Мультиплексирование

Что это

Мультиплексирование (от лат. multiplex — «многократный») — технология объединения нескольких независимых потоков данных или сигналов для передачи по одному общему каналу связи. На принимающей стороне специальное устройство — демультиплексор — разделяет объединённый поток обратно на исходные составляющие. Это фундаментальный принцип современных телекоммуникаций, сетей и цифровой электроники: вместо того чтобы прокладывать отдельный кабель под каждый сигнал, один канал используется совместно, а логика разделения берёт на себя программа или аппаратура.

Зачем это нужно

Физическая прокладка отдельных линий для каждого соединения — дорого и нецелесообразно. Ещё в 1870-х годах телеграфные компании искали способ отправлять несколько сообщений по одному проводу одновременно: именно тогда появились первые практические схемы мультиплексирования. Сегодня без этой технологии невозможно представить мобильную связь (тысячи звонков через одну вышку), интернет-провайдеров (сотни клиентов на одном оптоволокне) и даже USB-хабы. Мультиплексирование позволяет максимально утилизировать дорогостоящую инфраструктуру и масштабировать системы без линейного роста затрат.

Как это работает

Существует несколько принципиально разных подходов к мультиплексированию, каждый из которых делит общий канал по своему критерию:

• FDM (частотное мультиплексирование) — каждому сигналу выделяется своя полоса частот. Именно так работает FM-радио: станции вещают одновременно, но на разных частотах (например, 88,3 МГц и 107,5 МГц), и приёмник просто настраивается на нужную.
• TDM (временное мультиплексирование) — канал делится на короткие временны́е слоты, которые по очереди отдаются разным потокам. Используется в телефонии стандарта ISDN и технологии E1/T1.
• WDM (мультиплексирование по длине волны) — вариант FDM для оптоволокна: по одному стеклянному волокну одновременно идут десятки лазерных лучей разного цвета. DWDM-системы позволяют передавать до 160 каналов по одному волокну.
• SDM (пространственное мультиплексирование) — используется в MIMO-антеннах (Wi-Fi 802.11n/ac/ax, 5G): несколько пространственных потоков передаются одновременно через разные антенны.
• CDM (кодовое мультиплексирование) — сигналы разделяются уникальными кодами. Лежит в основе стандарта CDMA, который применялся в сетях 3G.

Примеры применения

• Интернет-провайдеры используют DWDM-мультиплексирование в магистральных оптоволоконных линиях — одно волокно толщиной с волос несёт трафик целого города.
• HTTP/2 применяет мультиплексирование на уровне протокола: браузер отправляет десятки запросов к серверу по одному TCP-соединению вместо открытия отдельного соединения под каждый файл.
• Кабельное и спутниковое телевидение: сотни каналов передаются по одному кабелю или с одного спутника-транспондера через частотное разделение.
• Мобильные сети 4G LTE используют OFDM — ортогональное частотное мультиплексирование, которое делит спектр на тысячи узких поднесущих и устойчиво к помехам.
• В микроэлектронике мультиплексоры (микросхемы серии 74HC151 и аналоги) выбирают один из нескольких входных сигналов для передачи по одной линии — это экономит выводы микроконтроллера.

Связанные понятия

• Демультиплексирование — обратная операция: разделение объединённого потока на исходные сигналы.
• Пропускная способность (bandwidth) — максимальный объём данных, который канал может передать за единицу времени.
• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) — метод, лежащий в основе 4G, 5G и Wi-Fi.
• MIMO — технология многоантенной передачи, использующая пространственное мультиплексирование.
• Коммутация каналов и коммутация пакетов — альтернативные подходы к организации связи, тесно связанные с принципами мультиплексирования.

Частые заблуждения

Мультиплексирование часто путают с параллельной передачей данных. Разница принципиальная: параллельная передача требует физически отдельных линий под каждый бит или поток, тогда как мультиплексирование — это именно совместное использование одного канала. Также не стоит считать, что мультиплексирование всегда увеличивает скорость для каждого отдельного потока — оно увеличивает суммарную утилизацию канала, но каждый поток получает лишь долю общей пропускной способности. HTTP/2 быстрее HTTP/1.1 не потому, что канал стал шире, а потому что исчезли задержки на открытие новых соединений.