تعدد الإرسال بتقسيم الوقت

تُعدّ تقنية التضمين بتقسيم الوقت ( TDM ) طريقةً لإرسال واستقبال إشارات مستقلة عبر مسار إشارة مشترك، وذلك باستخدام مفاتيح متزامنة عند طرفي خط الإرسال، بحيث تظهر كل إشارة على الخط لفترة زمنية محددة وفقًا لقواعد متفق عليها، كأن يعمل كل جهاز إرسال بالتناوب. ويمكن استخدامها عندما يتجاوز معدل نقل البيانات في وسيط الإرسال معدل نقل الإشارة المراد إرسالها. وقد طُوّرت هذه التقنية في مجال الاتصالات السلكية واللاسلكية لأنظمة التلغراف في أواخر القرن التاسع عشر، لكنها وجدت تطبيقها الأكثر شيوعًا في الاتصالات الهاتفية الرقمية في النصف الثاني من القرن العشرين.

طُوِّرت تقنية التضمين بتقسيم الوقت لأول مرة لتطبيقات التلغراف لتوجيه عدة عمليات إرسال في وقت واحد عبر خط نقل واحد. في سبعينيات القرن التاسع عشر، طوّر إميل بودو نظامًا للتضمين بتقسيم الوقت باستخدام عدة آلات تلغراف من طراز هيوز .

في عام 1944، استخدم الجيش البريطاني جهاز اللاسلكي رقم 10 لدمج 10 مكالمات هاتفية عبر مرحل ميكروويف لمسافة تصل إلى 50 ميلاً. وقد مكّن هذا القادة الميدانيين من البقاء على اتصال مع هيئة الأركان في إنجلترا عبر القناة الإنجليزية . ^{[ 1 ]}

في عام 1953، قامت شركة RCA للاتصالات بتشغيل مُضاعِف إرسال بتقسيم زمني ذي 24 قناة تجاريًا لإرسال المعلومات الصوتية بين منشأة RCA في شارع برود، نيويورك، ومحطة الإرسال التابعة لها في روكي بوينت، ومحطة الاستقبال في ريفرهيد، لونغ آيلاند، نيويورك. وكانت الاتصالات تتم عبر نظام الميكروويف في جميع أنحاء لونغ آيلاند. وقد طُوِّر نظام TDM التجريبي بواسطة مختبرات RCA بين عامي 1950 و1953. ^{[ 2 ]}

في عام 1962، طوّر مهندسون من مختبرات بيل أولى بنوك قنوات D1، التي جمعت 24 مكالمة صوتية رقمية عبر خط نحاسي رئيسي رباعي الأسلاك بين محولات تناظرية في المكتب المركزي لشركة بيل . سمحت بنك قنوات في كل طرف من الخط بنقل أجزاء قصيرة، مدة كل منها 1/8000 من الثانية، لما يصل إلى 24 مكالمة صوتية بالتتابع. حملت الإشارات المنفصلة على الخط الرئيسي سرعة 1.544  ميجابت/ثانية مقسمة إلى8000 إطار منفصل في الثانية، يتألف كل منها من 24 ثمانية بتات متجاورة وبت تأطير واحد. يحمل كل ثمانية بتات في الإطار مكالمة هاتفية واحدة بالتناوب. وهكذا، تم ترميز كل مكالمة من المكالمات الصوتية الـ 24 إلى دفقين ثابتين بمعدل بتات 64  كيلوبت/ثانية (واحد في كل اتجاه)، ثم تم تحويلهما مرة أخرى إلى إشارات تناظرية تقليدية بواسطة المعدات التكميلية على الطرف المستقبل لخط الاتصال الرئيسي. ^{[ 3 ]}

