere, come abbiamo detto, un doppino di rame, un cavo di fibra ottica o anche un'onda di un segnale radio) ci sarà il demultiplexer (o anche demux) cui tocca il compito di scomporre nuovamente il segnale e instradarlo verso i vari destinatari.

Lo scopo del multiplexing

Ideato pochi anni dopo la creazione delle prime reti telegrafiche, il multiplexing ha lo scopo di condividere l'utilizzo di risorse costose o scarse. Come, per l'appunto, cavi per la trasmissione di dati e frequenze dell'etere. Permette quindi di risparmiare sul cablaggio e sul numero di componenti richiesti da ogni apparato di rete o di telecomunicazioni riducendo il numero di linee di segnale fisiche da creare. In elettronica, ad esempio, questa tecnica permette a diversi segnali analogici di essere elaborati da un unico convertitore analogico-digitale. In una grande rete di telecomunicazioni, invece, permette di ridurre il numero di collegamenti necessari instradando un gran numero di chiamate attraverso lo stesso cavo: in questo modo è possibile che tutti i nodi della rete siano in collegamento tra di loro senza la necessità di passare attraverso una rete completamente magliata.

Le tipologie di multiplexing

Il meccanismo del multiplexing non è univoco: potendo essere utilizzato con diversi mezzi trasmissivi (sia via cavo sia senza cavo) è suddiviso in varie tipologie, ognuna delle quali dotata delle sue peculiarità e delle sue caratteristiche salienti. Tutte le tipologie possono essere racchiuse in due grandi gruppi: quello della multiplazione deterministica e quello della multiplazione statistica.

Multiplexing deterministico

Detta anche “commutazione di circuito”, si ha multiplazione deterministica quando una parte della potenza comunicativa del multiplexer è assegnata in maniera stabile ed esclusiva ad un canale in ingresso. All'interno del mux sono facilmente individuabili i vari canali trasmissivi e la sorgente avrà sempre la certezza di poter disporre per intero della potenza di trasmissione assegnatagli. L'allocazione della capacità per ogni singolo canale può essere statica (impostata manualmente dall'operatore) oppure dinamica; in quest'ultimo caso il canale comunicativo è stabilito in seguito alla creazione di una connessione, cui segue la fase di utilizzo del canale conclusa dall'abbattimento della connessione. Basti pensare, ad esempio, alla conversazione telefonica o alla connessione web su linee DSL.

Il multiplexing deterministico può realizzarsi in diversi modi:

• Multiplexing a divisione di spazio (space-division multiplexing). In una connessione via cavo, la multiplazione a divisione di spazio implica semplicemente l'esistenza di diversi cavi per ognuna delle connessioni da attivare. Ne sono un esempio i cavi stereo analogici o i cavi telefonici multidoppino. Nelle comunicazioni wireless lo space-division multiplexing si ha nel caso della tecnologia MiMo (Multiple in Multiple out)

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• Multiplexing a divisione di frequenza (frequency-division multiplexing). Nella multiplazione a divisione di frequenza, i vari canali di trasmissione del segnale vengono individuati su varie frequenze all'interno dello stesso mezzo di trasmissione. Si pensi, ad esempio, alle trasmissioni radiotelevisive analogiche, dove ad ogni stazione radio o canale televisivo veniva assegnata una determinata frequenza all'interno dello spettro di trasmissione (sia wireless, nel caso delle trasmissioni a radiofrequenza, sia con cavo). La divisione a lunghezza d'onda, utilizzata nelle comunicazioni ottiche, è un caso particolare della divisione di frequenza

• Multiplexing a divisione di tempo (time-division multiplexing). Multiplazione di tipo digitale, implica una trasmissione del segnale su base temporale: i canali vengono assegnati non in base ad una divisione spaziale o sfruttando differenti frequenze ma a seconda di un clock interno del sistema che apre e chiude mux e demux ciclicamente. I messaggi da inviare sono sequenziati in gruppi di pochissimi bit o byte e inviati uno dopo l'altro, in modo che possano essere associati senza difficoltà con il destinatario appropriato. In questo modo ogni segnale di trasmissione sfrutta a pieno la potenza del mezzo, anche se per un limitatissimo periodo di tempo

Multiplexing statistico

Detta anche “commutazione di pacchetto”, implica che il flusso di informazioni sia segmentato in piccoli pacchetti di lunghezza fissa e limitata. Ogni pacchetto è composto da un preambolo (header) e un epilogo (trailer) (oltre al corpo del messaggio, ovviamente), necessari al sistema per distinguere un pacchetto dall'altro all'interno del flusso di trasmissione e indirizzarli verso il corretto destinatario della trasmissione. Ogni pacchetto può sfruttare appieno la capacità trasmissiva del mezzo utilizzato e, nel caso vi siano più pacchetti da trasmettere contemporaneamente, si crea una coda di trasmissione che, in casi estremi (come l'esaurimento della memoria disponibile per la coda), può portare alla cancellazione dei pacchetti. Un esempio tipico di multiplazione statistica si ha nelle reti di calcolatori.

Si possono distinguere diverse tipologie di multiplexing statistico:

• Commutazione di messaggio. Il messaggio da trasmettere non viene segmentato ma spedito così com’è. Ciò può causare ritardi imprevisti a scapito della altre comunicazioni in attesa dovuti alla lunghezza del messaggio stesso

• Commutazione di pacchetto. Il messaggio è suddiviso in pacchetti di pochi bit o byte e trasmessi indipendentemente l'uno dall'altro. I pacchetti possono seguire anche percorsi differenti (accade soprattutto nelle reti complesse e di grandi dimensioni, ad esempio il world wide web) ed è compito del demux individuare quale sia il nodo di destinazione. Una volta ricevuti tutti i pacchetti, il nodo di destinazione ricostruisce il messaggio come se si trattasse di un puzzle

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• Commutazione di cella. Anche in questo caso il messaggio è diviso in piccoli pacchetti di dimensioni prestabilite e inviati per mezzo di “celle” di trasmissione. In questo caso è la grandezza della cella a determinare la segmentazione del messaggio: ogni pacchetto non deve eccedere le misure della cella e, nel caso sia più piccolo, lo spazio “rimanente” è riempito con dati-spazzatura

• Commutazione di circuito temporale. Si tratta di multiplazione statistica anche se simula il funzionamento della commutazione di circuito. Affinché ciò sia possibile, prima di stabilire la comunicazione tra due nodi della stessa rete, si crea una connessione logica tra i due (detta circuito virtuale) che definisce in anticipo il percorso che seguiranno i pacchetti e di conseguenza gli intervalli di tempo che questi impiegheranno a percorrerlo per raggiungere il destinatario