يُستخدم التضمين بتقسيم الوقت (TDM) بشكل أساسي للإشارات الرقمية ، ولكنه يُمكن تطبيقه أيضًا في التضمين التناظري ، كما ذُكر سابقًا، حيث تُنقل إشارتان أو أكثر، أو تدفقات بتات، تظهر في وقت واحد كقنوات فرعية ضمن قناة اتصال واحدة، ولكنها تتناوب فعليًا على استخدام القناة. ^{[ 4 ]} يُقسّم المجال الزمني إلى عدة فترات زمنية متكررة ذات طول ثابت، واحدة لكل قناة فرعية. تُرسل عينة بايت أو كتلة بيانات من القناة الفرعية 1 خلال الفترة الزمنية 1، والقناة الفرعية 2 خلال الفترة الزمنية 2، وهكذا. يتكون إطار TDM من فترة زمنية واحدة لكل قناة فرعية، وعادةً ما يتضمن قناة تزامن، وأحيانًا قناة تصحيح أخطاء. بعد ذلك، تبدأ الدورة من جديد بإطار جديد، بدءًا من العينة أو البايت أو كتلة البيانات الثانية من القناة الفرعية 1، وهكذا.

• نظام التسلسل الهرمي الرقمي شبه المتزامن (PDH)، المعروف أيضًا باسم نظام PCM ، لنقل المكالمات الهاتفية رقميًا عبر نفس كابل النحاس ذي الأربعة أسلاك ( الناقل T أو الناقل E ) أو الألياف في شبكة الهاتف الرقمية ذات التبديل الدائري
• معايير نقل الشبكة المتزامنة للتسلسل الهرمي الرقمي (SDH) / الشبكات الضوئية المتزامنة (SONET) التي حلت محل PDH
• واجهة المعدل الأساسي وواجهة المعدل الرئيسي لشبكة الخدمات الرقمية المتكاملة (ISDN)
• يقوم معيار الصوت RIFF ( WAV) بدمج إشارات الاستريو اليسرى واليمنى على أساس كل عينة

يمكن توسيع نطاق تقنية تقسيم الوقت (TDM) لتشمل تقنية الوصول المتعدد بتقسيم الوقت (TDMA)، حيث يمكن لعدة محطات متصلة بنفس الوسط المادي، على سبيل المثال، تتشارك نفس قناة التردد ، التواصل فيما بينها. ومن أمثلة التطبيقات ما يلي:

• نظام الهاتف GSM
• وصلات البيانات التكتيكية Link 16 و Link 22

في الشبكات ذات التحويل الدائري، مثل شبكة الهاتف العامة (PSTN)، يُفضّل إرسال مكالمات المشتركين المتعددة عبر وسيط الإرسال نفسه للاستفادة القصوى من عرض النطاق الترددي لهذا الوسيط. ^{[ 5 ]} تسمح تقنية تقسيم الوقت (TDM) لمفاتيح الهاتف المرسلة والمستقبلة بإنشاء قنوات ( فروع ) ضمن دفق الإرسال. تبلغ سرعة نقل البيانات لإشارة الصوت القياسية DS0  64 كيلوبت/ثانية. ^{[ 5 ] [ 6 ]} تعمل دائرة TDM بعرض نطاق ترددي أعلى بكثير، مما يسمح بتقسيم عرض النطاق الترددي إلى أطر زمنية (فترات زمنية) لكل إشارة صوتية يتم تجميعها على الخط بواسطة جهاز الإرسال. إذا كان إطار TDM يتكون من n إطارًا صوتيًا، فإن عرض نطاق الخط هو n × 64  كيلوبت/ثانية. ^{[ 5 ]}

تُسمى كل خانة زمنية صوتية في إطار TDM قناة. في الأنظمة الأوروبية، تحتوي إطارات TDM القياسية على 30 قناة صوتية رقمية (E1)، وفي الأنظمة الأمريكية (T1) تحتوي على 24 قناة. كما يحتوي كلا المعيارين على بتات إضافية (أو خانات زمنية بتية) لبتات الإشارة والمزامنة. ^{[ 5 ]}

يُطلق على عملية تجميع أكثر من 24 أو 30 قناة صوتية رقمية اسم التجميع عالي الرتبة . ويتم ذلك من خلال تجميع إطارات TDM القياسية. على سبيل المثال، يتكون إطار TDM أوروبي ذو 120 قناة من خلال تجميع أربعة إطارات TDM قياسية ذات 30 قناة. في كل عملية تجميع عالية الرتبة، يتم دمج أربعة إطارات TDM من الرتبة الأدنى مباشرةً، مما يُنشئ عمليات تجميع بعرض نطاق ترددي n * 64  كيلوبت/ثانية، حيث n = 120، 480، 1920، إلخ. ^{[ 5 ]}

توجد ثلاثة أنواع من تقنية تقسيم الوقت المتزامن: T1 و SONET/SDH و ISDN. ^{[ 7 ]}

طُوِّرت التسلسلية الرقمية شبه المتزامنة (PDH) كمعيار لدمج الإطارات ذات الرتبة الأعلى. وقد أنشأت PDH عددًا أكبر من القنوات من خلال دمج إطارات TDM الأوروبية القياسية ذات 30 قناة. نجح هذا الحل لفترة من الزمن، إلا أن PDH عانى من عدة عيوب متأصلة أدت في النهاية إلى تطوير التسلسلية الرقمية المتزامنة (SDH). وكانت المتطلبات التي دفعت إلى تطوير SDH هي: ^{[ 5 ] [ 6 ]}

• يجب أن تكون متزامنة - يجب أن تتوافق جميع الساعات في النظام مع ساعة مرجعية.
• كن موجهاً نحو الخدمة - يجب أن يقوم نظام SDH بتوجيه حركة المرور من مقسم النهاية إلى مقسم النهاية دون القلق بشأن المقسمات بينهما، حيث يمكن حجز عرض النطاق الترددي عند مستوى ثابت لفترة زمنية محددة.
• السماح بإزالة أو إدخال إطارات من أي حجم في إطار SDH من أي حجم.
• يمكن إدارتها بسهولة بفضل إمكانية نقل بيانات الإدارة عبر الروابط.
• توفير مستويات عالية من التعافي من الأعطال.
• توفير معدلات بيانات عالية عن طريق تعدد الإرسال لأي حجم إطار، ولا يحدها سوى التكنولوجيا.
• تقليل أخطاء معدل البت.

أصبح بروتوكول SDH بروتوكول النقل الأساسي في معظم شبكات PSTN. وقد طُوّر لتمكين  دمج تدفقات بيانات بسرعة 1.544 ميجابت/ثانية وما فوق، وذلك لإنشاء إطارات SDH أكبر تُعرف باسم وحدات النقل المتزامنة (STM). يتكون إطار STM-1 من تدفقات بيانات أصغر تُدمج معًا لإنشاء  إطار بسرعة 155.52 ميجابت/ثانية. كما يمكن لبروتوكول SDH دمج إطارات البيانات القائمة على الحزم، مثل إيثرنت وPPP وATM. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

على الرغم من أن بروتوكول SDH يُعتبر بروتوكول نقل (الطبقة 1 في نموذج OSI المرجعي )، إلا أنه يؤدي أيضًا بعض وظائف التحويل، كما هو مذكور في البند الثالث من المتطلبات المذكورة أعلاه. ^{[ 5 ]} وتتمثل وظائف شبكات SDH الأكثر شيوعًا فيما يلي:

• وصلة SDH المتقاطعة – وصلة SDH المتقاطعة هي نسخة SDH من مفتاح تقاطع الزمان والمكان. تربط أي قناة على أي من مداخلها بأي قناة على أي من مخارجها. تُستخدم وصلة SDH المتقاطعة في مراكز التبادل العابر، حيث تكون جميع المدخلات والمخرجات متصلة بمراكز تبادل أخرى. ^{[ 5 ]}
• مُضاعِف الإضافة والإسقاط SDH – يُمكن لمُضاعِف الإضافة والإسقاط SDH (ADM) إضافة أو إزالة أي إطار مُضاعَف حتى 1.544  ميجابت. وما دون هذا المستوى، يُمكن استخدام تقنية TDM القياسية. كما يُمكن لمُضاعِفات الإضافة والإسقاط SDH القيام بمهمة الربط المتقاطع SDH، وتُستخدم في مراكز الاتصالات الطرفية حيث يتم توصيل قنوات المشتركين بشبكة PSTN الأساسية. ^{[ 5 ]}

تُربط وظائف شبكة SDH باستخدام الألياف الضوئية عالية السرعة. تستخدم الألياف الضوئية نبضات ضوئية لنقل البيانات، ولذلك فهي فائقة السرعة. يعتمد نقل البيانات عبر الألياف الضوئية الحديثة على تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي (WDM)، حيث تُنقل الإشارات عبر الألياف بأطوال موجية مختلفة، مما يُنشئ قنوات إضافية للإرسال. هذا يزيد من سرعة وسعة الوصلة، مما يُقلل بدوره من تكلفة الوحدة والتكلفة الإجمالية. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

تقنية التعدد بتقسيم الوقت الإحصائي (STDM) هي نسخة متطورة من تقنية التعدد بتقسيم الوقت (TDM)، حيث يتم إرسال كل من عنوان الجهاز والبيانات معًا لتحسين التوجيه. تتيح تقنية STDM تقسيم عرض النطاق الترددي على خط واحد. وتستخدم العديد من الجامعات والمجمعات التجارية هذا النوع من تقنية TDM لتوزيع عرض النطاق الترددي.

على خط بسرعة 10 ميجابت/ثانية يدخل الشبكة، يمكن استخدام تقنية STDM لتوفير اتصال مخصص بسرعة 56 كيلوبت/ثانية لـ 178 جهازًا طرفيًا (178 × 56 كيلوبت/ثانية = 9.96  ميجابت/ثانية). مع ذلك، فإن الاستخدام الأكثر شيوعًا هو منح النطاق الترددي عند الحاجة إليه فقط. لا تحجز تقنية STDM فترة زمنية لكل جهاز طرفي، بل تُخصص فترة زمنية عندما يحتاج الجهاز إلى إرسال أو استقبال البيانات.

في شكلها الأساسي، تُستخدم تقنية تقسيم الوقت (TDM) للاتصالات الدائرية ذات عدد ثابت من القنوات وعرض نطاق ثابت لكل قناة. ويُميز حجز عرض النطاق بين تقنية تقسيم الوقت وتقنية التعدد الإحصائي ، مثل تقنية تقسيم الوقت الإحصائي. في تقنية تقسيم الوقت البحتة، تتكرر الفترات الزمنية بترتيب ثابت وتُخصص مسبقًا للقنوات، بدلًا من جدولتها على أساس كل حزمة بيانات على حدة.

في تقنية TDMA الديناميكية ، تقوم خوارزمية جدولة بحجز عدد متغير من الفترات الزمنية في كل إطار لتدفقات بيانات ذات معدلات بت متغيرة، بناءً على حجم البيانات المطلوبة لكل تدفق. ^{[ 8 ]} تُستخدم تقنية TDMA الديناميكية في:

• هايبرلان/2
• وضع النقل المتزامن الديناميكي
• IEEE 802.16a

تعد عملية تقسيم الوقت غير المتزامنة (ATDM) ^{[ 7 ]} تسمية بديلة حيث يشير STDM إلى عملية تقسيم الوقت المتزامنة، وهي الطريقة الأقدم التي تستخدم فترات زمنية ثابتة.

• تقنية تعدد الإرسال بتقسيم التردد – تقنية معالجة الإشارات في مجال الاتصالات 
• بروتوكول I²S - بروتوكول اتصال تسلسلي للصوت الرقمي ثنائي القناة. صفحات تعرض أوصافًا مختصرة لأهداف إعادة التوجيه. 
• McASP – جهاز طرفي للاتصالات الصوتية التسلسلية من شركة Texas Instruments 
• إشعار إعادة إنشاء المسار
• الاتصال المزدوج بتقسيم الوقت – يتدفق الاتصال في كلا الاتجاهين في وقت واحد. صفحات تعرض أوصافًا مختصرة لأهداف إعادة التوجيه. 

•  تتضمن هذه المقالة موادًا متاحة للعموم من المعيار الفيدرالي 1037C ، إدارة الخدمات العامة . مؤرشفة من الأصل في 22 يناير 2022. (دعماً لـ MIL-STD-188 ).